Mittelspannungstransformator-Einlaufstromreduzierung durch Steuerungsschaltgerät

Gesteuerte Schaltgeräte im mittleren Spannungsbereich

Vor mehr als drei Jahrzehnten wurden Gesteuerte Schaltgeräte (CSDs) erstmals eingeführt, um Schalttransienten zu reduzieren, die durch Hochspannungs-Schaltgeräte verursacht werden, die an Parallelreaktoren und Kondensatorenbänken angeschlossen sind. Weitere Forschungen erweiterten ihre Anwendung auf Übertragungsleitungen und Starkstromtransformer. Ursprünglich optimierten diese Geräte die Schaltmomente für jede Phase einzeln mit unabhängig betriebenen Polen (IPO).

Kürzlich hat der Anstieg des globalen Energiebedarfs die Integration erneuerbarer Energien in Verteilnetze des mittleren Spannungsbereichs gefördert, anstatt sich ausschließlich auf Hochspannungs-(HV)-Übertragungssysteme zu verlassen. Diese Veränderung hat es notwendig gemacht, Spannungseinbrüche zu adressieren, die durch unkontrollierte Einschaltströme während der Transformatorenergierung entstehen.

Mittlere Spannungsschaltanlagen arbeiten in der Regel gleichzeitig mit drei Polen, was im Gegensatz zum unabhängigen Betrieb in HV-Anwendungen steht. Dies erforderte bedeutende Fortschritte in der CSD-Technologie, um Transformator-Energierungs-Einschaltströme effektiv mit Standard-Schaltern und gleichzeitiger Poleinrichtung zu managen. Heute wird diese Innovation nicht nur in erneuerbaren Energieanlagen wie Windparks und Photovoltaikanlagen, sondern auch in industriellen Einrichtungen und Verkehrsnetzen eingesetzt, wo die Kontrolle von Einschaltströmen entscheidend für die zuverlässige Energierung von Transformatoren sowohl im mittleren als auch im hohen Spannungsbereich ist.

Einschaltstrom in Mittelspannungs-Transformern

Die Größe des Einschaltstroms während der Transformator-Energierung wird erheblich durch den Restfluss im Transformatorkern beeinflusst; höhere Restflusswerte können bei zufälliger Energierung zu größeren Einschaltströmen führen. Effektive Minderungsstrategien sind essenziell, um Betriebsstörungen zu vermeiden und die Netzstabilität sicherzustellen.

Durch die Implementierung fortschrittlicher gesteuerter Schalttechniken ist es möglich, diese Einschaltströme zu minimieren oder zu eliminieren. Diese Methoden erhöhen nicht nur die Systemzuverlässigkeit, sondern verlängern auch die Lebensdauer der Ausrüstung, senken Wartungskosten und verbessern die Gesamteffizienz in Verteilnetzen des mittleren Spannungsbereichs. Die Einführung solcher Technologien markiert einen wichtigen Fortschritt in der Anpassung an die sich ändernden Anforderungen moderner elektrischer Verteilnetze.

Zusammenhang zwischen Restfluss und Transformator-Einschaltstrom

Feldmessdaten, die während der Inbetriebnahme von Gesteuerten Schaltgeräten (CSDs) an Schaltgeräten und Schaltanlagen mit gleichzeitiger Poleinrichtung gesammelt wurden, haben den Zusammenhang zwischen Restfluss und Transformator-Einschaltstrom bestätigt. Die Verwendung von CSDs führt typischerweise zu einer Reduktion des Einschaltstroms im Verhältnis 3:1 im Vergleich zur zufälligen Energierung, was potenzielle Störungen erheblich mindert.

Methoden zur Minderung des Einschaltstroms mit gemeinsam betriebenen Schaltgeräten

Die folgende Erklärung illustriert das Konzept der gesteuerten Schaltung zur Minderung des Einschaltstroms, angewendet auf Starkstromtransformer:

Wenn eine demagnetisierte Phasen-R eines Starkstromtransformers bei der Nullüberquerung der Spannung energisiert wird (wie links in Abbildung 1 dargestellt), wird der Transformatorkern tief in die Sättigung getrieben, wodurch ein zusätzlicher 2 per-unit (p.u.) Fluss in den Kern eingeführt wird. Diese Bedingung kann zu erheblichen Einschaltströmen aufgrund der Kernsättigung führen.

