Zmniejszanie nagłego prądu transformatora średniego napięcia przez urządzenie sterujące przepływy

Sterowane urządzenia przełączające w zakresie średniego napięcia

Ponad trzydzieści lat temu sterowane urządzenia przełączające (CSD) zostały po raz pierwszy wprowadzone, aby zminimalizować przejściowe przepięcia powstające podczas działania wysokonapięciowych wyłączników podłączonych do kondensatorów i reaktorów szeregowych. Kolejne badania rozszerzyły ich zastosowanie na linie przesyłowe i transformatory mocy. Na początku te urządzenia optymalizowały momenty przełączania dla poszczególnych faz za pomocą niezależnie sterowanych wyłączników (IPO).

Ostatnio wzrost światowego popytu na energię spowodował integrację źródeł odnawialnych w sieci dystrybucyjne średniego napięcia, a nie tylko w systemy przesyłowe wysokiego napięcia (HV). Ta zmiana wymusiła konieczność radzenia sobie z problemami spadków napięcia wynikającymi z niekontrolowanych prądów nadbiegających podczas włączenia transformatora.

Przełączniki średniego napięcia zazwyczaj działają jednocześnie na trzech polach, co różni się od niezależnej operacji w zastosowaniach wysokiego napięcia. To wymagało znaczących postępów w technologii CSD, aby skutecznie zarządzać prądami nadbiegającymi przy włączeniu transformatora przy użyciu standardowych przełączników z jednoczesnym działaniem pól. Dziś ta innowacja jest szeroko stosowana nie tylko w instalacjach odnawialnych, takich jak farmy wiatrowe i elektrownie fotowoltaiczne, ale także w układach przemysłowych i sieciach transportowych, gdzie kontrola prądów nadbiegających jest kluczowa dla niezawodnego włączenia zarówno transformatorów średniego, jak i wysokiego napięcia.

Prąd nadbiegający w transformatorach średniego napięcia

Wielkość prądu nadbiegającego podczas włączenia transformatora jest znacząco wpływana przez pozostałą indukcję w rdzeniu transformatora; wyższe poziomy pozostałe indukcji mogą prowadzić do większych prądów nadbiegających przy losowym włączeniu. Efektywne strategie minimalizacji są niezbędne, aby uniknąć zakłóceń operacyjnych i zapewnić stabilność sieci.

Poprzez implementację zaawansowanych technik sterowanego przełączania możliwe jest zminimalizowanie lub eliminacja tych prądów nadbiegających. Te metody nie tylko zwiększają niezawodność systemu, ale również przedłużają żywotność sprzętu, obniżają koszty konserwacji i poprawiają ogólną efektywność w sieciach dystrybucyjnych średniego napięcia. Wdrożenie takich technologii oznacza kluczowy postęp w dostosowywaniu się do ewoluujących potrzeb nowoczesnych sieci dystrybucyjnych.

Związek między resztkową indukcją a prądem nadbiegającym transformatora

Dane terenowe zebrane podczas uruchamiania sterowanych urządzeń przełączających (CSD) na wyłącznikach i przełącznikach z jednoczesnym działaniem pól potwierdziły związek między resztkową indukcją a prądem nadbiegającym transformatora. Wykorzystanie CSD zazwyczaj prowadzi do trójpodwójnego obniżenia prądu nadbiegającego w porównaniu do losowego włączenia, znacznie łagodząc potencjalne zakłócenia.

Metody minimalizacji prądu nadbiegającego przy jednoczęściowo sterowanym wyłączniku

Następujące wyjaśnienie ilustruje koncepcję sterowanego przełączania do minimalizacji prądu nadbiegającego zastosowaną do transformatorów mocy:

Gdy faza R demagnetyzowanego transformatora mocy jest włączana w momencie zerowego przecięcia napięcia (jak pokazano po lewej stronie na Rysunku 1), to zmusza rdzeń transformatora do głębokiego nasycenia, wprowadzając dodatkowe 2 jednostki per unit (p.u.) indukcji do rdzenia. Ta sytuacja może prowadzić do znacznych prądów nadbiegających z powodu nasycenia rdzenia.

