Smanjenje strujnog udara srednjeg napona transformatora upravljanjem prekidačkim uređajem

Uređaji za kontrolirano prekidanje u srednjem naponu

Prije više od tri desetljeća, Uređaji za kontrolirano prekidanje (CSD) su prvi put uvedeni kako bi se umanjili prekidni prelivovi uzrokovani visokonaponskim prekidačima spojenim na paralelne reaktore i kondenzatorske baterije. Kasnija istraživanja proširila su njihovu primjenu na prijenosne linije i transformatora. Početno, ovi uređaji optimizirali su trenutke prekidanja pojedinačno za svaku fazu koristeći nezavisno upravljane prekidače (IPO).

Nedavno, porast globalnog potražnje za energijom potaknuo je integraciju izvora obnovljive energije u mreže srednjeg naponskog razdoblja umjesto isključivo ovisnosti o visokonaponskim (HV) sustavima prijenosa. Ova promjena zahtijevala je rješavanje problema padova napona uzrokovanih nekontroliranim početnim strujama tijekom energiziranja transformatora.

Srednjonaponska aparatura tipično radi s istovremenim upravljanjem tri pola, što se razlikuje od nezavisnog upravljanja u HV aplikacijama. To je zahtijevalo značajne napredne tehnologije CSD-a kako bi se efektivno upravljalo početnim strujama energiziranja transformatora pomoću standardnih prekidača s istovremennim radom polova. Danas, ova inovacija široko se koristi ne samo u instalacijama obnovljive energije poput vjetroelektrana i fotovoltaičkih solarnih postaja, već i u industrijskim postrojenjima i transportnim mrežama, gdje je kontrola početnih struja ključna za pouzdano energiziranje srednjeg i visokog naponskog transformatora.

Početne struje u srednjepotencijalnim transformatorima

Veličina početne struje tijekom energiziranja transformatora značajno ovisi o ostatak fluksu unutar jezgra transformatora; veće razine ostatka fluksa mogu dovesti do većih početnih struja pri slučajnom energiziranju. Efektivne strategije mitigacije su nužne kako bi se izbjegli operativni poremećaji i osigurala stabilnost mreže.

Implementiranjem naprednih tehnika kontroliranog prekidanja, moguće je smanjiti ili eliminirati te početne struje. Ove metode ne samo da unaprijeđuju pouzdanost sustava, već i produžavaju životni vijek opreme, smanjuju troškove održavanja i poboljšavaju ukupnu učinkovitost mreža srednjeg naponskog razdoblja. Uvođenje takvih tehnologija označava ključan napredak u prilagođavanju evoluirajućim zahtjevima modernih električnih distribucijskih mreža.

Odnos između ostatka fluksa i početne struje transformatora

Podaci sa terena prikupljeni tijekom komisije Uređaja za kontrolirano prekidanje (CSD) na prekidačima i aparaturi s istovremennim radom polova potvrdili su odnos između ostatka fluksa i početne struje transformatora. Korištenje CSD-a tipično rezultira smanjenjem početne struje u omjeru 3:1 u usporedbi s slučajnim energiziranjem, značajno umanjivši potencijalne poremećaje.

Metode mitigacije početne struje s prekidačem s istovremenim radom polova

Sljedeće objašnjenje ilustrira koncept kontroliranog prekidanja za mitigaciju početne struje primijenjen na snagačke transformatore:

Kada se demagnetizirani snagački transformator faze R energizira na nultoj točki napona (kao što je prikazano na lijevoj strani Slike 1), prisiljava jezgru transformatora duboko u nasitnja, uvodeći dodatnih 2 per-unit (p.u.) fluksa u jezgro. Ova situacija može dovesti do značajnih početnih struja zbog nasitnja jezgra.

Međutim, kada se transformator energizira na pozitivnom vrhu napona, ovaj inicijalni pozitivni četvrtina ciklusa dodaje samo 1 p.u. fluksa u jezgro. Kako napon tada prelazi na svoj negativni poluciklus, počinje smanjivati fluks unutar jezgra. Budući da transformator pod ovim uvjetima ne doseže granicu nasitnja, nasitnje jezgra se izbjegava, time prevlačeći nastanak početne struje.

Ova situacija odgovara stacionarnom energiziranju transformatora, gdje je jezgra fluksa za 90 stupnjeva zaostala od napona. Pažljivim odabirom trenutka energiziranja da se podudari s optimalnim točkama u talasu napona, smanjuje se rizik od početnih struja, osiguravajući glađe i stabilnije rad transformatora.

Zaključno, tehnike kontroliranog prekidanja koriste precizno vrijeme kako bi efektivno mitigirale početne struje. Izbjegavajući nasitnje jezgra kroz strategijske točke energiziranja u ciklusu napona, ove metode osiguravaju pouzdano performanse transformatora, poboljšavaju stabilnost mreže i smanjuju operativne poremećaje. Ovaj pristup predstavlja ključan napredak u tehnologiji aparature srednjeg naponskog razdoblja, nudeći značajne prednosti za nove instalacije i nadogradnje postojećih sustava.

