Keskijännite-transformatorin sähkövirtahäiriön vähentäminen ohjauskytkimen avulla

Kontrolloidut kytkentälaitteet keskijännitealueella

Yli kolmekymmentä vuotta sitten kontrolloidut kytkentälaitteet (CSD) otettiin käyttöön ensimmäisen kerran vähentämään kytkentävälia, joita aiheuttivat korkeajännitekytkimet, jotka yhdistettiin rinnakkaisreaktoreihin ja kondensaattoripankkeihin. Myöhemmät tutkimukset laajensivat niiden sovellusalaan myös siirtolinjoihin ja voimansiirtoon. Alun perin nämä laitteet optimoivat kytkemishetkiä vaiheittain riippumattomasti toisistaan toimivilla polenkytkimillä (IPO).

Viime aikoina maailmanlaajuisen energiakysynnän kasvu on edistänyt uusiutuvien energialähteiden integrointia keskijänniteverkkoihin eikä ainoastaan korkeajännite (HV) siirtosysteemeihin. Tämä muutos on vaatinut ratkaisuja jännitetason laskuun, joka aiheutuu hallitsemattomista virtasijoissa muuntamisessa.

Keskijännitekytkentälaitteet toimivat yleensä kolmella polulla samanaikaisesti, mikä eroaa korkeajännitteen sovelluksissa tapahtuvaan itsenäiseen toimintaan. Tämä vaati merkittäviä edistysaskelia CSD-tekniikassa, jotta voitaisiin tehokkaasti hallita muuntimen virran virtasijoissa standardikytkimillä, jotka toimivat samanaikaisesti. Nykyään tämä innovaatio on laajasti käytössä paitsi uusiutuvan energian asennuksissa, kuten tuulivoimapuistoissa ja aurinkopaneeliasemissa, myös teollisuuden asetuksissa ja liikenneverkoissa, joissa virtasijoiden hallinta on olennaista sekä keskijännitteisten että korkeajännitteisten muuntimien luotettavalle viritykselle.

Virtasijat keskijännite muuntimissa

Muuntimen virityksen aikana syntyvän virtasijan suuruus on huomattavasti riippuvainen muuntimen ytimessä olevasta jäännösfluksista; korkeampi jäännösfluksi voi johtaa suurempiin virtasijoissa satunnaisvirityksessä. Tehokkaat hillitsemismenetelmät ovat välttämättömiä operatiivisten häiriöiden välttämiseksi ja verkon vakauden varmistamiseksi.

Edistyneiden kontrolloidun kytkemisen menetelmien avulla on mahdollista vähentää tai poistaa näitä virtasijoja. Nämä menetelmät parantavat järjestelmän luotettavuutta, pidentävät laitteiden käyttöikää, vähentävät huoltokustannuksia ja parantavat keskijännitejakeluverkkojen kokonaistehokkuutta. Tällaisten teknologioiden käyttöönotto on merkittävä edistysaskel modernien sähköjakeluverkkojen muuttuvien vaatimusten mukautumisessa.

Jäännösfluksin ja muuntimen virtasijan välinen suhde

Kenttädata, joka on kerätty kontrolloidujen kytkentälaitteiden (CSD) komissionoinnin aikana kytkimissä ja kytkentälaitteissa, jotka toimivat samanaikaisesti, on vahvistanut jäännösfluksin ja muuntimen virtasijan välisen suhteen. CSD:n käyttö tyypillisesti johtaa 3:1 vähennykseen virtasijassa verrattuna satunnaiseen viritykseen, mikä merkittävästi lievittää mahdollisia häiriöitä.

Virtasijan hillitsemismenetelmät yhteistyökykyisellä polenkytkimellä

Seuraava selitys havainnollistaa kontrolloidun kytkemisen käsitettä virtasijan hillitsemiseksi voimansiirto muuntimissa:

Kun demagnetisoitu voimansiirto muuntimen vaihe R virretään jännitteen nollakohdassa (kuten osoitetaan vasemmalla Kuvassa 1), se pakottaa muuntimen ytimen syvään saturaatioon, lisäämällä ytimeen 2 per-yksikköä (p.u.) fluksia. Tämä tilanne voi johtaa merkittäviin virtasijoissa ytimen saturaation vuoksi.