Jednakże, gdy transformator jest włączany na szczycie dodatniego napięcia, ten początkowy dodatni kwadrant cyklu dodaje tylko 1 p.u. indukcji do rdzenia. Następnie, gdy napięcie przechodzi do swojej części ujemnej, zaczyna ono zmniejszać indukcję w rdzeniu. Ponieważ transformator nie osiąga swojego limitu nasycenia w tych warunkach, unika się nasycenia rdzenia, co zapobiega wystąpieniu prądu nadbiegającego.

Ta sytuacja odpowiada stacjonarnemu włączeniu transformatora, gdzie indukcja rdzenia opóźnia napięcie o 90 stopni. Poprzez staranne wybieranie momentu włączenia, aby zbiegł się z optymalnymi punktami w fali napięcia, ryzyko wystąpienia prądów nadbiegających jest minimalizowane, zapewniając gładkie i stabilne działanie transformatora.

Podsumowując, techniki sterowanego przełączania wykorzystują precyzyjne czasowanie, aby skutecznie minimalizować prądy nadbiegające. Unikając nasycenia rdzenia poprzez strategiczne punkty włączenia w cyklu napięcia, te metody zapewniają niezawodną pracę transformatora, zwiększają stabilność sieci i redukują zakłócenia operacyjne. Ten podejście reprezentuje kluczowy postęp w technologii przełączników średniego napięcia, oferując istotne korzyści zarówno dla nowych instalacji, jak i modernizacji istniejących systemów.

Sytuacja staje się bardziej złożona, gdy używa się trójfazowego przełącznika z jednoczesnym działaniem pól. Faktycznie, wybór momentu włączenia, który minimalizuje prąd nadbiegający na jednej fazie, może być szkodliwy dla pozostałych dwóch faz. To jest ilustrowane na Rysunku 2, gdzie minimalizacja prądu nadbiegającego dla fazy R demagnetyzowanego transformatora (po lewej) negatywnie wpływa na fazy Y i B (po prawej).

Optymalizując moment włączenia dla jednej fazy, aby zredukować jej prąd nadbiegający, warunki dla pozostałych dwóch faz mogą przypadkowo prowadzić do zwiększenia prądów nadbiegających, podkreślając potrzebę zrównoważonego podejścia w systemach wielofazowych.

Jak wcześniej wyjaśniono, wzorzec resztkowej indukcji w transformatorze mocy jest wynikiem jego poprzedniego deenergizowania.

Gdy transformator jest ponownie włączany, dynamiczna indukcja wywołana przez zastosowane napięcie jest dodawana lub odejmowana od resztkowej indukcji w zależności od polaryzacji zastosowanego napięcia. Zgodnie z zasadami sterowanego przełączania, optymalny moment włączenia fazy transformatora mocy występuje, gdy indukowana perspektywiczna indukcja odpowiada istniejącej resztkowej indukcji (Rysunek 3, po lewej). Na przykład, w obecności dodatniej resztkowej indukcji, zastosowanie ujemnego napięcia najpierw zmniejszy indukcję rdzenia do zera w szczycie ujemnego napięcia, a następnie natychmiast osiągnie stacjonarne działanie transformatora bez nasycenia jego rdzenia.

Natomiast (Rysunek 3, po prawej), włączanie fazy w momencie dodatniego przecięcia napięcia zerowego doda 2 p.u. dodatniej indukcji do rdzenia na topie istniejącej 0,5 p.u. resztkowej indukcji. To pcha rdzeń transformatora mocy do głębokiego nasycenia, prowadząc do nadmiernego prądu nadbiegającego. Dlatego obecność resztkowej indukcji zwiększa maksymalny prąd nadbiegający, gdy włączenie transformatora jest niekontrolowane.

