Mediumspændings-transformator indtrængningsstrøm reduktion ved styre-enhed

Kontrollerede skærmingsenheder i mellemspændingsområdet

For over tre årtier siden blev kontrollerede skærmingsenheder (CSDs) først introduceret for at mindske skæringsovergangsforskydninger, som skyldtes højspændingsbrydere forbundet med parallelreaktorer og kondensatorbanker. Senere forskning udvidede deres anvendelse til transmissionslinjer og strømtransformatorer. I starten optimerede disse enheder skæringstidspunkter pr. fase ved hjælp af uafhængigt polstyret brydere (IPO).

Nylig har stigningen i den globale energibehov stimuleret integrationen af fornyelige energikilder i mellemspændingsforsyningsnettet i stedet for udelukkende at stole på højspændingstransmissionsystemer. Denne ændring har gjort det nødvendigt at adressere spændingsfaldsproblemer, der opstår som følge af ukontrollerede inrush-strømme under transformatoropstart.

Mellemspændingsbrydere opererer typisk med tre poler samtidigt, hvilket kontrasterer med den uafhængige operation i højspændingsanvendelser. Dette krævede betydelige fremskridt i CSD-teknologi for effektivt at håndtere inrush-strømme under transformatoropstart ved hjælp af standardbrydere med samtidig poleoperation. I dag anvendes denne innovation bredt ikke blot i fornyelsesbar energiinstallationer som vindparkers og fotovoltaiske solceller, men også i industrielle opsætninger og transportnet, hvor kontrol over inrush-strømme er afgørende for pålidelig opstart af både mellem- og højspændingstransformatorer.

Inrush-strøm i mellemspændings-transformatorer

Størrelsen af inrush-strømmen under transformatoropstart påvirkes betydeligt af restflux i transformatorkernen; højere niveauer af restflux kan føre til større inrush-strømme ved tilfældig opstart. Effektive reduktionsstrategier er afgørende for at undgå driftsforstyrrelser og sikre netstabilitet.

Ved at implementere avancerede kontrollerede skæringsteknikker er det muligt at minimere eller eliminere disse inrush-strømme. Disse metoder forbedrer ikke kun systemets pålidelighed, men forlænger også udstyrets levetid, reducerer vedligeholdelseskostnader og forbedrer den samlede effektivitet i mellemspændingsforsyningsnet. Implementeringen af sådanne teknologier markerer en afgørende fremskridt i tilpasningen til de moderne elektriske distributionsnetværks evigskiftende behov.

Forholdet mellem restflux og transformatorinrush-strøm

Feltdata indsamlet under kommissionering af kontrollerede skærmingsenheder (CSDs) på brydere og skærminger med samtidig poleoperation har bekræftet forholdet mellem restflux og transformatorinrush-strøm. Brug af CSDs resulterer typisk i en 3:1-reduktion af inrush-strøm sammenlignet med tilfældig opstart, hvilket betydeligt mindsker potentielle forstyrrelser.

Metoder til reduktion af inrush-strøm med gangopererede brydere

Den følgende forklaring illustrerer begrebet kontrolleret skæring for reduktion af inrush-strøm, anvendt på strømtransformatorer:

Når fase R af en demagnetiseret strømtransformator bliver opstartet ved nulpunktet for spændingen (som vist til venstre i figur 1), tvinger det kernen dybt ind i mætning, hvilket introducerer yderligere 2 per-unit (p.u.) flux i kernen. Denne tilstand kan føre til betydelige inrush-strømme som følge af kernemætning.

Men når transformator bliver opstartet ved positivt spændingstop, tilføjer denne initiale positive kvartcyklus kun 1 p.u. flux til kernen. Når spændingen derefter går over i sin negative halvcyklus, begynder den at formindske fluxen i kernen. Da transformator ikke når dens mætningsgrænse under disse forhold, undgås kernemætning, hvilket forhindrer opståelsen af inrush-strøm.

Dette scenario svarer til den stabile opstart af transformator, hvor kernefluxen følger spændingen med 90 grader. Ved nøje at tidsbestemme øjeblikket for opstart for at falde sammen med optimale punkter i spændingsbølgen, minimeres risikoen for inrush-strømme, hvilket sikrer en mere stabil og glat transformatordrift.

Sammenfattende bruger kontrollerede skæringsteknikker præcis tidsbestemmelse for effektivt at reducere inrush-strømme. Ved at undgå kernemætning gennem strategiske opstartspunkter i spændingscyklussen sikres pålidelig transformatorydelse, forbedrer netstabilitet og reducerer driftsforstyrrelser. Denne tilgang repræsenterer et afgørende fremskridt i mellemspændingsbrydere teknologi, som byder på betydelige fordele for både nye installationer og opgraderinger af eksisterende systemer.

