Atenuación da corrente de inrush dun transformador de media tensión mediante dispositivo de conmutación controlado

Dispositivos de conmutación controlada no rango de media tensión

Hai máis de tres décadas, os Dispositivos de Conmutación Controlada (DCC) foron introducidos inicialmente para mitigar as transitorias de conmutación causadas por interruptores de alta tensión conectados a reactores en paralelo e bancos de condensadores. As investigacións posteriores ampliaron a súa aplicación a liñas de transmisión e transformadores de potencia. Inicialmente, estes dispositivos optimizaban os momentos de conmutación por fase utilizando interruptores operados pola polo independentemente (IPO).

Recentemente, o aumento da demanda enerxética global impulsou a integración de fuentes de enerxía renovable nas redes de distribución de media tensión, en lugar de depender exclusivamente dos sistemas de transmisión de alta tensión (AT). Esta transición requiriu abordar os problemas de caída de tensión que resultan das correntes de entrada non controladas durante a energización do transformador.

Os equipos de manobra de media tensión xeralmente funcionan con tres polos simultáneamente, lo que contrasta coa operación independente nas aplicacións de AT. Isto requiriu avances significativos na tecnoloxía DCC para xestionar eficazmente as correntes de entrada durante a energización do transformador usando interruptores estándar con operación simultánea de polos. Actualmente, esta innovación está ampliamente utilizada non só en instalacións de enerxía renovable como parques eólicos e plantas solares fotovoltaicas, senón tamén en configuracións industriais e redes de transporte, onde o control das correntes de entrada é crucial para a energización fiable de transformadores de media e alta tensión.

Corrente de entrada en transformadores de media tensión

A magnitude da corrente de entrada durante a energización do transformador está influenciada significativamente polo fluxo residual dentro do núcleo do transformador; niveis máis altos de fluxo residual poden levar a maiores correntes de entrada na energización aleatoria. Estratexias de mitigación efectivas son esenciais para evitar perturbacións operativas e garantir a estabilidade da rede.

Ao implementar técnicas avanzadas de conmutación controlada, é posible minimizar ou eliminar estas correntes de entrada. Estes métodos non só melloran a fiabilidade do sistema, senón tamén alargan a vida útil do equipo, reducen os custos de mantemento e melloran a eficiencia xeral nas redes de distribución de media tensión. A adopción de tales tecnoloxías marca un avance pivotal na adaptación ás demandas evolutivas das redes de distribución eléctrica modernas.

Relación entre o fluxo residual e a corrente de entrada do transformador

Os datos recopilados no terreo durante a comisión de Dispositivos de Conmutación Controlada (DCC) en interruptores e equipos de manobra con operación simultánea de polos verificaron a relación entre o fluxo residual e a corrente de entrada do transformador. O uso de DCC xeralmente resulta nunha redución de 3:1 na corrente de entrada en comparación coa energización aleatoria, mitigando significativamente as posibles perturbacións.

Métodos de mitigación da corrente de entrada con interruptor operado en grupo

A seguinte explicación ilustra o concepto de conmutación controlada para a mitigación da corrente de entrada aplicada a transformadores de potencia:

Cando un transformador de potencia desmagnetizado se energiza na fase R no cruce cero da tensión (como se mostra á esquerda na Figura 1), obriga ao núcleo do transformador a entrar profundamente en saturación, introducindo un fluxo adicional de 2 unidades per unit (p.u.) no núcleo. Esta condición pode levar a correntes de entrada significativas debido á saturación do núcleo.

Porén, cando o transformador se energiza no creste da tensión positiva, este primeiro ciclo positivo só engade 1 p.u. de fluxo ao núcleo. Como a tensión entón transita ao seu semiciclo negativo, comeza a diminuír o fluxo dentro do núcleo. Como o transformador non alcanza o seu límite de saturación nestas condicións, a saturación do núcleo evítase, evitando así a ocorrencia de corrente de entrada.

Esta situación corresponde á energización en estado estable do transformador, onde o fluxo do núcleo segue á tensión con un retardo de 90 graos. Ao sincronizar cuidadosamente o momento de energización coas puntos óptimos na onda de tensión, o risco de correntes de entrada minimízase, asegurando un funcionamento máis suave e estable do transformador.

En resumo, as técnicas de conmutación controlada aproveitan a sincronización precisa para mitigar eficazmente as correntes de entrada. Ao evitar a saturación do núcleo mediante puntos estratégicos de energización no ciclo de tensión, estes métodos aseguran un rendemento fiable do transformador, melloran a estabilidade da rede e reducen as perturbacións operativas. Este enfoque representa un avance crítico na tecnoloxía de equipos de manobra de media tensión, ofrecendo beneficios substanciais tanto para novas instalacións como para actualizacións de sistemas existentes.

