Снижение броска тока намагничивания средневольтного трансформатора с помощью управляющего коммутационного устройства

Управляемые коммутационные устройства в средневольтном диапазоне

Более тридцати лет назад управляемые коммутационные устройства (УКУ) были впервые внедрены для смягчения переходных процессов, вызванных высоковольтными выключателями, подключенными к шунтирующим реакторам и конденсаторным батареям. Последующие исследования расширили их применение на линии электропередачи и силовые трансформаторы. Вначале эти устройства оптимизировали моменты коммутации пофазно, используя независимо управляемые полюсами выключатели (IPO).

В последнее время рост глобального спроса на энергию стимулировал интеграцию возобновляемых источников энергии в средневольтные распределительные сети, а не только в высоковольтные (ВН) системы передачи. Этот переход потребовал решения проблемы падения напряжения, вызванного неконтролируемыми импульсными токами при включении трансформаторов.

Средневольтное коммутационное оборудование обычно работает с одновременным управлением трех полюсов, что отличается от независимого управления в высоковольтных применениях. Это потребовало значительного прогресса в технологии УКУ для эффективного управления импульсными токами при включении трансформаторов с использованием стандартных выключателей с одновременной работой полюсов. Сегодня это новшество широко используется не только в установках возобновляемой энергии, таких как ветроэлектростанции и фотovoltaические солнечные станции, но и в промышленных установках и транспортных сетях, где контроль импульсных токов является критически важным для надежного включения как средневольтных, так и высоковольтных трансформаторов.

Импульсный ток в средневольтных трансформаторах

Магнитуда импульсного тока при включении трансформатора значительно зависит от остаточного потока в сердечнике трансформатора; более высокие уровни остаточного потока могут привести к большим импульсным токам при случайном включении. Эффективные методы смягчения необходимы для предотвращения операционных нарушений и обеспечения стабильности сети.

Применение продвинутых методов управляемой коммутации позволяет минимизировать или полностью устранить эти импульсные токи. Эти методы не только повышают надежность системы, но и увеличивают срок службы оборудования, снижают затраты на обслуживание и улучшают общую эффективность средневольтных распределительных сетей. Применение таких технологий является ключевым шагом в адаптации к меняющимся требованиям современных электрических распределительных сетей.

Связь между остаточным потоком и импульсным током трансформатора

Полевые данные, собранные во время ввода в эксплуатацию управляемых коммутационных устройств (УКУ) на выключателях и коммутационном оборудовании с одновременной работой полюсов, подтвердили связь между остаточным потоком и импульсным током трансформатора. Использование УКУ обычно приводит к уменьшению импульсного тока в соотношении 3:1 по сравнению со случайным включением, что значительно смягчает возможные нарушения.

Методы смягчения импульсного тока с выключателем с одновременной работой полюсов

Следующее объяснение иллюстрирует концепцию управляемой коммутации для смягчения импульсного тока, применяемую к силовым трансформаторам:

Когда фаза R демагнитизированного силового трансформатора включается на пересечении нуля напряжения (как показано слева на рисунке 1), это заставляет сердечник трансформатора глубоко войти в насыщение, добавляя дополнительные 2 условных единицы (у.е.) потока в сердечник. Это состояние может привести к значительным импульсным токам из-за насыщения сердечника.

Однако, когда трансформатор включается на вершине положительного напряжения, этот начальный положительный четвертьцикл добавляет только 1 у.е. потока в сердечник. Когда напряжение затем переходит в свою отрицательную половину, оно начинает уменьшать поток в сердечнике. Поскольку трансформатор не достигает своего предела насыщения в этих условиях, насыщение сердечника предотвращается, что исключает появление импульсного тока.

Эта ситуация соответствует стационарному включению трансформатора, когда поток в сердечнике отстает от напряжения на 90 градусов. Тщательно выбирая момент включения, чтобы он совпадал с оптимальными точками в волне напряжения, риск импульсных токов минимизируется, обеспечивая более плавную и стабильную работу трансформатора.

В заключение, методы управляемой коммутации используют точное время для эффективного смягчения импульсных токов. Избегая насыщения сердечника через стратегические точки включения в цикле напряжения, эти методы обеспечивают надежную работу трансформатора, улучшают стабильность сети и снижают операционные нарушения. Этот подход представляет собой важное достижение в технологии средневольтного коммутационного оборудования, предлагая значительные преимущества как для новых установок, так и для модернизации существующих систем.

