Pengurangan arus inisial transformator tegangan menengah melalui perangkat pengendali switching

Perangkat Pengalihan yang Dikendalikan dalam Rentang Tegangan Menengah

Lebih dari tiga dekade lalu, Perangkat Pengalihan yang Dikendalikan (CSD) pertama kali diperkenalkan untuk mengurangi transien pengalihan yang disebabkan oleh pemutus sirkuit tegangan tinggi yang terhubung ke reaktor shunt dan bank kapasitor. Penelitian selanjutnya memperluas aplikasinya ke jalur transmisi dan transformator daya. Awalnya, perangkat ini mengoptimalkan momen pengalihan per fase menggunakan pemutus sirkuit dengan operasi tiang independen (IPO).

Baru-baru ini, lonjakan permintaan energi global telah mendorong integrasi sumber energi terbarukan ke dalam jaringan distribusi tegangan menengah daripada hanya mengandalkan sistem transmisi tegangan tinggi (HV). Perubahan ini memerlukan penanganan masalah penurunan tegangan yang berasal dari arus masuk yang tidak terkontrol selama penerusan transformator.

Peralatan pengalihan tegangan menengah biasanya beroperasi dengan tiga tiang secara bersamaan, yang kontras dengan operasi independen dalam aplikasi HV. Hal ini membutuhkan kemajuan signifikan dalam teknologi CSD untuk mengelola arus masuk penerusan transformator menggunakan saklar standar dengan operasi tiang bersamaan. Hari ini, inovasi ini digunakan secara luas tidak hanya dalam instalasi energi terbarukan seperti peternakan angin dan pembangkit listrik fotovoltaik surya, tetapi juga dalam setup industri dan jaringan transportasi, di mana mengontrol arus masuk sangat penting untuk penerusan yang andal dari transformator tegangan menengah dan tinggi.

Arus Masuk pada Transformator Tegangan Menengah

Besarnya arus masuk selama penerusan transformator dipengaruhi secara signifikan oleh fluks sisa dalam inti transformator; tingkat fluks sisa yang lebih tinggi dapat menyebabkan arus masuk yang lebih besar pada penerusan acak. Strategi mitigasi yang efektif sangat penting untuk menghindari gangguan operasional dan memastikan stabilitas jaringan.

Dengan menerapkan teknik pengalihan yang dikendalikan canggih, dimungkinkan untuk meminimalkan atau menghilangkan arus masuk ini. Metode-metode ini tidak hanya meningkatkan keandalan sistem, tetapi juga memperpanjang umur peralatan, mengurangi biaya perawatan, dan meningkatkan efisiensi keseluruhan dalam jaringan distribusi tegangan menengah. Adopsi teknologi semacam itu menandai kemajuan penting dalam menyesuaikan diri dengan permintaan yang berkembang dari jaringan distribusi listrik modern.

Hubungan antara Fluks Sisa dan Arus Masuk Transformator

Data lapangan yang dikumpulkan selama komisioning Perangkat Pengalihan yang Dikendalikan (CSD) pada pemutus sirkuit dan peralatan pengalihan dengan operasi tiang bersamaan telah memverifikasi hubungan antara fluks sisa dan arus masuk transformator. Menggunakan CSD biasanya menghasilkan reduksi 3:1 dalam arus masuk dibandingkan dengan penerusan acak, yang secara signifikan mengurangi potensi gangguan.

Metode Mitigasi Arus Masuk dengan Pemutus Sirkuit Operasi Bersama

Penjelasan berikut menggambarkan konsep pengalihan yang dikendalikan untuk mitigasi arus masuk yang diterapkan pada transformator daya:

Ketika fase R dari transformator daya yang demagnetis dipeneruskan pada titik nol lintasan tegangan (seperti ditunjukkan di sebelah kiri Gambar 1), hal ini memaksa inti transformator mendalam ke dalam saturasi, memperkenalkan tambahan 2 satuan-per-unit (p.u.) fluks ke dalam inti. Kondisi ini dapat menyebabkan arus masuk yang signifikan karena saturasi inti.

Namun, ketika transformator dipeneruskan pada puncak tegangan positif, siklus kuarter positif awal ini hanya menambah 1 p.u. fluks ke dalam inti. Ketika tegangan kemudian beralih ke setengah siklus negatif, ia mulai mengurangi fluks dalam inti. Karena transformator tidak mencapai batas saturasi di bawah kondisi ini, saturasi inti dihindari, sehingga mencegah terjadinya arus masuk.

Skenario ini sesuai dengan penerusan steady-state dari transformator, di mana fluks inti tertunda 90 derajat dibandingkan tegangan. Dengan menentukan waktu penerusan dengan hati-hati untuk bertepatan dengan titik optimal dalam gelombang tegangan, risiko arus masuk diminimalkan, memastikan operasi transformator yang lebih lancar dan stabil.

Secara ringkas, teknik pengalihan yang dikendalikan memanfaatkan timing yang tepat untuk mengurangi arus masuk secara efektif. Dengan menghindari saturasi inti melalui titik penerusan strategis dalam siklus tegangan, metode-metode ini memastikan kinerja transformator yang andal, meningkatkan stabilitas jaringan, dan mengurangi gangguan operasional. Pendekatan ini mewakili kemajuan kritis dalam teknologi peralatan pengalihan tegangan menengah, menawarkan manfaat substansial baik untuk instalasi baru maupun peningkatan sistem yang ada.

