Middenspanningstransformatortopstartstroomvermindering door besturingsschakelaar

Gereguleerde schakelapparatuur in het middenspanningsbereik

Meer dan drie decennia geleden werden Gereguleerde Schakelapparaten (CSD's) voor het eerst geïntroduceerd om schakeltransiënten te verminderen die veroorzaakt worden door hoogspanningsschakelaars die verbonden zijn met parallelle reactors en condensatorbanken. Latere onderzoeken breidden hun toepassing uit naar transmissielijnen en krachttransformators. Aanvankelijk optimaliseerden deze apparaten de schakelmomenten per fase met behulp van onafhankelijk polen bediende schakelaars (IPO).

Onlangs heeft de stijging van de wereldwijde energiebehoefte geleid tot de integratie van hernieuwbare energiebronnen in middenspanningsverdelingsnetwerken, in plaats van uitsluitend afhankelijk te zijn van hoogspannings (HV) transmissiesystemen. Deze verschuiving heeft noodzakelijk gemaakt om problemen met spanningsdalingen te tackelen die voortkomen uit ongecontroleerde inrush-stromen tijdens de energievoorziening van transformators.

Middenspannings-schakelapparatuur werkt meestal met drie polen gelijktijdig, wat contrasteert met de onafhankelijke bediening in HV-toepassingen. Dit vereiste significante vooruitgang in CSD-technologie om inrush-stromen effectief te beheren bij de energievoorziening van transformators met standaardschakelaars met gelijktijdige poolbediening. Tegenwoordig wordt deze innovatie wijdverspreid gebruikt, niet alleen in installaties voor hernieuwbare energie zoals windparken en fotovoltaïsche zonneparken, maar ook in industriële opstellingen en vervoersnetwerken, waar het beheersen van inrush-stromen cruciaal is voor de betrouwbare energievoorziening van zowel middenspannings- als hoogspanningstransformators.

Inrush-stroom in middenspannings-transformators

De grootte van de inrush-stroom tijdens de energievoorziening van een transformator wordt aanzienlijk beïnvloed door de restflux in het transformatorkern; hogere niveaus van restflux kunnen leiden tot grotere inrush-stromen bij willekeurige energievoorziening. Effectieve verminderingstechnieken zijn essentieel om operationele verstoringen te voorkomen en de netwerkstabiliteit te garanderen.

Door geavanceerde gereguleerde schakeltechnieken toe te passen, is het mogelijk om deze inrush-stromen te minimaliseren of te elimineren. Deze methoden versterken niet alleen de systeembreedheid, maar verlengen ook de levensduur van de apparatuur, verminderen onderhoudskosten en verbeteren de algehele efficiëntie in middenspanningsverdelingsnetwerken. De adoptie van dergelijke technologieën markeert een belangrijke vooruitgang bij het aanpassen aan de evoluerende eisen van moderne elektriciteitsverdelingsnetwerken.

Relatie tussen restflux en inrush-stroom van transformator

Veldgegevens verzameld tijdens de inductie van Gereguleerde Schakelapparaten (CSD's) op schakelaars en schakelapparatuur met gelijktijdige poolbediening hebben de relatie tussen restflux en inrush-stroom van transformator bevestigd. Het gebruik van CSD's resulteert meestal in een reductie van de inrush-stroom met een factor 3:1 ten opzichte van willekeurige energievoorziening, waardoor potentiële verstoringen aanzienlijk worden geminimaliseerd.

Methoden voor inrush-stroomvermindering met gangoperated circuit breaker

De volgende uitleg illustreert het concept van gereguleerde schakeling voor inrush-stroomvermindering toegepast op krachttransformators:

Wanneer fase R van een gedemagnetiseerde krachttransformator wordt geënergiseerd op het nulpunt van de spanning (zoals weergegeven links in Figuur 1), dwingt dit de transformatorkern diep in saturatie, waardoor er een extra 2 per-unit (p.u.) flux in de kern wordt geïntroduceerd. Deze situatie kan leiden tot aanzienlijke inrush-stromen als gevolg van kernenverzadiging.

Echter, wanneer de transformator wordt geënergiseerd op het positieve spanningstop, voegt dit eerste positieve kwartcyclus slechts 1 p.u. flux toe aan de kern. Terwijl de spanning vervolgens overgaat naar de negatieve halve cyclus, begint deze de flux binnen de kern te verkleinen. Omdat de transformator onder deze omstandigheden zijn verzadigingslimiet niet bereikt, wordt kernenverzadiging voorkomen, waardoor de optreden van inrush-stroom wordt voorkomen.

Deze situatie komt overeen met de stabiele energievoorziening van de transformator, waarbij de kernflux 90 graden achter de spanning ligt. Door het moment van energievoorziening zorgvuldig te timen om te koppelen aan optimale punten in de spanninggolf, wordt het risico van inrush-stromen geminimaliseerd, waardoor de operatie van de transformator soepeler en stabiler wordt.

Samengevat maken gereguleerde schakeltechnieken gebruik van precieze timing om inrush-stromen effectief te verminderen. Door kernenverzadiging te voorkomen door strategische energievoorzieningspunten in de spanningencyclus, zorgen deze methoden voor betrouwbare transformatorprestaties, versterken de netwerkstabiliteit en verminderen operationele verstoringen. Deze benadering vertegenwoordigt een cruciale vooruitgang in middenspannings-schakelapparatuurtechnologie, die aanzienlijke voordelen biedt voor zowel nieuwe installaties als upgrades van bestaande systemen.

