Pagsasaring ng pagtatakip ng inrush current ng medium voltage transformer sa pamamagitan ng kontrol switching device

Mga Device na Nakontrol na Paggalaw sa Range ng Medium Voltage

Higit sa tatlong dekada na ang nakalipas nang unang ipakilala ang mga Controlled Switching Devices (CSDs) upang mapababa ang mga switching transients na dulot ng mga high voltage circuit breakers na konektado sa shunt reactors at capacitor banks. Ang mga sumunod na pagsasaliksik ay inilaan upang palawigin ang kanilang aplikasyon sa transmission lines at power transformers. Sa simula, ang mga device na ito ay ginamit upang i-optimize ang mga sandali ng pag-switch sa bawat phase gamit ang independently pole-operated circuit breakers (IPO).

Kamakailan, ang pagtaas ng global na pangangailangan sa enerhiya ay nag-udyok sa integrasyon ng mga renewable energy sources sa medium voltage distribution grids kaysa lamang sa paggantimpala sa high voltage (HV) transmission systems. Ang pagbabago na ito ay nangangailangan ng pagtugon sa mga isyu ng voltage dip na nagmumula sa mga hindi kontroladong inrush currents sa panahon ng energization ng transformer.

Ang karaniwang operasyon ng medium voltage switchgear ay may tatlong poles na kasabay na gumagana, na kakaiba sa independent na operasyon sa mga HV application. Ito ay nangangailangan ng malaking pag-unlad sa teknolohiya ng CSD upang mabawasan ang inrush currents sa panahon ng energization ng transformer gamit ang standard switches na may kasabay na operasyon ng poles. Ngayon, ang inobasyon na ito ay malawakang ginagamit hindi lamang sa mga renewable energy installations tulad ng wind farms at photovoltaic solar plants kundi pati na rin sa mga industriyal na setup at transportation networks, kung saan mahalaga ang pagkontrol ng inrush currents para sa maasahan na energization ng mga medium at high voltage transformers.

Inrush Current sa Medium Voltage Transformers

Ang kalakihan ng inrush current sa panahon ng energization ng transformer ay malaki ang epekto nito sa residual flux sa loob ng core ng transformer; ang mas mataas na antas ng residual flux ay maaaring magresulta sa mas malaking inrush currents sa random energization. Mahalagang magkaroon ng epektibong paraan ng mitigasyon upang maiwasan ang mga operational disturbances at matiyak ang estabilidad ng grid.

Sa pamamagitan ng pag-implement ng advanced controlled switching techniques, maaari ring mabawasan o iwasan ang mga inrush currents. Ang mga paraan na ito ay hindi lamang nagpapataas ng reliabilidad ng sistema kundi pati na rin nagpapahaba ng buhay ng equipment, binabawasan ang maintenance costs, at nagpapabuti ng kabuuang efisyensiya ng medium voltage distribution grids. Ang pag-adopt ng mga teknolohiya na ito ay nagsisilbing isang mahalagang pag-unlad sa pag-aadapt sa umuunlad na pangangailangan ng modernong electrical distribution networks.

Relasyon sa Pagitan ng Residual Flux at Transformer Inrush Current

Ang field data na inilapat sa panahon ng commissioning ng mga Controlled Switching Devices (CSDs) sa mga circuit breakers at switchgear na may kasabay na operasyon ng poles ay napatunayan ang relasyon sa pagitan ng residual flux at transformer inrush current. Ang paggamit ng CSDs ay karaniwang nagresulta sa 3:1 na pagbaba ng inrush current kumpara sa random energization, na malaki ang epekto nito sa pagbawas ng potensyal na disturbances.

Paraan ng Mitigasyon ng Inrush Current Gamit ang Gang Operated Circuit Breaker

Ang sumusunod na paliwanag ay nagpapakita ng konsepto ng controlled switching para sa mitigasyon ng inrush current na inilapat sa power transformers:

Kapag ang isang demagnetized power transformer na phase R ay inenergize sa zero crossing ng voltage (tulad ng ipinapakita sa kaliwa sa Figure 1), ito ay pinipilit na lalo pang sumaturate ang core ng transformer, na nagdaragdag ng 2 per-unit (p.u.) ng flux sa core. Ang kondisyon na ito ay maaaring magresulta sa malaking inrush currents dahil sa core saturation.

Gayunpaman, kapag ang transformer ay inenergize sa positive voltage crest, ang unang positive quarter cycle ay nagdaragdag lamang ng 1 p.u. ng flux sa core. Kapag ang voltage ay lumipat sa negative half-cycle, ito ay nagsisimula na mabawasan ang flux sa loob ng core. Dahil ang transformer ay hindi umabot sa limitasyon ng saturation sa kondisyong ito, ang core saturation ay maiiwasan, kaya walang inrush current.

Ang scenario na ito ay tumutugon sa steady-state energization ng transformer, kung saan ang core flux ay lagging ang voltage ng 90 degrees. Sa pamamagitan ng pag-iisa ng oras ng energization upang magkaisa sa optimal points sa voltage waveform, ang panganib ng inrush currents ay nababawasan, nagbibigay ng mas maayos at mas stable na operasyon ng transformer.

Sa ikakaso, ang mga teknik ng controlled switching ay gumagamit ng precise timing upang mabawasan ang inrush currents. Sa pamamagitan ng pag-iwas sa core saturation sa pamamagitan ng strategic energization points sa voltage cycle, ang mga paraan na ito ay nagpapataas ng reliable performance ng transformer, nagpapataas ng grid stability, at nagpapababa ng operational disturbances. Ang approach na ito ay nagsisilbing isang mahalagang pag-unlad sa teknolohiya ng medium voltage switchgear, na nagbibigay ng malaking benepisyo para sa mga bagong installation at upgrades ng existing systems.

