Pagbawas ng inrush current ng medium voltage transformer sa pamamagitan ng control switching device

Mga Device na Nakontrol sa Range ng Medium Voltage

Higit sa tatlong dekada ang nakalipas nang unang ipakilala ang mga Controlled Switching Devices (CSDs) upang mabawasan ang mga switching transients na dulot ng high voltage circuit breakers na konektado sa shunt reactors at capacitor banks. Ang kasunod na pagsusuri ay nagpalaganap ng kanilang aplikasyon sa transmission lines at power transformers. Sa simula, ang mga device na ito ay naka-optimize ang mga switching moments sa bawat phase gamit ang independently pole-operated circuit breakers (IPO).

Kamakailan, ang pagtaas ng global energy demand ay nagpa-ugnay sa integrasyon ng renewable energy sources sa medium voltage distribution grids hindi lamang depende sa high voltage (HV) transmission systems. Ito ay nag-udyok sa pagtugon sa mga isyu ng voltage dip na nagmumula sa uncontrolled inrush currents sa panahon ng energization ng transformer.

Ang medium voltage switchgear karaniwang gumagana nang may tatlong poles nang sabay-sabay, na kumokontra sa independent operation sa HV applications. Ito ay nangangailangan ng mahalagang pag-unlad sa teknolohiya ng CSD upang ma-manage ang inrush currents sa energization ng transformer gamit ang standard switches na may simultaneous pole operation. Ngayon, ang innovasyong ito ay malawakang ginagamit hindi lamang sa renewable energy installations tulad ng wind farms at photovoltaic solar plants kundi pati na rin sa industrial setups at transportation networks, kung saan mahalaga ang pagkontrol ng inrush currents para sa reliable energization ng medium at high voltage transformers.

Inrush Current sa Medium Voltage Transformers

Ang magnitude ng inrush current sa panahon ng energization ng transformer ay lubhang naiimpluwensyahan ng residual flux sa loob ng core ng transformer; mas mataas na antas ng residual flux ay maaaring magresulta sa mas malaking inrush currents sa random energization. Mahalagang mitigating strategies ang kinakailangan upang iwasan ang mga operational disturbances at tiyakin ang grid stability.

Sa pamamagitan ng pag-implement ng advanced controlled switching techniques, maaari ring mabawasan o alisin ang mga inrush currents. Ang mga paraang ito hindi lamang sumusunod sa system reliability kundi pati na rin nagpapahaba ng buhay ng equipment, binabawasan ang maintenance costs, at nagpapabuti ng overall efficiency sa medium voltage distribution grids. Ang pag-adopt ng mga teknolohiyang ito ay nagsisilbing isang mahalagang pag-unlad sa pag-adapt sa umuunlad na mga demand ng modern electrical distribution networks.

Ugnayan ng Residual Flux at Transformer Inrush Current

Ang field data na nakolekta sa panahon ng commissioning ng Controlled Switching Devices (CSDs) sa circuit breakers at switchgear na may simultaneous pole operation ay napatunayan ang ugnayan ng residual flux at transformer inrush current. Ang paggamit ng CSDs karaniwang nagresulta sa 3:1 na pagbawas ng inrush current kumpara sa random energization, na lubhang nagsisilbing mitigating potential disturbances.

Mga Paraan ng Pagbabawas ng Inrush Current sa Gang Operated Circuit Breaker

Ang sumusunod na paliwanag ay nagpapakita ng konsepto ng controlled switching para sa pagbabawas ng inrush current na inilapat sa power transformers:

Kapag ang demagnetized power transformer na phase R ay enerjize sa zero crossing ng voltage (tulad ng ipinapakita sa kaliwa sa Figure 1), ito ay pinipilit ang core ng transformer na mapuno sa saturation, na nagdaragdag ng 2 per-unit (p.u.) ng flux sa core. Ang kondisyong ito maaaring magresulta sa significant inrush currents dahil sa core saturation.

Gayunpaman, kapag ang transformer ay enerjize sa positive voltage crest, ang initial positive quarter cycle ay nagdaragdag lamang ng 1 p.u. ng flux sa core. Habang ang voltage ay lumilipat sa negative half-cycle, ito ay nagsisimula na bawasan ang flux sa loob ng core. Dahil ang transformer ay hindi umabot sa saturation limit nito sa ilalim ng mga kondisyong ito, ang core saturation ay iniiwasan, kaya walang inrush current.

Ang scenario na ito ay tumutugon sa steady-state energization ng transformer, kung saan ang core flux ay lagging ang voltage ng 90 degrees. Sa pamamagitan ng maingat na pagpili ng oras ng energization upang magtugma sa optimal points sa voltage waveform, ang risk ng inrush currents ay mininimized, tiyak na mas makinis at mas stable ang operasyon ng transformer.

Sa kabuuan, ang mga controlled switching techniques ay gumagamit ng precise timing upang mabawasan ang inrush currents nang epektibo. Sa pamamagitan ng pag-iwas sa core saturation sa pamamagitan ng strategic energization points sa voltage cycle, ang mga paraang ito ay tiyak na nagpapahusay ng reliable transformer performance, nagpapataas ng grid stability, at nagbabawas ng operational disturbances. Ang approach na ito ay nagsisilbing isang mahalagang pag-unlad sa teknolohiya ng medium voltage switchgear, nagbibigay ng substantial benefits para sa mga bagong installation at upgrades ng existing systems.