A situación complica máis cando se usa un interruptor trifásico con operación simultánea de polos. De feito, seleccionar o instante de energización que minimiza a corrente de entrada en unha fase pode ser perjudicial para as outras dúas fases. Isto ilústrase na Figura 2, onde a mitigación da corrente de entrada para a fase R dun transformador desmagnetizado (esquerda) afecta adversamente as fases Y e B (dereita).

Ao optimizar o momento de energización para unha fase para reducir a súa corrente de entrada, as condicións para as outras dúas fases poden inadvertidamente levar a correntes de entrada aumentadas, destacando a necesidade dun enfoque equilibrado en sistemas multipolos.

Como se explicou anteriormente, o patrón de fluxo residual nun transformador de potencia é o resultado da súa desenergización previa.

Cando se re-energiza un transformador, o fluxo dinámico inducido pola tensión aplicada suma ou resta do fluxo residual dependendo da polaridade da tensión aplicada. Segundo os principios da conmutación controlada, o momento óptimo de energización para unha fase dun transformador de potencia ocorre cando o fluxo prospectivo inducido coincide co fluxo residual existente (Figura 3, esquerda). Por exemplo, na presenza de fluxo residual positivo, a aplicación de tensión negativa diminuiría primeiro o fluxo do núcleo a cero no pico de tensión negativa e logo alcanzaría inmediatamente a operación en estado estable do transformador sen saturar o seu núcleo.

Por contra (Figura 3, dereita), energizar a fase no cruce cero positivo da tensión engadiría 2 p.u. de fluxo positivo ao núcleo sobre o fluxo residual existente de 0,5 p.u. Esto empurraría o núcleo do transformador de potencia a unha saturación profunda, resultando en unha corrente de entrada excesiva. Polo tanto, a presenza de fluxo residual aumenta a corrente de entrada máxima cando a energización do transformador non está controlada.

Seleccionar precisamente o instante de energización para coincidir co fluxo inducido co fluxo residual pode prevenir eficazmente a saturación do núcleo, reducindo as correntes de entrada e asegurando un funcionamento suave do transformador. Esta estratexia non só mellora a fiabilidade do sistema, senón tamén alarga a vida útil do equipo e reduce os custos de mantemento. Unha sincronización adecuada da energización é especialmente crítica en sistemas multipolos para equilibrar o rendemento entre fases, asegurando a estabilidade e eficiencia da rede.

Este enfoque subliña a importancia de considerar o efecto do fluxo residual ao deseñar e implementar tecnoloxías de conmutación controlada para transformadores de potencia, con o obxectivo de lograr redes de transmisión de enerxía máis eficientes e fiables.

Cando hai fluxo residual no núcleo do transformador, a situación con un interruptor operado en grupo complica máis. O instante óptimo de energización debe considerar a operación simultánea de todas as tres fases segundo a magnitude e a polaridade do fluxo residual. Pero para cada patrón posible de fluxo residual, sempre hai un instante óptimo de energización que resulta en mínima saturación do transformador (Figura 4).

No seguinte exemplo, o patrón de fluxo residual é 0, -0,5 e +0,5 p.u. nas fases R, Y e B, respectivamente. Energizar o transformador de potencia a 90° (o creste de tensión da fase R) resulta na mínima saturación das fases. Porén, cerrar a fase azul (supoñendo a fase B) no cruce cero positivo da tensión (240°) provocaría a peor corrente de entrada, que sería 6,5 veces maior que o instante óptimo de conmutación calculado por un Dispositivo de Conmutación Controlada (DCC).

Isto subliña a importancia de determinar con precisión o instante óptimo de energización para cada condición específica de fluxo residual para minimizar a saturación do transformador e as correntes de entrada. Unha sincronización adecuada asegura un funcionamento máis suave e melhora a fiabilidade e eficiencia do sistema de potencia.

Cando non se controla a energización dun transformador de potencia, a peor corrente de entrada posible aparecerá sempre na fase co fluxo residual máis alto. Un Dispositivo de Conmutación Controlada (DCC) minimiza a corrente de entrada durante a energización calculando o instante óptimo de cierre dos polos baseándose no patrón de fluxo residual. En consecuencia, baixo certas condicións de alto fluxo residual, a corrente de entrada pode eliminarse completamente.

A Figura 5 ilustra a corrente de entrada relativa teórica durante a energización en función do fluxo residual máis alto medido no transformador (con un punto de saturación de 1,2 p.u.). A corrente de entrada máxima normalízase á corrente máxima de energización do núcleo desmagnetizado. Cando o fluxo residual do núcleo é alto (no eixe horizontal), o DCC elimina a corrente de entrada evitando que o transformador entre en saturación (área inferior da liña azul). Por contra, energizar o transformador de potencia nun momento aleatorio pode empurrar o transformador a unha saturación completa (liña vermella), levando a unha corrente de entrada excesiva e subsecuentes caídas de tensión na rede. Este diagrama demostra así a eficacia da mitigación da corrente de entrada proporcionada por un DCC en comparación coa energización aleatoria ou non controlada.