Ang sitwasyon ay naging mas komplikado kapag ginamit ang 3-phase switch na may kasabay na operasyon ng poles. Sa katunayan, ang pagpili ng instant ng energization na mababawasan ang inrush current sa isang phase ay maaaring makasama sa ibang dalawang phases. Ito ay ipinapakita sa Figure 2, kung saan ang pagbawas ng inrush current para sa phase R ng isang demagnetized transformer (kaliwa) ay nakakasama sa phases Y at B (kanan).

Sa pamamagitan ng pag-optimize ng instant ng energization para sa isang phase upang mabawasan ang inrush current nito, ang kondisyon para sa ibang dalawang phases ay maaaring makasama at mabawasan ang inrush currents, na nagpapakita ng pangangailangan ng balanced approach sa multi-phase systems.

Tulad ng naipaliwanag na, ang pattern ng residual flux sa power transformer ay resulta ng kanyang nakaraang de-energization.

Kapag ang transformer ay re-energize, ang dynamic flux na idinudulot ng applied voltage ay idinadagdag o ibinabawas mula sa residual flux depende sa polarity ng applied voltage. Ayon sa mga prinsipyong controlled switching, ang optimal na instant ng energization para sa phase ng power transformer ay nangyayari kapag ang induced prospective flux ay tumutugon sa existing residual flux (Figure 3, kaliwa). Halimbawa, sa presensya ng positive residual flux, ang pag-apply ng negative voltage ay unang babawasan ang core flux hanggang sa zero sa peak ng negative voltage at agad na abot ang steady-state operation ng transformer nang hindi sasaturate ang core nito.

Sa kabaligtaran (Figure 3, kanan), ang pag-energize ng phase sa positive zero crossing ng voltage ay magdaragdag ng 2 p.u. ng positive flux sa core sa tulong ng existing 0.5 p.u. residual flux. Ito ay papunta sa power transformer core sa deep saturation, na nagreresulta sa excessive inrush current. Kaya, ang presensya ng residual flux ay nagpapataas ng maximum inrush current kapag ang energization ng transformer ay hindi kontrolado.

Ang precise selection ng instant ng energization upang tugunan ang induced flux sa residual flux ay maaaring mabawasan ang core saturation, kaya nagbabawas ng inrush currents at nagbibigay ng smooth na operasyon ng transformer. Ang strategy na ito ay hindi lamang nagpapataas ng reliabilidad ng sistema kundi pati na rin nagpapahaba ng buhay ng equipment at nagbabawas ng maintenance costs. Ang proper timing ng energization ay espesyal na kritikal sa multi-phase systems upang balansehin ang performance sa lahat ng phases, nagpapataas ng grid stability at efisiensi.

Ang approach na ito ay nagpapakita ng kahalagahan ng pag-consider ng epekto ng residual flux sa pag-disenyo at implementasyon ng mga teknolohiya ng controlled switching para sa power transformers, na layunin na makamit ang mas efficient at reliable na power transmission networks.

Kapag may residual flux sa core ng transformer, ang sitwasyon sa gang-operated circuit breaker ay naging mas komplikado. Ang optimal na instant ng energization ay dapat isipin ang simultaneous operation ng lahat ng tatlong phases ayon sa magnitude at polarity ng residual flux. Gayunpaman, para sa bawat posible na residual flux pattern, mayroon palaging optimal na instant ng energization na nagreresulta sa minimal na saturation ng transformer (Figure 4).

Sa sumusunod na halimbawa, ang residual flux pattern ay 0, -0.5, at +0.5 p.u. sa phases R, Y, at B, respectively. Ang pag-energize ng power transformer sa 90° (voltage crest ng phase R) ay nagreresulta sa minimum saturation ng phases. Gayunpaman, ang pag-close ng blue phase (assuming phase B) sa positive zero crossing ng voltage (240°) ay magdudulot ng pinakamalaking inrush current, na 6.5 beses mas mataas kaysa sa optimal switching instant na in-compute ng Controlled Switching Device (CSD).

Ito ay nagpapakita ng kahalagahan ng accurate determination ng optimal na instant ng energization para sa bawat specific residual flux condition upang mabawasan ang saturation ng transformer at inrush currents. Ang proper timing ay nagpapataas ng smoother na operasyon at nagpapataas ng reliability at efficiency ng power system.

Kapag hindi kontrolado ang energization ng power transformer, ang pinakamalaking inrush current ay laging magmumula sa phase na may pinakamataas na residual flux. Ang Controlled Switching Device (CSD) ay nagmimina ang energization inrush current sa pamamagitan ng pag-compute ng optimal pole-closing instant batay sa residual flux pattern. Bilang resulta, sa ilang high residual flux conditions, ang inrush current ay maaaring mawala ng buo.

Ang Figure 5 ay nagpapakita ng theoretical relative inrush current sa panahon ng energization bilang function ng pinakamataas sa tatlong residual fluxes na iminumasure sa transformer (may saturation knee sa 1.2 p.u.). Ang peak inrush current ay normalized sa maximum energization current ng demagnetized core. Kapag ang core residual flux ay mataas (sa horizontal axis), ang CSD ay nag-eeliminate ng inrush current sa pamamagitan ng pagprevented ng transformer mula sa pumasok sa saturation (bottom area ng blue line). Sa kabaligtaran, ang pag-energize ng power transformer sa random moment ay maaaring ipush ang transformer sa full saturation (red line), na nagreresulta sa excessive inrush current at subsequent voltage dips sa grid. Ang diagram na ito ay nagpapakita ng effectiveness ng inrush current mitigation na ibinigay ng CSD kumpara sa random o uncontrolled energization.