Ang sitwasyon ay naging mas komplikado kapag ginamit ang 3-phase switch na may simultaneous pole operation. Sa katunayan, ang pagpili ng oras ng energization na minimizes ang inrush current sa isang phase ay maaaring makasira sa iba pang dalawang phases. Ito ay ipinapakita sa Figure 2, kung saan ang pagbabawas ng inrush current para sa phase R ng isang demagnetized transformer (kaliwa) ay nakakasama sa phases Y at B (kanan).

Sa pamamagitan ng pag-optimize ng oras ng energization para sa isang phase upang mabawasan ang inrush current nito, ang kondisyon para sa iba pang dalawang phases ay maaaring makapagbigay ng mas malaking inrush currents, na nagpapakita ng pangangailangan para sa balanced approach sa multi-phase systems.

Tulad ng ipinaliwanag, ang residual flux pattern sa power transformer ay ang resulta ng kanyang previous de-energization.

Kapag ang transformer ay re-energize, ang dynamic flux na induksyon ng applied voltage ay idinadagdag o ibinabawas mula sa residual flux depende sa polarity ng applied voltage. Ayon sa mga prinsipyong controlled switching, ang optimal energization moment para sa power transformer phase ay nangyayari kapag ang induced prospective flux ay tumutugma sa existing residual flux (Figure 3, kaliwa). Halimbawa, sa presence ng positive residual flux, ang pag-apply ng negative voltage ay una namang babawasan ang core flux hanggang sa zero sa negative voltage peak at pagkatapos ay agad na umabot sa steady-state operation ng transformer nang hindi siya saturated.

Sa kabaligtaran (Figure 3, kanan), ang pag-energize ng phase sa positive zero crossing ng voltage ay idadagdag ng 2 p.u. ng positive flux sa core sa tulong ng existing 0.5 p.u. residual flux. Ito ay pumupuno sa core ng power transformer sa deep saturation, na nagreresulta sa excessive inrush current. Kaya, ang presence ng residual flux ay nagpapataas ng maximum inrush current kapag ang energization ng transformer ay hindi kontrolado.

Ang maingat na pagpili ng oras ng energization upang tumugma sa induced flux at residual flux ay maaaring mabawasan ang core saturation, kaya nagbabawas ng inrush currents at nagpapahusay ng smooth transformer operation. Ang strategy na ito hindi lamang nagpapahusay sa system reliability kundi pati na rin nagpapahaba ng buhay ng equipment at nagbabawas ng maintenance costs. Ang proper timing ng energization ay lalo na critical sa multi-phase systems upang balansehin ang performance sa lahat ng phases, tiyakin ang grid stability at efficiency.

Ang approach na ito ay nagpapakita ng kahalagahan ng pag-consider ng effect ng residual flux sa pag-disenyo at pag-implement ng controlled switching technologies para sa power transformers, na layuning makamit ang mas efficient at reliable power transmission networks.

Kapag may residual flux sa core ng transformer, ang sitwasyon sa gang-operated circuit breaker ay naging mas komplikado. Ang optimal energization instant ay kailangang isaalang-alang ang simultaneous operation ng lahat ng tatlong phases batay sa magnitude at polarity ng residual flux. Gayunpaman, para sa bawat posible na residual flux pattern, may palaging optimal energization instant na nagresulta sa minimal transformer saturation (Figure 4).

Sa sumusunod na halimbawa, ang residual flux pattern ay 0, -0.5, at +0.5 p.u. sa phases R, Y, at B, respectively. Ang pag-energize ng power transformer sa 90° (voltage crest ng phase R) ay nagresulta sa minimum saturation ng phases. Gayunpaman, ang pag-close ng blue phase (assuming phase B) sa positive zero crossing ng voltage (240°) ay magdudulot ng worst inrush current, na 6.5 times higher kaysa sa optimal switching instant na kalkulado ng Controlled Switching Device (CSD).

Ito ay nagpapakita ng kahalagahan ng accurate determination ng optimal energization moment para sa bawat specific residual flux condition upang mabawasan ang transformer saturation at inrush currents. Ang proper timing ay nagpapahusay ng smoother operation at nagpapataas ng reliability at efficiency ng power system.

Kapag hindi kontrolado ang energization ng power transformer, ang worst possible inrush current ay laging magpapakita sa phase na may pinakamataas na residual flux. Ang Controlled Switching Device (CSD) ay nagminimize ng energization inrush current sa pamamagitan ng pag-compute ng optimal pole-closing instant batay sa residual flux pattern. Bilang resulta, sa ilalim ng specific high residual flux conditions, maaaring mawala ang inrush current.

Ang Figure 5 ay nagpapakita ng theoretical relative inrush current sa panahon ng energization bilang function ng highest ng tatlong residual fluxes na iminumasure sa transformer (na may saturation knee sa 1.2 p.u.). Ang peak inrush current ay normalized sa maximum energization current ng demagnetized core. Kapag ang core residual flux ay mataas (sa horizontal axis), ang CSD ay nageliminate ng inrush current sa pamamagitan ng pag-iwas sa transformer na mabuo sa saturation (bottom area ng blue line). Sa kabaligtaran, ang pag-energize ng power transformer sa random moment ay maaaring mapuno sa full saturation (red line), na nagreresulta sa excessive inrush current at subsequent voltage dips sa grid. Ang diagram na ito ay nagpapakita ng effectiveness ng inrush current mitigation na ibinibigay ng CSD kumpara sa random o uncontrolled energization.