Középsugarú transzformátor bekapcsoló áramának csökkentése vezérlő kapcsolóeszköz segítségével

Középfeszültségű tartományban működő irányított kapcsolóeszközök

Több mint három évtizede vezetődtek be először az irányított kapcsolóeszközök (CSD) a magas feszültségű áramkörkapcsolók és párhuzamos reaktorok, illetve kondenzátorbankok által okozott kapcsolótransziente csökkentésére. A további kutatások kiterjesztették alkalmazásukat a továbbítási vonalakra és erőművekre. Kezdetben ezek az eszközök függetlenül működő szakaszokon (IPO) alapján optimalizálták a fázisonkénti kapcsolópillanatokat.

Nemrégiben a globális energiaigény növekedése ösztönözte a megújuló energiaforrások integrációját a középfeszültségű elosztási hálózatokba, nem csak a magas feszültségű (MF) továbbítási rendszerekre támaszkodva. Ez a változás szükségessé tette a transzformátorok energizálása során fellépő feszültség-lehetőségek kezelését, amelyeket a nem irányított betöltőáramok okoznak.

A középfeszültségű kapcsolóeszközök általában egyszerre működnek három szakasszal, ami ellentmond a magas feszültségű alkalmazásokban tapasztalható független működésnek. Ez jelentősen fejleszteni kellett a CSD technológiát, hogy hatékonyan kezelje a transzformátorok energizálása során fellépő betöltőáramokat a szabványos kapcsolókkal, amelyek egyszerre működnek három szakasszal. Ma ezt az innovációt széles körben használják nem csak a szél- és napelemparkokhoz hasonló megújuló energia telepítésekben, de ipari és közlekedési hálózatokban is, ahol a betöltőáramok ellenőrzése létfontosságú a közép- és magasfeszültségű transzformátorok megbízható energizálásához.

Betöltőáram a középfeszültségű transzformátorokban

A transzformátor energizálása során fellépő betöltőáram mértéke jelentősen befolyásolódik a transzformátor magja maradék fluktuációja által; a magasabb maradék fluktuáció szintje nagyobb betöltőáramokat okozhat véletlenszerű energizálásnál. Hatékony enyhítő stratégiák szükségesek, hogy elkerüljük a működési zavarokat és biztosítsuk a hálózat stabilitását.

Az előrehaladott irányított kapcsolási technikák implementálásával lehetséges minimalizálni vagy teljesen megszüntetni ezeket a betöltőáramokat. Ezek a módszerek nem csak növelik a rendszer megbízhatóságát, de hosszabbítják az eszközök élettartamát, csökkentik a karbantartási költségeket, és javítják a középfeszültségű elosztási hálózatok teljesítményét. Ilyen technológiák elfogadása egy kulcsfontosságú fejlődést jelent a modern elektrikus elosztási hálózatok igényeihez való alkalmazkodás terén.

A maradék fluktuáció és a transzformátor betöltőáram közötti összefüggés

A Controlled Switching Devices (CSD) beüzemelése során gyűjtött mezői adatok igazolták a maradék fluktuáció és a transzformátor betöltőáram közötti összefüggést. A CSD-k használata általában 3:1-es arányban csökkenti a betöltőáramot a véletlenszerű energizáláshoz képest, jelentősen enyhítve a potenciális zavarokat.

Betöltőáram enyhítési módszerek egyszerre működő szakaszokkal

A következő magyarázat illusztrálja a betöltőáram enyhítésére szolgáló irányított kapcsolási fogalmat a teljesítménytranszformátorokra:

Amikor egy demagnetizált teljesítménytranszformátor R fázisa energizálódik a feszültség nullaátmenetén (ahogy a bal oldali ábra mutatja), ez mélyen saturaálja a transzformátor magját, hozzáadva 2 per-unit (p.u.) fluktuációt a maghoz. Ez a feltétel jelentős betöltőáramokat okozhat a mag saturaációja miatt.

Ugyanakkor, ha a transzformátor energizálódik a pozitív feszültség csúcspontján, ez a kezdeti pozitív negyed ciklus csak 1 p.u. fluktuációt ad a maghoz. Ahogy a feszültség utána átmenik a negatív félciklusra, a mag fluktuációja csökken. Mivel a transzformátor nem éri el a saturaációs határát ezek közötti feltételek mellett, a mag saturaációja elkerülhető, így a betöltőáram előfordulása is megakadályozható.

Ez a helyzet megfelel a transzformátor állandó állapotú energizálásának, ahol a mag fluktuációja 90 fokkal követi a feszültséget. A kapcsolópillanat pontos időzítése a feszültség hullámforma optimális pontjainak megfelelően minimalizálja a betöltőáramok kockázatát, biztosítva a simább és stabilabb transzformátor működést.

Összefoglalva, az irányított kapcsolási technikák a precíz időzítés segítségével hatékonyan enyhítik a betöltőáramokat. A mag saturaáció elkerülése a feszültség ciklusának stratégiai energizálási pontjainak kiválasztásával biztosítja a transzformátor megbízható működését, javítja a hálózat stabilitását, és csökkenti a működési zavarokat. Ez a megközelítés egy kulcsfontosságú fejlődést jelent a középfeszültségű kapcsolóeszköz technológiájában, jelentős előnyöket nyújtva mind a friss telepítések, mind a meglévő rendszerek fejlesztéséhez.

A helyzet bonyolultabb lesz, ha egy háromfázisú kapcsolóval dolgozunk, amely egyszerre működik három szakasszal. Valójában, a betöltőáram minimalizálására alkalmas energizálási pillanat kiválasztása egy fázison káros lehet a másik két fázisra. Ez a 2. ábra illusztrálja, ahol a demagnetizált transzformátor R fázisának (bal oldal) betöltőáramának enyhítése negatívan befolyásolja a Y és B fáziseket (jobb oldal).