Kuitenkin, kun muuntin virretään positiivisella jännitteen huipussa, tämä alkuinen positiivinen neljäsosa lisää vain 1 p.u. fluksia ytimeen. Kun jännite sitten siirtyy negatiiviseen puolikauteensa, se alkaa vähentää ytimen fluksia. Koska muuntin ei saavuta saturaatiota näissä olosuhteissa, ytimen saturaatiota voidaan välttää, mikä estää virtasijan ilmestyminen.

Tämä skenaario vastaa muuntimen tasapainoisessa viritystilassa, jossa ytimen fluksi viipyilee jännitettä 90 astetta. Virettämishetken tarkka valinta sopimaan optimaalisiin pisteisiin jännitteen aaltomuotoon minimoi virtasijan riskin, taatakseen sileämpän ja vakaimman muuntimen toiminnan.

Yhteenvetona, kontrolloidut kytkemistehtävät hyödyntävät tarkkaa ajoitusta virtasijan tehokkaaseen hillitsemiseen. Ytimen saturaation välttämällä strategisilla virettämispisteillä jännitteen syklissä, nämä menetelmät taistelevat luotettavan muuntimen toiminnan, parantavat verkon vakautta ja vähentävät operatiivisia häiriöitä. Tämä lähestymistapa edustaa keskeistä edistysaskelta keskijännitekytkentälaite teknologiassa, tarjoten huomattavia etuja sekä uusille asennuksille että olemassa olevien järjestelmien päivityksille.

Tilanne tulee monimutkaisemmaksi, kun käytetään kolmivaiheista kytkentälaitetta, jossa kaikki kolme polua toimivat samanaikaisesti. Itse asiassa sen valinta, joka vähentää virtasijaa yhdellä vaiheella, voi olla haitallista muille kahdelle vaiheelle. Tämä havainnollistetaan Kuvassa 2, jossa vaiheen R virtasijan hillitseminen demagnetisoituneessa muuntimessa (vasemmalla) on haitallista vaiheille Y ja B (oikealla).

Optimoimalla yhden vaiheen virettämishetki virtasijan vähentämiseksi, muut kaksi vaihetta saattavat joutua kohtaamaan kasvaneet virtasijat, mikä korostaa tasapainotetun lähestymistavan tarvetta monivaiheisissa järjestelmissä.

Kuten aiemmin selitettiin, voimansiirto muuntimen jäännösfluksin malli on sen aiemman deenergisoitumisen tulosta.

Kun muuntin virretään uudelleen, dynaaminen fluksi, joka aiheutetaan sovellettavalla jännitteellä, lisätään tai vähennetään jäännösfluksista riippuen sovellettavan jännitteen napauudesta. Kontrolloidun kytkemisen periaatteiden mukaan voimansiirto muuntimen vaiheen optimaalinen virettämishetki sattuu, kun aiheutettu ennakoiva fluksi vastaa olemassa olevaa jäännösfluksia (Kuva 3, vasemmalla). Esimerkiksi positiivisen jäännösfluksin läsnäollessa negatiivinen jännite lisäisi ensin ytimen fluksin nollaan negatiivisessa jännitteen huipussa ja sitten välittömästi saavuttaisi muuntimen tasapainotilaan ilman ytimen saturaatiota.

Toisaalta (Kuva 3, oikealla), vaiheen virettäminen positiivisessa nollakohdassa jännitteessä lisäisi 2 p.u. positiivista fluksia ytimeen lisäksi olemassa oleviin 0,5 p.u. jäännösfluksia. Tämä ajaa voimansiirto muuntimen ytimen syvään saturaatioon, mikä johtaa liialliseen virtasijaan. Siksi jäännösfluksin läsnäolo lisää maksimivirtasijaa, kun muuntimen virettäminen on hallitsematon.