Wenn jedoch der Transformator beim positiven Spannungsgipfel energisiert wird, fügt dieses initiale positive Viertelzyklus lediglich 1 p.u. Fluss in den Kern ein. Da die Spannung dann in ihre negative Halbwelle übergeht, beginnt sie, den Fluss innerhalb des Kerns zu verringern. Da der Transformator unter diesen Bedingungen seine Sättigungsgrenze nicht erreicht, wird die Kernsättigung vermieden, wodurch die Entstehung von Einschaltstrom verhindert wird.

Diese Situation entspricht der stationären Energierung des Transformators, bei der der Kernfluss der Spannung um 90 Grad nachsteht. Durch sorgfältiges Timing des Energierungsmoments, um optimalen Punkten im Spannungswellenform zu entsprechen, wird das Risiko von Einschaltströmen minimiert, was eine glattere und stabilere Transformatoroperation sicherstellt.

Zusammenfassend nutzen gesteuerte Schalttechniken präzises Timing, um Einschaltströme effektiv zu mildern. Indem durch strategische Energierungspunkte im Spannungszug die Kernsättigung vermieden wird, stellen diese Methoden eine zuverlässige Transformatorleistung sicher, verbessern die Netzstabilität und reduzieren Betriebsstörungen. Dieser Ansatz stellt einen kritischen Fortschritt in der Technologie von Schaltanlagen im mittleren Spannungsbereich dar und bietet erhebliche Vorteile sowohl für neue Installationen als auch für die Modernisierung bestehender Systeme.

Die Situation wird komplexer, wenn ein 3-Phasen-Schalter mit gleichzeitiger Poleinrichtung verwendet wird. Tatsächlich kann die Auswahl des Energierungsmoments, das den Einschaltstrom einer Phase minimiert, für die anderen beiden Phasen nachteilig sein. Dies wird in Abbildung 2 illustriert, wo die Minderung des Einschaltstroms für Phase R eines demagnetisierten Transformators (links) die Phasen Y und B negativ beeinflusst (rechts).

Durch die Optimierung des Energierungsmoments für eine Phase, um ihren Einschaltstrom zu reduzieren, können die Bedingungen für die anderen beiden Phasen versehentlich zu erhöhten Einschaltströmen führen, was die Notwendigkeit eines ausgewogenen Ansatzes in Mehrphasensystemen hervorhebt.

Wie bereits erklärt, ist das Restflussmuster in einem Starkstromtransformator das Ergebnis seiner vorherigen De-energierung.

Wenn ein Transformator neu energisiert wird, wird der durch die angelegte Spannung induzierte dynamische Fluss je nach Polarität der angelegten Spannung zum Restfluss addiert oder davon subtrahiert. Gemäß den Prinzipien der gesteuerten Schaltung tritt der optimale Energierungsmoment für eine Phase eines Starkstromtransformators auf, wenn der induzierte potenzielle Fluss dem vorhandenen Restfluss entspricht (Abbildung 3, links). Zum Beispiel, in Anwesenheit eines positiven Restflusses würde die Anwendung einer negativen Spannung zunächst den Kernfluss auf Null am negativen Spannungsgipfel verringern und dann sofort den stationären Betrieb des Transformators ohne Sättigung seines Kerns erreichen.

Im Gegensatz dazu (Abbildung 3, rechts) würde die Energierung der Phase bei der positiven Nullüberquerung der Spannung 2 p.u. positiven Fluss in den Kern hinzufügen, zusätzlich zu den vorhandenen 0,5 p.u. Restfluss. Dies drückt den Kern des Starkstromtransformators tief in die Sättigung, was zu exzessiven Einschaltströmen führt. Daher erhöht die Anwesenheit von Restfluss den maximalen Einschaltstrom, wenn die Energierung des Transformators nicht gesteuert wird.