Ситуация становится еще более сложной при использовании трехфазного выключателя с одновременной работой полюсов. На самом деле, выбор момента включения, который минимизирует импульсный ток на одной фазе, может быть вреден для двух других фаз. Это показано на рисунке 2, где смягчение импульсного тока для фазы R демагнитизированного трансформатора (слева) неблагоприятно влияет на фазы Y и B (справа).

Оптимизируя момент включения одной фазы для уменьшения ее импульсного тока, условия для двух других фаз могут случайно привести к увеличению импульсных токов, что подчеркивает необходимость сбалансированного подхода в многофазных системах.

Как было объяснено ранее, паттерн остаточного потока в силовом трансформаторе является результатом его предыдущего отключения.

Когда трансформатор повторно включается, динамический поток, вызванный приложенным напряжением, добавляется к или вычитается из остаточного потока в зависимости от полярности приложенного напряжения. Согласно принципам управляемой коммутации, оптимальный момент включения фазы силового трансформатора наступает, когда индуцированный поток соответствует существующему остаточному потоку (рисунок 3, слева). Например, при наличии положительного остаточного потока, применение отрицательного напряжения сначала уменьшит поток в сердечнике до нуля на пике отрицательного напряжения, а затем сразу же достигнет стационарного режима работы трансформатора без насыщения его сердечника.

Наоборот (рисунок 3, справа), включение фазы на положительном пересечении нуля напряжения добавит 2 у.е. положительного потока в сердечник на фоне существующего 0.5 у.е. остаточного потока. Это загоняет сердечник силового трансформатора в глубокое насыщение, приводя к чрезмерному импульсному току. Таким образом, наличие остаточного потока увеличивает максимальный импульсный ток при неконтролируемом включении трансформатора.

Точное выбор момента включения, чтобы индуцированный поток соответствовал остаточному потоку, эффективно предотвращает насыщение сердечника, уменьшая импульсные токи и обеспечивая плавную работу трансформатора. Этот подход не только повышает надежность системы, но и увеличивает срок службы оборудования и снижает затраты на обслуживание. Точное время включения особенно критично в многофазных системах для балансировки производительности между фазами, обеспечивая стабильность и эффективность сети.

Этот подход подчеркивает важность учета эффекта остаточного потока при проектировании и внедрении технологий управляемой коммутации для силовых трансформаторов, стремясь к более эффективным и надежным сетям передачи электроэнергии.

Когда в сердечнике трансформатора есть остаточный поток, ситуация с выключателем с одновременной работой полюсов становится еще более сложной. Оптимальный момент включения должен учитывать одновременную работу всех трех фаз в соответствии с величиной и полярностью остаточного потока. Однако, для каждого возможного паттерна остаточного потока всегда существует оптимальный момент включения, который приводит к минимальному насыщению трансформатора (рисунок 4).

В следующем примере паттерн остаточного потока составляет 0, -0.5 и +0.5 у.е. в фазах R, Y и B соответственно. Включение силового трансформатора на 90° (пик напряжения фазы R) приводит к минимальному насыщению фаз. Однако, закрытие синей фазы (предположим, фазы B) на положительном пересечении нуля напряжения (240°) вызовет худший импульсный ток, который будет в 6.5 раз больше, чем оптимальный момент коммутации, рассчитанный управляемым коммутационным устройством (УКУ).

Это подчеркивает важность точного определения оптимального момента включения для каждого конкретного состояния остаточного потока, чтобы минимизировать насыщение трансформатора и импульсные токи. Правильное время включения обеспечивает более плавную работу и повышает надежность и эффективность системы питания.

При неконтролируемом включении силового трансформатора, самый худший импульсный ток всегда появляется на фазе с наибольшим остаточным потоком. Управляющее коммутационное устройство (УКУ) минимизирует импульсный ток включения, вычисляя оптимальный момент закрытия полюсов на основе паттерна остаточного потока. В результате, при определенных условиях высокого остаточного потока, импульсный ток может быть полностью устранен.

Рисунок 5 иллюстрирует теоретический относительный импульсный ток при включении в зависимости от наибольшего из трех остаточных потоков, измеренных в трансформаторе (с коленом насыщения на 1.2 у.е.). Пиковый импульсный ток нормализован к максимальному току включения демагнитизированного сердечника. При высоком остаточном потоке (на горизонтальной оси) УКУ устраняет импульсный ток, предотвращая насыщение трансформатора (нижняя область синей линии). Напротив, случайное включение силового трансформатора может привести его к полному насыщению (красная линия), вызывая чрезмерный импульсный ток и последующие провалы напряжения в сети. Этот график демонстрирует эффективность смягчения импульсного тока, предоставляемого УКУ, по сравнению с случайным или неконтролируемым включением.