Mitigazione della corrente di inrush del trasformatore a media tensione mediante dispositivo di commutazione controllato

Dispositivi di commutazione controllata nella gamma di tensione media

Più di tre decenni fa, i Dispositivi di Commutazione Controllata (CSD) furono introdotti per mitigare le transitori di commutazione causati da interruttori ad alta tensione collegati a reattori shunt e banchi di condensatori. Successive ricerche hanno esteso la loro applicazione a linee di trasmissione e trasformatori di potenza. Inizialmente, questi dispositivi ottimizzavano i momenti di commutazione su base per fase utilizzando interruttori a poli indipendenti (IPO).

Recentemente, l'aumento globale della domanda di energia ha spinto l'integrazione di fonti rinnovabili nelle reti di distribuzione a tensione media piuttosto che dipendere esclusivamente dai sistemi di trasmissione ad alta tensione (HV). Questo cambiamento ha reso necessario affrontare i problemi di calo di tensione dovuti a correnti di inrush non controllate durante l'energizzazione dei trasformatori.

Gli apparati di commutazione a tensione media operano tipicamente con tre poli simultaneamente, il che contrasta con l'operazione indipendente nelle applicazioni ad alta tensione. Ciò ha richiesto significativi avanzamenti nella tecnologia CSD per gestire efficacemente le correnti di inrush durante l'energizzazione dei trasformatori utilizzando interruttori standard con operazione simultanea dei poli. Oggi, questa innovazione è ampiamente utilizzata non solo in impianti di energia rinnovabile come parchi eolici e impianti fotovoltaici, ma anche in configurazioni industriali e reti di trasporto, dove il controllo delle correnti di inrush è cruciale per l'energizzazione affidabile di trasformatori sia a tensione media che ad alta tensione.

Corrente di inrush nei trasformatori a tensione media

L'entità della corrente di inrush durante l'energizzazione del trasformatore è influenzata significativamente dal flusso residuo all'interno del nucleo del trasformatore; livelli più elevati di flusso residuo possono portare a correnti di inrush maggiori in caso di energizzazione casuale. Strategie di mitigazione efficaci sono essenziali per evitare disturbi operativi e garantire la stabilità della rete.

Implementando tecniche di commutazione controllata avanzate, è possibile minimizzare o eliminare queste correnti di inrush. Questi metodi non solo migliorano l'affidabilità del sistema, ma prolungano anche la durata degli apparecchi, riducono i costi di manutenzione e migliorano l'efficienza complessiva nelle reti di distribuzione a tensione media. L'adozione di tali tecnologie rappresenta un avanzamento fondamentale nell'adattamento alle crescenti esigenze delle moderne reti di distribuzione elettrica.

Relazione tra flusso residuo e corrente di inrush del trasformatore

I dati sul campo raccolti durante la messa in servizio di Dispositivi di Commutazione Controllata (CSD) su interruttori e apparati di commutazione con operazione simultanea dei poli hanno verificato la relazione tra flusso residuo e corrente di inrush del trasformatore. L'utilizzo di CSD di solito risulta in una riduzione della corrente di inrush nel rapporto 3:1 rispetto all'energizzazione casuale, mitigando significativamente i potenziali disturbi.

Metodi di mitigazione della corrente di inrush con interruttore a poli comandati

La seguente spiegazione illustra il concetto di commutazione controllata per la mitigazione della corrente di inrush applicata ai trasformatori di potenza:

Quando la fase R di un trasformatore demagnetizzato viene energizzata al passaggio a zero della tensione (come mostrato a sinistra nella Figura 1), costringe il nucleo del trasformatore profondamente in saturazione, introducendo un ulteriore 2 unità per unità (p.u.) di flusso nel nucleo. Questa condizione può portare a correnti di inrush significative a causa della saturazione del nucleo.

Tuttavia, quando il trasformatore viene energizzato al picco positivo della tensione, questo primo quarto di ciclo positivo aggiunge solo 1 p.u. di flusso nel nucleo. Mentre la tensione poi si trasforma nel suo semiciclo negativo, inizia a diminuire il flusso all'interno del nucleo. Poiché il trasformatore non raggiunge il suo limite di saturazione in queste condizioni, la saturazione del nucleo viene evitata, prevenendo così l'occorrenza della corrente di inrush.

Questo scenario corrisponde all'energizzazione a stato stazionario del trasformatore, in cui il flusso del nucleo ritarda la tensione di 90 gradi. Sincronizzando attentamente il momento dell'energizzazione con i punti ottimali nella forma d'onda della tensione, il rischio di correnti di inrush viene minimizzato, assicurando un funzionamento più fluido e stabile del trasformatore.

In sintesi, le tecniche di commutazione controllata sfruttano un tempismo preciso per mitigare efficacemente le correnti di inrush. Evitando la saturazione del nucleo attraverso punti strategici di energizzazione nel ciclo di tensione, questi metodi garantiscono un funzionamento affidabile del trasformatore, migliorano la stabilità della rete e riducono i disturbi operativi. Questo approccio rappresenta un avanzamento critico nella tecnologia degli apparati di commutazione a tensione media, offrendo benefici sostanziali sia per nuove installazioni che per l'aggiornamento di sistemi esistenti.

