Smanjenje struja ubrzivanja srednjeg napona transformatora upravljanjem prekidnim uređajem

Uređaji za kontrolisano prekidanje u srednjem naponu

Pre više od tri decenije, uređaji za kontrolisano prekidanje (CSD) su prvi put predstavljeni kako bi se umanili prekidni transijenti uzrokovani visokonaponskim prekidačima povezanim sa paralelnim reaktorima i kondenzatorskim bankama. Nastavna istraživanja proširila su njihovu primenu na prenosne linije i transformere. Inicijalno, ovi uređaji optimizovali su trenutke prekidanja po fazama korišćenjem nezavisno upravljivih polova prekidača (IPO).

Nedavno, porast globalnog potiska energije potakao je integraciju izvora obnovljive energije u distribucijske mreže srednjeg napona, umesto isključivo ovisnosti o visokonaponskim (VN) prenosnim sistemima. Ova promena je dovela do potrebe za rešavanjem problema padova napona uzrokovanih nekontrolisanim strujama uhranjivanja tokom energizacije transformera.

Uređaji za prekidanje srednjeg napona tipično rade sa simultanom operacijom tri pola, što se razlikuje od nezavisne operacije u VN aplikacijama. To je zahtevalo značajne napredne tehnologije CSD-a kako bi se efektivno upravljalo strujama uhranjivanja transformera koristeći standardne prekidače sa simultanom operacijom polova. Danas, ova inovacija široko se koristi ne samo u instalacijama obnovljive energije, kao što su vetroelektrane i fotovoltačke solarnice, već i u industrijskim postrojenjima i transportnim mrežama, gde je kontrola struja uhranjivanja ključna za pouzdanu energizaciju transformera srednjeg i visokog napona.

Struja uhranjivanja u transformatorima srednjeg napona

Intenzitet struje uhranjivanja tokom energizacije transformera značajno zavisi od ostataka fluksa unutar jezgra transformera; veće nivoe ostatka fluksa mogu dovesti do većih struja uhranjivanja pri slučajnoj energizaciji. Efikasne strategije smanjenja su neophodne kako bi se izbegle operativne perturbacije i osigurala stabilnost mreže.

Implementacijom naprednih tehnika kontrolisanog prekidanja, moguće je minimizirati ili eliminisati ove struje uhranjivanja. Ove metode ne samo da unapređuju pouzdanost sistema, već i produžavaju životnu vreme opreme, smanjuju troškove održavanja i poboljšavaju ukupnu efikasnost distribucijskih mreža srednjeg napona. Uvođenje takvih tehnologija označava ključan napredak u prilagođavanju evolutivnim zahtevima modernih električnih distribucijskih mreža.

Odnos između ostatka fluksa i struje uhranjivanja transformera

Podaci sa terena prikupljeni tokom komisioniranja uređaja za kontrolisano prekidanje (CSD) na prekidačima i uređajima za prekidanje sa simultanom operacijom polova verifikovali su odnos između ostatka fluksa i struje uhranjivanja transformera. Korišćenje CSD-a tipično dovodi do smanjenja struje uhranjivanja u odnosu 3:1 u odnosu na slučajnu energizaciju, značajno smanjujući potencijalne perturbacije.

Metode smanjenja struje uhranjivanja sa prekidačem sa simultanom operacijom polova

Naredno objašnjenje ilustruje koncept kontrolisanog prekidanja za smanjenje struje uhranjivanja primenjen na transformere snage:

Kada se demagnetizovani transformator snage faza R energizuje na nultoj presečnoj tački napona (kao što je prikazano na levoj strani Slike 1), prisiljava jezgro transformera duboko u nasitljeno stanje, uvođenjem dodatnih 2 per-unit (p.u.) fluksa u jezgro. Ovo stanje može dovesti do značajnih struja uhranjivanja zbog nasitljene jezgre.

Međutim, kada se transformator energizuje na pozitivnom vrhu napona, ovaj inicijalni pozitivni četvrt krug dodaje samo 1 p.u. fluksa u jezgro. Kako se napon zatim prelazi na negativnu polovicu ciklusa, počinje da smanjuje fluks unutar jezgra. Pošto transformator ne dostiže svoj limes nasitljavanja pod ovim uslovima, nasitljena jezgra se izbegava, time sprječavajući pojavu struje uhranjivanja.

Ova situacija odgovara stabilnom stanju energizacije transformera, gde je fluks jezgra za 90 stepeni zakasnjen u odnosu na napon. Tako što se precizno odredi trenutak energizacije da se poklopi sa optimalnim tačkama u talasu napona, rizik od struja uhranjivanja se smanjuje, osiguravajući glađu i stabilniju operaciju transformera.

Zaključno, tehnike kontrolisanog prekidanja koriste precizno vreme kako bi efikasno smanjile struje uhranjivanja. Izbjegavajući nasitljenu jezgru kroz strategičke tačke energizacije u ciklusu napona, ove metode osiguravaju pouzdanu operaciju transformera, unapređujuju stabilnost mreže i smanjuju operativne perturbacije. Ovaj pristup predstavlja ključan napredak u tehnologiji uređaja za prekidanje srednjeg napona, pružajući značajne prednosti za nove instalacije i nadogradnju postojećih sistema.