De situatie wordt complexer wanneer een 3-fase schakelaar met gelijktijdige poolbediening wordt gebruikt. In feite kan het selecteren van het energievoorzieningsmoment dat de inrush-stroom op één fase minimaliseert, schadelijk zijn voor de andere twee fasen. Dit wordt geïllustreerd in Figuur 2, waarbij het minimaliseren van de inrush-stroom voor fase R van een gedemagnetiseerde transformator (links) nadelig is voor fasen Y en B (rechts).

Door het energievoorzieningsmoment voor één fase te optimaliseren om de inrush-stroom te verminderen, kunnen de omstandigheden voor de andere twee fasen onbedoeld leiden tot toegenomen inrush-stromen, wat de noodzaak benadrukt voor een evenwichtige benadering in multi-fasesystemen.

Zoals eerder uitgelegd, is het patroon van de restflux in een krachttransformator het resultaat van de vorige de-energievoorziening.

Wanneer een transformator opnieuw wordt geënergiseerd, wordt de dynamische flux die wordt geïnduceerd door de toegepaste spanning toegevoegd aan of afgetrokken van de restflux, afhankelijk van de polariteit van de toegepaste spanning. Volgens de principes van gereguleerde schakeling vindt het optimale energievoorzieningsmoment voor een fase van een krachttransformator plaats wanneer de geïnduceerde prospectieve flux overeenkomt met de bestaande restflux (Figuur 3, links). Bijvoorbeeld, in aanwezigheid van positieve restflux, zou het toepassen van negatieve spanning eerst de kernflux tot nul verlagen op het negatieve spanningstop en vervolgens onmiddellijk de stabiele werking van de transformator bereiken zonder de kern te verzadigen.

Daarentegen (Figuur 3, rechts), het energievoorzieningsmoment van de fase op het positieve nulpunt van de spanning zou 2 p.u. positieve flux toevoegen aan de kern bovenop de bestaande 0,5 p.u. restflux. Dit duwt de krachttransformatorkern in diepe verzadiging, wat leidt tot extreme inrush-stromen. Daarom neemt de aanwezigheid van restflux het maximale inrush-stroomvolume toe wanneer de energievoorziening van de transformator niet wordt gecontroleerd.

Het nauwkeurig selecteren van het energievoorzieningsmoment om de geïnduceerde flux te laten overeenkomen met de restflux, kan effectief kernenverzadiging voorkomen, waardoor inrush-stromen worden verminderd en de gladde werking van de transformator wordt gewaarborgd. Deze strategie versterkt niet alleen de systeembreedheid, maar verlengt ook de levensduur van de apparatuur en vermindert onderhoudskosten. Juiste timing van energievoorziening is vooral cruciaal in multi-fasesystemen om de prestaties over fasen te balanceren, waardoor de netwerkstabiliteit en efficiëntie worden gegarandeerd.

Deze benadering benadrukt het belang van het beschouwen van het effect van restflux bij het ontwerpen en implementeren van gereguleerde schakeltechnologieën voor krachttransformators, met als doel meer efficiënte en betrouwbare elektriciteitsverzendnetwerken te bereiken.

Wanneer er restflux is in de transformatorkern, wordt de situatie met een gang-operated circuit breaker nog complexer. Het optimale energievoorzieningsmoment moet rekening houden met de gelijktijdige bediening van alle drie fasen, afhankelijk van de magnitude en polariteit van de restflux. Echter, voor elk mogelijk restfluxpatroon is er altijd een optimale energievoorzieningsmoment dat leidt tot minimale transformatorverzadiging (Figuur 4).

In het volgende voorbeeld is het restfluxpatroon 0, -0,5, en +0,5 p.u. in fasen R, Y, en B, respectievelijk. Het energievoorzieningsmoment van de krachttransformator op 90° (het spanningstop van fase R) resulteert in de minste verzadiging van de fasen. Echter, het sluiten van de blauwe fase (onder de aanname van fase B) op het positieve nulpunt van de spanning (240°) zou de ergste inrush-stroom veroorzaken, die 6,5 keer hoger zou zijn dan het optimale schakelmoment berekend door een Gereguleerde Schakelapparaat (CSD).

Dit benadrukt het belang van nauwkeurig bepalen van het optimale energievoorzieningsmoment voor elke specifieke restfluxconditie om transformatorverzadiging en inrush-stromen te minimaliseren. Juiste timing zorgt voor soepelere werking en versterkt de betrouwbaarheid en efficiëntie van het elektriciteitsnetwerk.

Bij het niet controleren van de energievoorziening van een krachttransformator zal de ergste mogelijke inrush-stroom altijd optreden op de fase met de hoogste restflux. Een Gereguleerd Schakelapparaat (CSD) minimaliseert de energievoorzienings-inrush-stroom door het optimale polen-sluitmoment te berekenen op basis van het restfluxpatroon. Gevolg hiervan, onder specifieke omstandigheden met hoge restflux, kan de inrush-stroom volledig worden geëlimineerd.

Figuur 5 illustreert de theoretische relatieve inrush-stroom tijdens energievoorziening als functie van de hoogste van de drie gemeten restfluxen in de transformator (met een verzadigingsknie op 1,2 p.u.). De piekinrush-stroom is genormaliseerd tot de maximale energievoorzieningsstroom van de gedemagnetiseerde kern. Wanneer de kernrestflux hoog is (op de horizontale as), elimineert de CSD de inrush-stroom door te voorkomen dat de transformator verzadiging bereikt (onderste gebied van de blauwe lijn). Daarentegen, het energievoorzieningsmoment van de krachttransformator op een willekeurig moment kan de transformator in volledige verzadiging duwen (rode lijn), wat leidt tot extreme inrush-stromen en daaropvolgende spanningsdalingen in het netwerk. Dit diagram demonstreert dus de effectiviteit van inrush-stroomvermindering door een CSD vergeleken met willekeurige of ongecontroleerde energievoorziening.