Situasinya menjadi lebih kompleks ketika menggunakan saklar 3-fase dengan operasi tiang bersamaan. Faktanya, memilih momen penerusan yang meminimalkan arus masuk pada satu fase bisa merugikan dua fase lainnya. Ini digambarkan dalam Gambar 2, di mana mengurangi arus masuk untuk fase R dari transformator yang demagnetis (kiri) berdampak buruk pada fase Y dan B (kanan).

Dengan mengoptimalkan momen penerusan untuk satu fase untuk mengurangi arus masuknya, kondisi untuk dua fase lainnya mungkin secara tidak sengaja menyebabkan peningkatan arus masuk, menyoroti kebutuhan pendekatan yang seimbang dalam sistem multi-fase.

Seperti yang dijelaskan sebelumnya, pola fluks sisa dalam transformator daya adalah hasil dari de-energiasinya sebelumnya.

Ketika transformator dipeneruskan kembali, fluks dinamis yang diinduksi oleh tegangan yang diterapkan ditambahkan atau dikurangi dari fluks sisa tergantung pada polaritas tegangan yang diterapkan. Berdasarkan prinsip pengalihan yang dikendalikan, momen penerusan optimal untuk fase transformator daya terjadi ketika fluks prospektif yang diinduksi cocok dengan fluks sisa yang ada (Gambar 3, kiri). Misalnya, dalam keberadaan fluks sisa positif, menerapkan tegangan negatif akan terlebih dahulu mengurangi fluks inti menjadi nol pada puncak tegangan negatif dan kemudian segera mencapai operasi steady-state transformator tanpa mensaturasi intinya.

Sebaliknya (Gambar 3, kanan), memeneruskan fase pada titik nol lintasan tegangan positif akan menambah 2 p.u. fluks positif ke dalam inti ditambah fluks sisa 0,5 p.u. yang ada. Ini mendorong inti transformator ke dalam saturasi mendalam, menghasilkan arus masuk yang berlebihan. Oleh karena itu, keberadaan fluks sisa meningkatkan arus masuk maksimum ketika penerusan transformator tidak terkontrol.

Dengan memilih momen penerusan dengan tepat untuk mencocokkan fluks yang diinduksi dengan fluks sisa, dapat secara efektif mencegah saturasi inti, sehingga mengurangi arus masuk dan memastikan operasi transformator yang lancar. Strategi ini tidak hanya meningkatkan keandalan sistem, tetapi juga memperpanjang umur peralatan dan mengurangi biaya perawatan. Timing penerusan yang tepat sangat kritis dalam sistem multi-fase untuk menyeimbangkan kinerja di seluruh fase, memastikan stabilitas dan efisiensi jaringan.

Pendekatan ini menekankan pentingnya mempertimbangkan efek fluks sisa saat merancang dan menerapkan teknologi pengalihan yang dikendalikan untuk transformator daya, bertujuan untuk mencapai jaringan transmisi daya yang lebih efisien dan andal.

Ketika ada fluks sisa dalam inti transformator, situasi dengan pemutus sirkuit operasi bersama menjadi lebih kompleks. Momen penerusan optimal harus mempertimbangkan operasi simultan dari semua tiga fase sesuai dengan besaran dan polaritas fluks sisa. Namun, untuk setiap pola fluks sisa yang mungkin, selalu ada momen penerusan optimal yang menghasilkan saturasi transformator minimal (Gambar 4).

Dalam contoh berikut, pola fluks sisa adalah 0, -0,5, dan +0,5 p.u. di fase R, Y, dan B, masing-masing. Memeneruskan transformator daya pada 90° (puncak tegangan fase R) menghasilkan saturasi minimal pada fase-fase tersebut. Namun, menutup fase biru (diasumsikan fase B) pada titik nol lintasan tegangan positif (240°) akan menyebabkan arus masuk terburuk, yang akan 6,5 kali lebih tinggi dari momen pengalihan optimal yang dihitung oleh Perangkat Pengalihan yang Dikendalikan (CSD).

Ini menyoroti pentingnya menentukan momen penerusan optimal untuk setiap kondisi fluks sisa spesifik untuk meminimalkan saturasi transformator dan arus masuk. Timing yang tepat memastikan operasi yang lebih lancar dan meningkatkan keandalan dan efisiensi sistem daya.

Ketika tidak mengontrol penerusan transformator daya, arus masuk terburuk akan selalu muncul pada fase dengan fluks sisa tertinggi. Perangkat Pengalihan yang Dikendalikan (CSD) meminimalkan arus masuk penerusan dengan menghitung momen penutupan tiang optimal berdasarkan pola fluks sisa. Akibatnya, dalam kondisi fluks sisa tertentu yang tinggi, arus masuk dapat sepenuhnya dieliminasi.

Gambar 5 mengilustrasikan arus masuk relatif teoretis selama penerusan sebagai fungsi dari fluks sisa tertinggi dari tiga fluks sisa yang diukur dalam transformator (dengan lutut saturasi pada 1,2 p.u.). Arus masuk puncak dinormalisasi ke arus penerusan maksimum inti yang demagnetis. Ketika fluks sisa inti tinggi (di sumbu horizontal), CSD menghilangkan arus masuk dengan mencegah transformator memasuki saturasi (area bawah garis biru). Sebaliknya, memeneruskan transformator daya pada momen acak dapat mendorong transformator ke dalam saturasi penuh (garis merah), menyebabkan arus masuk berlebihan dan penurunan tegangan berikutnya pada jaringan. Diagram ini karenanya menunjukkan efektivitas mitigasi arus masuk yang disediakan oleh CSD dibandingkan dengan penerusan acak atau tidak terkontrol.