Mediumspennings-transformator sin innstrømningstrømmes reduksjon ved kontroll av skruvedisseur

Kontrollerte spenningsveksler i mediumspansningsområdet

Mer enn tre tiår siden ble kontrollerte spenningsveksler (CSDs) først introdusert for å redusere spenningsvekster som ble forårsaket av høyspenningssirkuitskrusser koblet til parallelle reaktorer og kondensatorbanker. Senere forskning utvidet deres bruk til overføringslinjer og strømtransformatorer. Inntialt optimiserte disse enhetene spenningsmomenter på en fasebasert måte ved hjelp av uavhengig pol-styrt sirkuitskrusser (IPO).

Nylig har økningen i den globale energibehovet stimulert integrasjon av fornybar energi inn i mediumspansningsdistribusjonsnett, i stedet for bare å stole på høyspenningsoverføringsystemer. Denne endringen har gjort det nødvendig å håndtere spenningsnedgangsproblemer som oppstår fra ukontrollerte inrush-strømmer under transformatorinngivelse.

Mediumspansningsbryterutstyr opererer typisk med tre poler samtidig, noe som kontrasterer med uavhengig operasjon i høyspenningsapplikasjoner. Dette kreverte betydelige fremskritt i CSD-teknologi for å effektivt håndtere inrush-strømmer under transformatorinngivelse ved hjelp av standardbrytere med samtidig poleoperasjon. I dag er denne innovasjonen bredt anvendt ikke bare i fornybar energiinstallasjoner som vindparkene og fotovoltaiske solanlegg, men også i industrielle oppsett og transportnettverk, hvor kontroll av inrush-strømmer er avgjørende for pålitelig inngivelse av både medium- og høyspenningstransformatorer.

Inrush-strøm i mediumspansningstransformatorer

Størrelsen på inrush-strømmen under transformatorinngivelse blir betydelig påvirket av restflykt i transformatorkjernen; høyere nivåer av restflykt kan føre til større inrush-strømmer ved tilfeldig inngivelse. Effektive reduseringsteknikker er essensielle for å unngå driftsforstyrrelser og sikre nettets stabilitet.

Ved å implementere avanserte teknikker for kontrollert spenning, er det mulig å minimere eller eliminere disse inrush-strømmene. Disse metodene forbedrer ikke bare systemets pålitelighet, men utvider også utstyrets levetid, reduserer vedlikeholdsutfgifter og forbedrer total effektivitet i mediumspansningsdistribusjonsnett. Inntakelsen av slike teknologier markerer en viktig fremgang i tilpasning til de evolverende behovene i moderne elektriske distribusjonsnettverk.

Forholdet mellom restflykt og transformatorinrush-strøm

Feltdata samlet under kommisjonering av kontrollerte spenningsveksler (CSDs) på sirkuitskrusser og bryterutstyr med samtidig poleoperasjon har verifisert forholdet mellom restflykt og transformatorinrush-strøm. Bruk av CSDs resulterer typisk i en reduksjon på 3:1 i inrush-strøm sammenlignet med tilfeldig inngivelse, noe som betydelig reduserer potensielle forstyrrelser.

Metoder for inrush-strømredusering med samtidig operert sirkuitskrusser

Den følgende forklaringen illustrerer konseptet om kontrollert spenning for inrush-strømredusering anvendt på strømtransformatorer:

Når en demagnetisert strømtransformators fase R settes i drift ved nullgjennomsnittet av spenningen (som vist til venstre i figur 1), tvinger dette transformatorkjernen dyp inn i mætning, og legger til ekstra 2 per-enhet (p.u.) flykt i kjernen. Dette vil kunne føre til betydelige inrush-strømmer på grunn av kjernemætning.

Imidlertid, når transformatorsettes i drift ved positiv spennings topp, vil denne første positive kvartalsperioden bare legge til 1 p.u. flykt i kjernen. Når spenningen så overgår til sin negative halvsyklus, begynner den å redusere flykten i kjernen. Siden transformatoren ikke når sin mætningsgrense under disse forhold, unngås kjernemætning, og inrush-strøm forebygges.

Dette scenarioet tilsvarer den stabile inngivelsen av transformator, der kjerneflykt ligger 90 grader bak spenningen. Ved å nøyaktig bestemme øyeblikket for inngivelse til å stemme overens med optimale punkter i spenningsbølgen, minimeres risikoen for inrush-strøm, og sikres en jevnere og mer stabil transformatoroperasjon.

Sammenfattende sett, benytter kontrollerte spenningsmetoder nøyaktig timing for å effektivt redusere inrush-strøm. Ved å unngå kjernemætning gjennom strategiske inngivelsespunkter i spenningscyklen, sikrer disse metodene pålitelig transformatorytelse, forbedrer nettets stabilitet og reduserer driftsforstyrrelser. Denne tilnærmingen representerer et kritisk fremskritt i mediumspansningsbryterteknologi, og gir betydelige fordeler for både nye installasjoner og oppgraderinger av eksisterende systemer.