Tarkan virettämishetken valinta, joka vastaa aiheutettua fluksia jäännösfluksin kanssa, voi tehokkaasti estää ytimen saturaation, mikä vähentää virtasijoja ja takaa sileän muuntimen toiminnan. Tämä strategia parantaa järjestelmän luotettavuutta, pidentää laitteiden käyttöikää ja vähentää huoltokustannuksia. Virettämishetken oikea ajoitus on erityisen kriittistä monivaiheisissa järjestelmissä, jotta suorituskyky tasapainotetaan vaiheiden välillä, taatakseen verkon vakauden ja tehokkuuden.

Tämä lähestymistapa korostaa jäännösfluksin vaikutuksen huomioimisen tärkeyttä, kun suunnitellaan ja toteutetaan kontrolloituja kytkentäteknologioita voimansiirto muuntimille, pyrkimällä saavuttamaan tehokkaampi ja luotettavampi sähkönsiirtoverkko.

Kun muuntimen ytimessä on jäännösfluksia, tilanne yhteistyökykyisellä polenkytkimellä tulee vielä monimutkaisemmaksi. Optimaalisen virettämishetken on huomioitava kaikkien kolmen vaiheen samanaikainen toiminta jäännösfluksin suuruuden ja napauuden mukaan. Jokaiselle mahdolliselle jäännösfluksin mallille on kuitenkin aina optimaalinen virettämishetki, joka johtaa minimaaliseen muuntimen saturaatioon (Kuva 4).

Seuraavassa esimerkissä jäännösfluksin malli on 0, -0,5 ja +0,5 p.u. vaiheissa R, Y ja B vastaavasti. Voimansiirto muuntimen virettäminen 90° (vaiheen R jännitteen huipussa) johtaa vaiheiden minimaaliseen saturaatioon. Kuitenkin vaiheen B (oletetaan, että se on sininen vaihe) sulkeminen positiivisessa nollakohdassa jännitteessä (240°) aiheuttaisi pahimman virtasijan, joka olisi 6,5 kertaa suurempi kuin CSD:n (kontrolloidun kytkentälaite) laskeman optimaalisin virettämishetken.

Tämä korostaa tärkeyttä tarkan virettämishetken määrittämiselle jokaiselle erityiselle jäännösfluksin tilanteelle, jotta vähennetään muuntimen saturaatiota ja virtasijoja. Oikea ajoitus takaa sileämmän toiminnan ja parantaa sähköjärjestelmän luotettavuutta ja tehokkuutta.

Jos voimansiirto muuntimen virettämistä ei ohjata, pahin mahdollinen virtasija ilmestyy aina vaiheessa, jolla on suurin jäännösfluksi. Kontrolloitu kytkentälaite (CSD) vähentää virettämisen virtasijaa laskemalla optimaalisen polen sulkeutumishetken jäännösfluksin mallin perusteella. Tämän ansiosta tietyissä korkeissa jäännösfluksin olosuhteissa virtasija voidaan kokonaan poistaa.

Kuva 5 havainnollistaa teoreettista suhteellista virtasijaa virettämisen aikana funktiona kolmesta mitatusta jäännösfluksista muuntimessa (saturaatiokulma 1,2 p.u.). Virtasijan huippu normitetaan demagnetisoitun ytimen maksimivirettämisvirtaan. Kun ytimen jäännösfluksi on korkea (vaakasuora akseli), CSD poistaa virtasijan estämällä muuntimen saturaation (sinisen linjan alue). Toisaalta, jos voimansiirto muuntimen virettää satunnaisella hetkellä, se voi ajaa muuntimen täydelliseen saturaatioon (punainen linja), mikä johtaa liialliseen virtasijaan ja jännitteen pudotukseen verkkoon. Tämä diagrammi havainnollistaa siten CSD:n tehokkuutta virtasijan hillitsemisessä verrattuna satunnaisiin tai hallitsemattomiin virettämisiin.