La situazione diventa più complessa quando si utilizza un interruttore trifase con operazione simultanea dei poli. Infatti, selezionare l'istante di energizzazione che minimizza la corrente di inrush su una fase può essere dannoso per le altre due fasi. Questo è illustrato nella Figura 2, dove la mitigazione della corrente di inrush per la fase R di un trasformatore demagnetizzato (a sinistra) ha effetti negativi sulle fasi Y e B (a destra).

Ottimizzando il momento di energizzazione per una fase per ridurre la sua corrente di inrush, le condizioni per le altre due fasi possono involontariamente portare a correnti di inrush aumentate, evidenziando la necessità di un approccio bilanciato nei sistemi multiphasi.

Come spiegato in precedenza, il pattern del flusso residuo in un trasformatore di potenza è il risultato del suo precedente disenergizzazione.

Quando un trasformatore viene ri-energizzato, il flusso dinamico indotto dalla tensione applicata viene aggiunto o sottratto al flusso residuo a seconda della polarità della tensione applicata. Secondo i principi della commutazione controllata, il momento ottimale di energizzazione per una fase del trasformatore di potenza avviene quando il flusso prospettivo indotto corrisponde al flusso residuo esistente (Figura 3, a sinistra). Ad esempio, in presenza di flusso residuo positivo, l'applicazione di tensione negativa prima riduce il flusso del nucleo a zero al picco negativo della tensione e poi raggiunge immediatamente il funzionamento a stato stazionario del trasformatore senza saturare il suo nucleo.

Al contrario (Figura 3, a destra), l'energizzazione della fase al passaggio a zero positivo della tensione aggiunge 2 p.u. di flusso positivo al nucleo oltre al flusso residuo esistente di 0,5 p.u. Questo spinge il nucleo del trasformatore in profonda saturazione, risultando in una corrente di inrush eccessiva. Pertanto, la presenza di flusso residuo aumenta la corrente di inrush massima quando l'energizzazione del trasformatore è non controllata.

Selezionando con precisione l'istante di energizzazione per far coincidere il flusso indotto con il flusso residuo, si può prevenire efficacemente la saturazione del nucleo, riducendo le correnti di inrush e assicurando un funzionamento liscio del trasformatore. Questa strategia non solo migliora l'affidabilità del sistema, ma prolunga anche la durata degli apparecchi e riduce i costi di manutenzione. Un temporizzazione appropriata dell'energizzazione è particolarmente critica nei sistemi multiphasi per bilanciare le prestazioni tra le fasi, assicurando la stabilità e l'efficienza della rete.

Questo approccio sottolinea l'importanza di considerare l'effetto del flusso residuo nella progettazione e implementazione di tecnologie di commutazione controllata per i trasformatori di potenza, mirando a ottenere reti di trasmissione di energia più efficienti e affidabili.

Quando c'è flusso residuo nel nucleo del trasformatore, la situazione con un interruttore a poli comandati diventa ancora più complessa. L'istante ottimale di energizzazione deve considerare l'operazione simultanea di tutte e tre le fasi in base alla magnitudine e alla polarità del flusso residuo. Tuttavia, per ogni possibile pattern di flusso residuo, c'è sempre un istante ottimale di energizzazione che risulta in una saturazione minima del trasformatore (Figura 4).

Nell'esempio seguente, il pattern del flusso residuo è 0, -0,5 e +0,5 p.u. nelle fasi R, Y e B, rispettivamente. Energetizzare il trasformatore di potenza a 90° (il picco di tensione della fase R) risulta nella minima saturazione delle fasi. Tuttavia, chiudere la fase blu (supponendo la fase B) al passaggio a zero positivo della tensione (240°) causerebbe la corrente di inrush peggiore, che sarebbe 6,5 volte superiore all'istante ottimale di commutazione calcolato da un Dispositivo di Commutazione Controllata (CSD).

Questo evidenzia l'importanza di determinare con precisione l'istante ottimale di energizzazione per ogni specifica condizione di flusso residuo per minimizzare la saturazione del trasformatore e le correnti di inrush. Una temporizzazione appropriata assicura un funzionamento più fluido e migliora l'affidabilità ed l'efficienza del sistema di potenza.

Quando non si controlla l'energizzazione di un trasformatore di potenza, la corrente di inrush peggiore possibile apparirà sempre sulla fase con il flusso residuo più alto. Un Dispositivo di Commutazione Controllata (CSD) minimizza la corrente di inrush di energizzazione calcolando l'istante ottimale di chiusura dei poli in base al pattern del flusso residuo. Di conseguenza, in condizioni specifiche di flusso residuo elevato, la corrente di inrush può essere completamente eliminata.

La Figura 5 illustra la corrente di inrush teorica relativa durante l'energizzazione in funzione del flusso residuo più alto misurato tra le tre fasi del trasformatore (con un ginocchio di saturazione a 1,2 p.u.). La corrente di inrush massima è normalizzata alla corrente massima di energizzazione del nucleo demagnetizzato. Quando il flusso residuo del nucleo è elevato (sull'asse orizzontale), il CSD elimina la corrente di inrush impedendo al trasformatore di entrare in saturazione (area inferiore della linea blu). Al contrario, l'energizzazione del trasformatore di potenza in un momento casuale può spingere il trasformatore in piena saturazione (linea rossa), portando a una corrente di inrush eccessiva e a cali di tensione successivi sulla rete. Questo diagramma dimostra quindi l'efficacia della mitigazione della corrente di inrush fornita da un CSD rispetto all'energizzazione casuale o non controllata.