Situasjonen blir mer kompleks når man bruker en 3-fase bryter med samtidig poleoperasjon. I virkeligheten kan valget av inngivelsesøyeblikk som minimerer inrush-strøm på én fase være skadelig for de to andre fasene. Dette vises i figur 2, der redusering av inrush-strøm for fase R av en demagnetisert transformator (venstre) påvirker negativt faser Y og B (høyre).

Ved å optimere inngivelsesøyeblikket for én fase for å redusere dens inrush-strøm, kan forholdene for de to andre fasene uheldigvis føre til økte inrush-strømmer, noe som understreker behovet for en balansert tilnærming i flerfasessystemer.

Som tidligere forklart, er mønsteret av restflykt i en strømtransformator resultatet av dens tidligere demontering.

Når en transformator settes i drift igjen, legges den dynamiske flykten som induceres av den påførte spenningen til eller trekkes fra restflykten avhengig av polariteten til den påførte spenningen. Ifølge prinsippene for kontrollert spenning, skjer den optimale inngivelsesøyeblikket for en fase i en strømtransformator når den induerte potensielle flykten samsvarer med den eksisterende restflykten (figur 3, venstre). For eksempel, i tilstedeværelse av positiv restflykt, vil negativ spenning først redusere kjerneflykten til null ved negativ spennings topp, og deretter umiddelbart nå den stabile operasjonen av transformatoren uten å mætte kjernen.

Omvendt (figur 3, høyre), vil inngivelse av fasen ved et positivt nullgjennomsnitt av spenningen legge til 2 p.u. positiv flykt i kjernen i tillegg til den eksisterende 0.5 p.u. restflykten. Dette presser strømtransformatorkjernen inn i dyp mætning, noe som resulterer i excessiv inrush-strøm. Dermed øker tilstedeværelsen av restflykt den maksimale inrush-strømmen når transformatorinngivelsen er ukontrollert.

Nøyaktig valg av inngivelsesøyeblikk for å matche den induerte flykten med restflykten, kan effektivt forebygge kjernemætning, noe som reduserer inrush-strømmer og sikrer jevn transformatoroperasjon. Denne strategien forbedrer ikke bare systemets pålitelighet, men utvider også utstyrets levetid og reduserer vedlikeholdsutfgifter. Riktig timing av inngivelse er spesielt kritisk i flerfasessystemer for å balansere ytingen over fasene, og sikre nettets stabilitet og effektivitet.

Denne tilnærmingen understreker viktigheten av å ta hensyn til effekten av restflykt når man designer og implementerer kontrollerte spenningsmetoder for strømtransformatorer, med målet om å oppnå mer effektive og pålitelige strømoverføringsnettverk.

Når det er restflykt i transformatorkjernen, blir situasjonen med en samtidig operert sirkuitskrusser enda mer kompleks. Det optimale inngivelsesøyeblikket må ta hensyn til samtidig operasjon av alle tre fasene i henhold til størrelsen og polariteten av restflykten. Imidlertid, for hvert mulige restflyktmønster, er det alltid et optimalt inngivelsesøyeblikk som resulterer i minimal transformatormætning (figur 4).

I følgende eksempel er restflyktmønsteret 0, -0.5, og +0.5 p.u. i fasene R, Y, og B, henholdsvis. Sett i drift av strømtransformator ved 90° (spennings toppen av fase R) resulterer i minimal mætning av fasene. Men, ved å lukke blå fase (antatt fase B) ved positiv nullgjennomsnitt av spenningen (240°), ville det føre til den verste inrush-strøm, som ville være 6.5 ganger høyere enn det optimale slukkingsøyeblikket beregnet av en kontrollert spenningsveksler (CSD).

Dette understreker viktigheten av å nøyaktig bestemme det optimale inngivelsesøyeblikket for hver spesifikke restflykttilstand for å minimere transformatormætning og inrush-strøm. Riktig timing sikrer jevnere operasjon og forbedrer påliteligheten og effektiviteten av strømsystemet.

Når man ikke kontrollerer inngivelsen av en strømtransformator, vil den verste mulige inrush-strøm alltid oppstå på fasen med høyest restflykt. En kontrollert spenningsveksler (CSD) minimerer inngivelsesinrush-strøm ved å beregne det optimale polslukkingsøyeblikket basert på restflyktmønsteret. Konsekvent, under spesifikke høye restflyktforhold, kan inrush-strøm fullstendig elimineres.

Figur 5 illustrerer den teoretiske relative inrush-strøm under inngivelse som en funksjon av den høyeste av de tre restflyktene målt i transformator (med en mætnings knekkpunkt på 1.2 p.u.). Toppinrush-strøm normaliseres til maksimal inngivelsesstrøm av den demagnetiserte kjernen. Når kjernens restflykt er høy (på den horisontale aksen), eliminerer CSD inrush-strøm ved å forhindre at transformatoren går inn i mætning (bunnområdet av den blå linjen). Omvendt, ved å sette i drift strømtransformatoren ved et tilfeldig øyeblikk, kan transformatoren bli fullstendig mættet (rød linje), noe som fører til excessiv inrush-strøm og etterfølgende spenningsnedgang i nettet. Dette diagrammet demonstrerer derfor effektiviteten av inrush-strømredusering som tilbys av en CSD sammenlignet med tilfeldig eller ukontrollert inngivelse.