Situationen bliver mere kompleks, når man bruger en 3-fase bryder med samtidig poleoperation. I virkeligheden kan valget af et opstartøjeblik, der minimaliserer inrush-strømmen for en fase, være skadeligt for de to andre faser. Dette illustreres i figur 2, hvor reduktion af inrush-strømmen for fase R af en demagnetiseret transformator (til venstre) har en negativ effekt på faser Y og B (til højre).

Ved at optimere opstartsmomentet for en fase for at reducere dennes inrush-strøm, kan forholdene for de to andre faser uheldigvis føre til øgede inrush-strømme, hvilket understreger behovet for en balance i flerfasersystemer.

Som forklaret tidligere, er mønsteret af restflux i en strømtransformator resultatet af dens tidligere afslutning.

Når en transformator genopstartes, tilføjes eller trækkes den dynamiske flux, induceret af den anvendte spænding, til eller fra restfluxen afhængigt af polariteten af den anvendte spænding. Ifølge principperne for kontrolleret skæring forekommer det optimale opstartsmoment for en fase i en strømtransformator, når den inducerede potentielle flux passer den eksisterende restflux (figur 3, til venstre). For eksempel, hvis der findes positiv restflux, vil anvendelse af negativ spænding først bringe kernefluxen ned til nul ved det negative spændingstop og derefter straks nå den stabile drift af transformatoren uden at sætte dens kerne i mætning.

Omvendt (figur 3, til højre) ville opstart af fasen ved et positivt nulpunkt for spændingen tilføje 2 p.u. positiv flux til kernen oven i den eksisterende 0,5 p.u. restflux. Dette drager strømtransformatorkernen dybt ind i mætning, hvilket resulterer i excessiv inrush-strøm. Derfor øger tilstedeværelsen af restflux den maksimale inrush-strøm, når transformatorens opstart er ukontrolleret.

Præcis valg af opstartsmomentet for at matche den inducerede flux med restfluxen kan effektivt forhindre kernemætning, hvilket reducerer inrush-strømme og sikrer en glat transformatordrift. Denne strategi forbedrer ikke kun systemets pålidelighed, men forlænger også udstyrets levetid og reducerer vedligeholdelseskostnader. Korrekt tidsbestemmelse af opstart er især kritisk i flerfasersystemer for at balancere ydeevnen over faserne, hvilket sikrer netstabilitet og effektivitet.

Denne tilgang understreger vigtigheden af at tage hensyn til effekten af restflux, når man designer og implementerer kontrollerede skæringsteknologier for strømtransformatorer, med målet om at opnå mere effektive og pålidelige strømtransmissionsnetværk.

Når der er restflux i transformatorkernen, bliver situationen med en gangopereret bryder endnu mere kompleks. Det optimale opstartsmoment skal tage højde for den samtidige drift af alle tre faser ifølge størrelsen og polariteten af restfluxen. Dog findes der altid et optimalt opstartsmoment for hver mulig restfluxmønster, der resulterer i minimal transformatormætning (figur 4).

I følgende eksempel er restfluxmønstret 0, -0,5 og +0,5 p.u. i faserne R, Y og B, henholdsvis. Opstart af strømtransformator ved 90° (spændingstop for fase R) resulterer i minimum mætning af faserne. Men lukning af den blå fase (antagelig fase B) ved det positive nulpunkt for spændingen (240°) ville forårsage den værste inrush-strøm, som ville være 6,5 gange højere end det optimale skæringstidspunkt, beregnet af en kontrolleret skærmingsenhet (CSD).

Dette understreger vigtigheden af at præcist fastslå det optimale opstartsmoment for hver specifik restflux-betingelse for at minimere transformatormætning og inrush-strømme. Korrekt tidsbestemmelse sikrer en glattere drift og forbedrer pålideligheden og effektiviteten af strømsystemet.

Når man ikke kontrollerer opstarten af en strømtransformator, vil den værste mulige inrush-strøm altid forekomme på den fase med den højeste restflux. En kontrolleret skærmingsenhed (CSD) minimaliserer inrush-strømmen ved at beregne det optimale pol-lukningsøjeblik baseret på restfluxmønstret. Konsekvent kan inrush-strømmen under bestemte høje restflux-betingelser helt elimineres.

Figur 5 illustrerer den teoretiske relative inrush-strøm under opstart som en funktion af den højeste af de tre restflux, målt i transformator (med en mætningsknækket ved 1,2 p.u.). Toppen af inrush-strømmen er normaliseret til den maksimale opstartstrøm for den demagnetiserede kerne. Når kernes restflux er høj (på den horisontale akse), eliminerer CSD inrush-strømmen ved at forhindre, at transformatoren går i mætning (den nedre del af den blå linje). Omvendt vil opstart af strømtransformatoren ved et tilfældigt øjeblik kunne drage transformatorind i fuld mætning (den røde linje), hvilket fører til excessiv inrush-strøm og efterfølgende spændingsfald i nettet. Dette diagram demonstrerer derfor effektiviteten af inrush-strømmens reduktion, som en CSD giver, i forhold til tilfældig eller ukontrolleret opstart.