Precyzyjne wybieranie momentu włączenia, aby dopasować indukowaną indukcję do resztkowej indukcji, może skutecznie zapobiec nasyceniu rdzenia, obniżając prądy nadbiegające i zapewniając gładkie działanie transformatora. Ta strategia nie tylko zwiększa niezawodność systemu, ale również przedłuża żywotność sprzętu i obniża koszty konserwacji. Prawidłowe wybieranie momentu włączenia jest szczególnie krytyczne w systemach wielofazowych, aby zrównoważyć wydajność między fazami, zapewniając stabilność i efektywność sieci.

Ten podejście podkreśla znaczenie uwzględnienia wpływu resztkowej indukcji podczas projektowania i implementacji technologii sterowanego przełączania dla transformatorów mocy, mając na celu uzyskanie bardziej efektywnych i niezawodnych sieci przesyłowych.

Gdy w rdzeniu transformatora jest resztkowa indukcja, sytuacja z jednoczęściowo sterowanym wyłącznikiem staje się jeszcze bardziej złożona. Optymalny moment włączenia musi brać pod uwagę jednoczesne działanie wszystkich trzech faz zgodnie z wielkością i polaryzacją resztkowej indukcji. Jednak dla każdego możliwego wzorca resztkowej indukcji zawsze istnieje optymalny moment włączenia, który powoduje minimalne nasycenie transformatora (Rysunek 4).

W poniższym przykładzie wzorzec resztkowej indukcji wynosi 0, -0,5 i +0,5 p.u. dla faz R, Y i B, odpowiednio. Włączanie transformatora mocy w momencie 90° (szczyt napięcia fazy R) powoduje minimalne nasycenie faz. Jednak zamknięcie niebieskiej fazy (przyjmując, że jest to faza B) w momencie dodatniego przecięcia napięcia (240°) spowodowałoby najgorszy prąd nadbiegający, który byłby 6,5 razy wyższy niż optymalny moment przełączania obliczony przez sterowane urządzenie przełączające (CSD).

To podkreśla znaczenie dokładnego określenia optymalnego momentu włączenia dla każdego konkretnego stanu resztkowej indukcji, aby zminimalizować nasycenie transformatora i prądy nadbiegające. Prawidłowe wybieranie momentu zapewnia gładkie działanie i zwiększa niezawodność oraz efektywność systemu energetycznego.

Gdy nie kontrolujemy włączenia transformatora mocy, najgorszy możliwy prąd nadbiegający zawsze pojawi się na fazie z najwyższą resztkową indukcją. Sterowane urządzenie przełączające (CSD) minimalizuje prąd nadbiegający włączenia, obliczając optymalny moment zamknięcia pól na podstawie wzorca resztkowej indukcji. W konsekwencji, pod określonymi warunkami wysokiej resztkowej indukcji, prąd nadbiegający może być całkowicie eliminowany.

Rysunek 5 ilustruje teoretyczny względny prąd nadbiegający podczas włączenia jako funkcję najwyższej z trzech resztkowych indukcji zmierzonych w transformatorze (z kolankiem nasycenia na 1,2 p.u.). Szczytowy prąd nadbiegający jest normalizowany do maksymalnego prądu włączenia demagnetyzowanego rdzenia. Gdy resztkowa indukcja rdzenia jest wysoka (na osi poziomej), CSD eliminuje prąd nadbiegający, zapobiegając transformatorowi wejścia w stan nasycenia (obszar dolny linii niebieskiej). Natomiast, włączanie transformatora mocy w losowym momencie może spowodować pełne nasycenie transformatora (linia czerwona), prowadząc do nadmiernego prądu nadbiegającego i kolejnych spadków napięcia w sieci. Ten diagram pokazuje skuteczność minimalizacji prądu nadbiegającego zapewnianą przez CSD w porównaniu do losowego lub niekontrolowanego włączenia.