Die präzise Auswahl des Energierungsmoments, um den induzierten Fluss mit dem Restfluss abzugleichen, kann wirksam die Kernsättigung verhindern, wodurch Einschaltströme reduziert und eine glatte Transformatoroperation gewährleistet wird. Diese Strategie erhöht nicht nur die Systemzuverlässigkeit, sondern verlängert auch die Lebensdauer der Ausrüstung und senkt Wartungskosten. Das richtige Timing der Energierung ist besonders kritisch in Mehrphasensystemen, um die Leistung über die Phasen hinweg auszugleichen, um die Netzstabilität und Effizienz sicherzustellen.

Dieser Ansatz unterstreicht die Bedeutung, den Einfluss des Restflusses zu berücksichtigen, wenn gesteuerte Schalttechnologien für Starkstromtransformer entworfen und implementiert werden, um effizientere und zuverlässigere Stromübertragungsnetze zu erreichen.

Wenn es Restfluss im Transformatorkern gibt, wird die Situation mit einem gemeinsam betriebenen Schaltgerät noch komplexer. Der optimale Energierungsmoment muss die gleichzeitige Betriebsführung aller drei Phasen gemäß der Größe und Polarität des Restflusses berücksichtigen. Allerdings gibt es für jedes mögliche Restflussmuster immer einen optimalen Energierungsmoment, der zu minimaler Transformatorsättigung führt (Abbildung 4).

In dem folgenden Beispiel beträgt das Restflussmuster 0, -0,5 und +0,5 p.u. in den Phasen R, Y und B, jeweils. Die Energierung des Starkstromtransformators bei 90° (dem Spannungsgipfel der Phase R) führt zur minimalen Sättigung der Phasen. Allerdings würde das Schließen der blauen Phase (angenommen Phase B) bei der positiven Nullüberquerung der Spannung (240°) den schlimmsten Einschaltstrom verursachen, der 6,5-mal höher wäre als der optimale Schaltmoment, berechnet durch ein Gesteuertes Schaltgerät (CSD).

Dies unterstreicht die Bedeutung, den optimalen Energierungsmoment für jede spezifische Restflussbedingung genau zu bestimmen, um die Transformatorsättigung und den Einschaltstrom zu minimieren. Eine korrekte Zeitsteuerung gewährleistet einen glatteren Betrieb und verbessert die Zuverlässigkeit und Effizienz des Stromsystems.

Wenn die Energierung eines Starkstromtransformators nicht gesteuert wird, tritt der schlimmstmögliche Einschaltstrom immer in der Phase mit dem höchsten Restfluss auf. Ein Gesteuertes Schaltgerät (CSD) minimiert den Energierungseinschaltstrom, indem es den optimalen Polverschlussmoment basierend auf dem Restflussmuster berechnet. Folglich kann unter bestimmten Bedingungen mit hohem Restfluss der Einschaltstrom vollständig eliminiert werden.

Abbildung 5 illustriert den theoretischen relativen Einschaltstrom während der Energierung als Funktion des höchsten der drei gemessenen Restflüsse im Transformator (mit einer Sättigungsknie bei 1,2 p.u.). Der Spitzen-Einschaltstrom wird normiert auf den maximalen Energierungstrom des demagnetisierten Kerns. Wenn der Kernrestfluss hoch ist (auf der horizontalen Achse), eliminiert das CSD den Einschaltstrom, indem es verhindert, dass der Transformator in Sättigung gerät (untere Bereich der blauen Linie). Im Gegensatz dazu kann die Energierung des Starkstromtransformators zu einem zufälligen Moment den Transformator in volle Sättigung drücken (rote Linie), was zu exzessiven Einschaltströmen und anschließenden Spannungseinbrüchen im Netz führt. Dieses Diagramm zeigt somit die Effektivität der Einschaltstromminderung durch ein CSD im Vergleich zur zufälligen oder unkontrollierten Energierung.