Situacija postaje složenija kada se koristi 3-fazni prekidač s istovremenim radom polova. U stvari, odabir trenutka energiziranja koji minimizira početnu struju na jednoj fazi može biti štetan za druge dvije faze. To je ilustrirano na Slici 2, gdje mitigacija početne struje za fazu R demagnetiziranog transformatora (lijevo) nekoristivo utječe na faze Y i B (desno).

Optimiziranjem trenutka energiziranja za jednu fazu kako bi se smanjila njegova početna struja, uvjeti za druge dvije faze mogu neumiješno dovesti do povećanja početnih struja, ističući potrebu za ravnotežom u više-faznim sustavima.

Kao što je ranije objašnjeno, model ostatka fluksa u snagačkom transformatoru je rezultat njegovog prethodnog deenergiziranja.

Kada se transformator ponovo energizira, dinamički fluks induciran primjenjenim naponom dodaje se ili oduzima od ostatka fluksa ovisno o polaritetu primjenjenog napona. Prema principima kontroliranog prekidanja, optimalni trenutak energiziranja faze snagačkog transformatora događa se kada inducirani predviđeni fluks podudara se s postojećim ostatkom fluksa (Slika 3, lijevo). Na primjer, u prisustvu pozitivnog ostatka fluksa, primjena negativnog napona najprije smanji fluks jezgra na nulu na negativnom vrhu napona, a zatim odmah doseže stacionarni rad transformatora bez nasitnja jezgra.

Suprotno (Slika 3, desno), energiziranje faze na pozitivnoj nultoj točki napona dodat će 2 p.u. pozitivnog fluksa u jezgro uz postojeći 0.5 p.u. ostatka fluksa. To gurne jezgro snagačkog transformatora u duboko nasitnje, rezultirajući prekomjernom početnom strujom. Stoga, prisustvo ostatka fluksa povećava maksimalnu početnu struju kada energiziranje transformatora nije kontrolirano.

Precizan odabir trenutka energiziranja kako bi se inducirani fluks podudarao s ostatkom fluksa može efektivno sprečiti nasitnje jezgra, smanjujući početne struje i osiguravajući glađi rad transformatora. Ova strategija ne samo unaprijeđuje pouzdanost sustava, već i produžava životni vijek opreme i smanjuje troškove održavanja. Pravilno vrijeme energiziranja posebno je kritično u više-faznim sustavima kako bi se balansirala performansa preko faza, osiguravajući stabilnost i učinkovitost mreže.

Ovaj pristup naglašava važnost razmatranja učinka ostatka fluksa pri dizajnu i implementaciji tehnologija kontroliranog prekidanja za snagačke transformatore, te cilja postizanja učinkovitijih i pouzdanijih mreža prijenosa energije.

Kada postoji ostatak fluksa u jezgru transformatora, situacija s prekidačem s istovremenim radom polova postaje još složenija. Optimalni trenutak energiziranja mora uzeti u obzir istovremeni rad svih tri faze prema veličini i polaritetu ostatka fluksa. Međutim, za svaki mogući model ostatka fluksa, uvijek postoji optimalni trenutak energiziranja koji rezultira minimalnim nasitnjem transformatora (Slika 4).

U sljedećem primjeru, model ostatka fluksa je 0, -0.5 i +0.5 p.u. u fazama R, Y i B, redom. Energetiziranje snagačkog transformatora na 90° (vrh napona faze R) rezultira minimalnim nasitnjem faza. Međutim, zatvaranje plave faze (pretpostavljajući fazu B) na pozitivnoj nultoj točki napona (240°) dovesti bi do najgorih početnih struja, koje bi bile 6.5 puta veće od optimalnog trenutka prekidanja izračunatog Uređajem za kontrolirano prekidanje (CSD).

To ističe važnost točnog određivanja optimalnog trenutka energiziranja za svaki specifični model ostatka fluksa kako bi se minimaliziralo nasitnje transformatora i početne struje. Pravilno vrijeme osigurava glađi rad i unaprijeđuje pouzdanost i učinkovitost elektroenergetske mreže.

Kada se ne kontroliše energiziranje snagačkog transformatora, najgora moguća početna struja uvijek će se pojaviti na fazi s najvećim ostatkom fluksa. Uređaj za kontrolirano prekidanje (CSD) minimizira početnu struju energiziranja računajući optimalni trenutak zatvaranja polova na temelju modela ostatka fluksa. Tako, pod određenim uvjetima visokog ostatka fluksa, početna struja može biti potpuno eliminirana.

Slika 5 ilustrira teorijski relativni početni struj tijekom energiziranja kao funkciju najvećeg od tri ostatka fluksa mjerenih u transformatoru (s nasitnjem koljena na 1.2 p.u.). Vrhunska početna struja normalizirana je na maksimalnu struju energiziranja demagnetiziranog jezgra. Kada je ostatak fluksa u jezgru visok (na horizontalnoj osi), CSD eliminira početnu struju sprečavajući transformator da uđe u stanje nasitnja (donji dio plave linije). Suprotno, energiziranje snagačkog transformatora u slučajan trenutak može ga gurnuti u puno nasitnje (crvena linija), rezultirajući prekomjernom početnom strujom i kasnijim padom napona u mreži. Ovaj dijagram tako demonstrira učinkovitost mitigacije početne struje koju pruža CSD u usporedbi s slučajnim ili nekontroliranim energiziranjem.