Situacija postaje složenija kada se koristi 3-fazni prekidač sa simultanom operacijom polova. U stvari, biranje trenutka energizacije koji minimizira struju uhranjivanja na jednoj fazi može biti štetno za druge dvije faze. Ovo je ilustrovano na Slici 2, gde smanjenje struje uhranjivanja za fazu R demagnetizovanog transformatora (levo) štetno utiče na faze Y i B (desno).

Optimizirajući trenutak energizacije za jednu fazu kako bi se smanjila njena struja uhranjivanja, uslovi za druge dvije faze mogu nezamislivo dovesti do povećanja struja uhranjivanja, ističući potrebu za ravnotežom u više-faznim sistemima.

Kao što je ranije objašnjen, obrazac ostatka fluksa u transformatoru snage je rezultat njegovog prethodnog deenergiziranja.

Kada se transformator ponovo energizuje, dinamički fluks induciran primjenjenim naponom se dodaje ili oduzima od ostatka fluksa, zavisno od polariteta primjenjenog napona. Prema principima kontrolisanog prekidanja, optimalni trenutak energizacije faze transformatora snage nastupa kada se inducirani perspektivni fluks podudara sa postojećim ostatkom fluksa (Slika 3, levo). Na primer, u prisustvu pozitivnog ostatka fluksa, primjena negativnog napona najpre smanji fluks jezgra na nulu na negativnom vrhu napona, a zatim odmah dostigne stabilno stanje rada transformera bez nasitljavanja njegovog jezgra.

Suprotno (Slika 3, desno), energizacija faze na pozitivnoj nultoj presečnoj tački napona dodaje 2 p.u. pozitivnog fluksa u jezgro na vrh postojećih 0.5 p.u. ostatka fluksa. Ovo gurne jezgro transformatora snage u duboko nasitljeno stanje, rezultirajući ekstremnim strujama uhranjivanja. Stoga, prisustvo ostatka fluksa povećava maksimalnu struju uhranjivanja kada energizacija transformatora nije kontrolisana.

Precizno biranje trenutka energizacije kako bi se inducirani fluks podudarao sa ostatkom fluksa može efikasno sprečiti nasitljavanje jezgra, smanjujući struje uhranjivanja i osiguravajući glatku operaciju transformera. Ova strategija ne samo da unapređuje pouzdanost sistema, već i produžava životnu vreme opreme i smanjuje troškove održavanja. Pravilno vreme energizacije posebno je kritično u više-faznim sistemima kako bi se balansirala performansa preko faza, osiguravajući stabilnost i efikasnost mreže.

Ovaj pristup naglašava važnost razmatranja efekta ostatka fluksa prilikom dizajniranja i implementacije tehnologija kontrolisanog prekidanja za transformere snage, ciljevši postizanje efikasnijih i pouzdanih mreža za prenos energije.

Kada postoji ostatak fluksa u jezgru transformatora, situacija sa prekidačem sa simultanom operacijom polova postaje još složenija. Optimalni trenutak energizacije mora uzeti u obzir simultanu operaciju sve tri faze prema veličini i polaritetu ostatka fluksa. Međutim, za svaki mogući obrazac ostatka fluksa, uvek postoji optimalni trenutak energizacije koji dovodi do minimalnog nasitljavanja transformera (Slika 4).

U sledećem primeru, obrazac ostatka fluksa je 0, -0.5 i +0.5 p.u. u fazama R, Y i B, redom. Energetizacija transformatora snage na 90° (vrhu napona faze R) dovodi do minimalnog nasitljavanja faza. Međutim, zatvaranje plave faze (pretpostavljajući fazu B) na pozitivnoj nultoj presečnoj tački napona (240°) bi dovelo do najgorih struja uhranjivanja, koje bi bile 6.5 puta veće od optimalnog trenutka prekidanja izračunatog od strane uređaja za kontrolisano prekidanje (CSD).

Ovo ističe važnost tačnog određivanja optimalnog trenutka energizacije za svaku specifičnu situaciju ostatka fluksa kako bi se smanjilo nasitljavanje transformera i struje uhranjivanja. Pravilno vreme osigurava glađu operaciju i unapređuje pouzdanost i efikasnost sistema snabdevanja.

Kada se ne kontrolira energizacija transformatora snage, najgora moguća struja uhranjivanja uvijek će se pojaviti na fazi sa najvećim ostatkom fluksa. Uređaj za kontrolisano prekidanje (CSD) minimizira struju uhranjivanja energizacije računajući optimalni trenutak zatvaranja polova na osnovu obrazca ostatka fluksa. Posljedično, pod specifičnim uslovima visokog ostatka fluksa, struja uhranjivanja može biti potpuno eliminisana.

Slika 5 ilustruje teoretski relativnu struju uhranjivanja tokom energizacije kao funkciju najvećeg od tri ostatka fluksa merenih u transformatoru (sa koljenom nasitljavanja na 1.2 p.u.). Vrh struje uhranjivanja je normalizovan na maksimalnu struju energizacije demagnetizovanog jezgra. Kada je ostatak fluksa u jezgru visok (na horizontalnoj osi), CSD eliminira struju uhranjivanja sprečavajući transformator da ulazi u stanje nasitljavanja (donja oblast plave linije). Suprotno, energizacija transformatora snage u slučajan trenutak može dovesti transformator u puno nasitljeno stanje (crvena linija), rezultirajući ekstremnim strujama uhranjivanja i kasnijim padom napona na mreži. Ovaj dijagram tako demonstrira efikasnost smanjenja struje uhranjivanja pruženu od strane CSD-a u poređenju sa slučajnom ili nekontrolisanom energizacijom.