Egy fázis energizálási pillanatának optimalizálása a betöltőáram csökkentésére azonban a másik két fázis feltételeit oly módon változtathatja, hogy a betöltőáramok növekedjenek, ami kiemeli a szükséges egyensúlyt a többfázisú rendszerekben.

Ahogy korábban említettük, a teljesítménytranszformátor maradék fluktuáció mintája a korábbi de-energizálásának eredménye.

Amikor egy transzformátor újra energizálódik, a feszültség által indukált dinamikus fluktuáció hozzáadódik vagy kivonódik a maradék fluktuációból, attól függően, hogy a feszültség polaritása pozitív vagy negatív. Az irányított kapcsolási elv szerint a teljesítménytranszformátor fázisának optimális energizálási pillanata akkor bekövetkezik, amikor az indukált prospektív fluktuáció megegyezik a meglévő maradék fluktuációval (3. ábra, bal oldal). Például, pozitív maradék fluktuáció jelenlétében a negatív feszültség alkalmazása először nullázza a mag fluktuációját a negatív feszültség csúcspontján, majd azonnal eléri a transzformátor állandó állapotú működését, anélkül, hogy a mag saturaálódna.

Ellenben (3. ábra, jobb oldal), ha a fázis energizálódik a feszültség pozitív nullaátmenetén, 2 p.u. pozitív fluktuációt ad a maghoz a már meglévő 0.5 p.u. maradék fluktuáció mellett. Ez mélyen saturaálja a teljesítménytranszformátor magját, ami jelentős betöltőáramot okoz. Tehát a maradék fluktuáció jelenléte növeli a maximális betöltőáramot, ha a transzformátor energizálása nem irányított.

A maradék fluktuációval egyező energizálási pillanat pontos kiválasztása hatékonyan elkerülheti a mag saturaációját, így csökkentve a betöltőáramokat és biztosítva a simább transzformátor működést. Ez a stratégiának nem csak a rendszer megbízhatóságát növeli, de hosszabbítja az eszközök élettartamát, és csökkenti a karbantartási költségeket is. A megfelelő energizálási pillanat kiválasztása különösen fontos a többfázisú rendszerekben, hogy kiegyensúlyozza a teljesítményt a fázisok között, biztosítva a hálózat stabilitását és hatékonyságát.

Ez a megközelítés hangsúlyozza a maradék fluktuáció hatásának figyelembevétele fontosságát, amikor tervezünk és implementálunk irányított kapcsolási technológiákat a teljesítménytranszformátorokhoz, célul téve a hatékonyabb és megbízhatóbb áramellátási hálózatok elérését.

Ha van maradék fluktuáció a transzformátor magjában, a háromfázisú kapcsolóval való helyzet még bonyolultabbá válik. Az optimális energizálási pillanatnak figyelembe kell vennie a három fázis egyszerre történő működését, a maradék fluktuáció mértékének és polaritásának alapján. Mindazonáltal minden lehetséges maradék fluktuáció mintához létezik egy optimális energizálási pillanat, amely minimalizálja a transzformátor saturaációját (4. ábra).

A következő példában a maradék fluktuáció mintája 0, -0.5, és +0.5 p.u. a R, Y, és B fázisokban, rendre. A teljesítménytranszformátor energizálása 90°-nál (R fázis feszültség csúcspontja) eredményezi a fázisok minimális saturaációját. Ugyanakkor, ha a kék fázist (feltételezve a B fázist) a feszültség pozitív nullaátmenetén (240°) zárjuk, ez a legrosszabb betöltőáramot okozza, ami 6.5-szerese lenne a Controlled Switching Device (CSD) által kiszámított optimális kapcsolási pillanatnak.

Ez kiemeli a fontosságát, hogy minden specifikus maradék fluktuáció feltétel esetén pontosan meghatározzuk az optimális energizálási pillanatot, hogy minimalizáljuk a transzformátor saturaációját és a betöltőáramokat. A megfelelő időzítés biztosítja a simább működést, és növeli a rendszer megbízhatóságát és hatékonyságát.

Ha nem irányítjuk a teljesítménytranszformátor energizálását, a legrosszabb lehetséges betöltőáram mindig a legmagasabb maradék fluktuációval rendelkező fázison jelentkezik. A Controlled Switching Device (CSD) minimalizálja a betöltőáramot, kiszámítva az optimális szakasz-záró pillanatot a maradék fluktuáció mintája alapján. Konkrét magas maradék fluktuáció esetén a betöltőáram teljesen kikerülhető.

A 5. ábra a teoretikus relatív betöltőáramot ábrázolja az energizálás során, a transzformátorban mérve a három maradék fluktuáció legmagasabb értékének függvényében (1.2 p.u. saturaációs törésponttal). A csúcsbetöltőáram normalizálva van a demagnetizált mag maximum energizálási áramához. Ha a mag maradék fluktuációja magas (a vízszintes tengelyen), a CSD kikerülheti a betöltőáramot, megakadályozva, hogy a transzformátor saturaálódjon (a kék vonal alsó része). Ellenben, a teljesítménytranszformátor véletlenszerű energizálása a transzformátort teljes saturaációba taszítja (piros vonal), ami jelentős betöltőáramot és feszültség-lehetőséget okoz a hálózaton. Ez a diagram igazolja az irányított kapcsolási eszköz (CSD) hatékonyságát a véletlenszerű vagy nem irányított energizáláshoz képest a betöltőáram enyhítésében.