Зниження стрибкоподібного струму трансформатора середнього напруги за допомогою керованого комутаційного пристрою

Керовані комутаційні пристрої в середньому напруговому діапазоні

Більше три десятиліття тому керовані комутаційні пристрої (CSD) були вперше введено для зменшення перехідних процесів, спричинених високонапруговими вимикачами, під’єднаними до паралельних реакторів та конденсаторних банок. Наступні дослідження розширили їх застосування на лінії передачі електроенергії та силові трансформатори. Спочатку ці пристрої оптимізували моменти комутації для кожного фази окремо, використовуючи незалежно управлювані полюси вимикача (IPO).

Нещодавно, стрімкий приріст глобального попиту на енергію сприяв інтеграції джерел відновлюваної енергії в розподільні мережі середнього напруги, а не лише в системи передачі високої напруги (HV). Ця зміна обумовила необхідність вирішення проблем зі зниженням напруги, що виникають через неконтрольовані потоки при підключенні трансформаторів.

Середньонапругова комутаційна апаратура зазвичай працює з одночасним управлінням трьох полюсів, що контрастує з незалежним управлінням у високонапругових застосуваннях. Це потребувало значних підходжень у технології CSD для ефективного управління потоками при підключенні трансформаторів за допомогою стандартних вимикачів з одночасним управлінням полюсів. Сьогодні ця інновація широко використовується не тільки в встановленнях відновлюваної енергії, таких як вітропарки та сонячні електростанції, але й в промислових установах та транспортних мережах, де контроль потоків важливий для надійного підключення як середньонапругових, так і високонапругових трансформаторів.

Потік при підключенні середньонапругових трансформаторів

Масштаб потоку при підключенні трансформатора значною мірою визначається залишковим магнітним потоком в ядрі трансформатора; більші рівні залишкового магнітного потоку можуть призводити до більших потоків при випадковому підключенні. Ефективні методи зменшення є необхідними для уникнення оперативних збоїв та забезпечення стабільності мережі.

Впровадження передових методів керованої комутації дозволяє зменшити або усунути ці потоки. Ці методи не тільки підвищують надійність системи, але й продовжують термін служби обладнання, зменшують витрати на обслуговування та покращують загальну ефективність розподільних мереж середнього напругу. Прийняття таких технологій означає ключовий прогрес у адаптації до змінюючихся потреб сучасних електричних розподільних мереж.

Зв'язок між залишковим магнітним потоком та потоком при підключенні трансформатора

Дані, зібрані під час введення в експлуатацію керованих комутаційних пристроїв (CSD) на вимикачах та комутаційній апаратурі з одночасним управлінням полюсів, підтвердили зв'язок між залишковим магнітним потоком та потоком при підключенні трансформатора. Використання CSD зазвичай призводить до зменшення потоку у 3 рази по порівнянню з випадковим підключенням, значно зменшуючи потенційні збої.

Методи зменшення потоку при підключенні за допомогою вимикачів з одночасним управлінням полюсів

Нижче пояснюється концепція керованої комутації для зменшення потоку при підключенні, застосована до силових трансформаторів:

Коли фаза R демагнітованого силового трансформатора підключається в момент нульового переходу напруги (як показано на лівому малюнку на рис. 1), це глибоко сатурує ядро трансформатора, вводячи додаткові 2 одиниці магнітного потоку в ядро. Ця умова може призвести до значних потоків через насичення ядра.

Однак, коли трансформатор підключається в момент позитивного піку напруги, цей початковий позитивний четвертий цикл додає лише 1 одиницю магнітного потоку в ядро. Коли напруга потім переходить до свого негативного півциклу, вона починає зменшувати магнітний потік в ядрі. Оскільки трансформатор не досягає свого межі насичення в цих умовах, насичення ядра уникнуто, що запобігає появи потоку при підключенні.

Цей сценарій відповідає стаціонарному підключенню трансформатора, коли магнітний потік в ядрі відстає від напруги на 90 градусів. Точне визначення моменту підключення для збігу з оптимальними точками напругової хвилі мінімізує ризик потоку при підключенні, забезпечуючи плавнішу та стабільнішу роботу трансформатора.

На завершення, методи керованої комутації використовують точне визначення моменту для ефективного зменшення потоку при підключенні. Уникнення насичення ядра через стратегічні точки підключення в напруговому циклі забезпечує надійну роботу трансформатора, підвищує стабільність мережі та зменшує операційні збої. Цей підхід представляє собою ключовий прогрес у технології комутаційної апаратури середнього напругу, надаючи значні переваги як для нових встановлень, так і для модернізації існуючих систем.

Ситуація стає більш складною при використанні 3-фазного вимикача з одночасним управлінням полюсів. Насправді, вибір моменту підключення, який мінімізує потік при підключенні однієї фази, може бути шкідливим для двох інших фаз. Це проілюстровано на рис. 2, де зменшення потоку при підключенні фази R демагнітованого трансформатора (зліва) негативно впливає на фази Y і B (справа).

Оптимізація моменту підключення для однієї фази для зменшення її потоку при підключенні може непрямим чином призводити до збільшення потоку при підключенні для двох інших фаз, що підкреслює необхідність балансованого підходу в багатофазних системах.

Як пояснено раніше, модель залишкового магнітного потоку в силовому трансформаторі є результатом його попереднього відключення.

При повторному підключенні трансформатора динамічний магнітний потік, викликаний прикладеною напругою, додається або віднімається від залишкового магнітного потоку в залежності від полярності прикладеної напруги. Згідно з принципами керованої комутації, оптимальний момент підключення фази силового трансформатора настає, коли індукований потенційний магнітний потік відповідає існуючому залишковому магнітному потоку (рис. 3, зліва). Наприклад, при наявності позитивного залишкового магнітного потоку, застосування негативної напруги спочатку зменшує магнітний потік в ядрі до нуля на піку негативної напруги, а потім негайно досягає стаціонарного режиму роботи трансформатора без насичення його ядра.

Навпаки (рис. 3, справа), підключення фази в момент позитивного нульового переходу напруги додає 2 одиниці позитивного магнітного потоку в ядро на додаток до існуючого 0,5 одиниці залишкового магнітного потоку. Це глибоко насичує ядро силового трансформатора, що призводить до надмірного потоку при підключенні. Тому, наявність залишкового магнітного потоку збільшує максимальний потік при підключенні, коли підключення трансформатора не кероване.

Точне вибір моменту підключення для збігу індукованого магнітного потоку з залишковим магнітним потоком може ефективно запобігти насиченню ядра, що зменшує поток при підключенні та забезпечує плавну роботу трансформатора. Цей підхід не тільки підвищує надійність системи, але й продовжує термін служби обладнання та зменшує витрати на обслуговування. Правильне визначення моменту підключення особливо важливе в багатофазних системах для балансування продуктивності між фазами, забезпечуючи стабільність та ефективність мережі.

Цей підхід підкреслює важливість врахування впливу залишкового магнітного потоку при проектуванні та впровадженні технологій керованої комутації для силових трансформаторів, з метою досягнення більш ефективних та надійних мереж передачі електроенергії.

Коли в ядрі трансформатора є залишковий магнітний потік, ситуація з вимикачем з одночасним управлінням всіх трьох фаз стає ще більш складною. Оптимальний момент підключення повинен враховувати одночасну роботу всіх трьох фаз відповідно до величини та полярності залишкового магнітного потоку. Однак, для кожного можливого рисунка залишкового магнітного потоку завжди існує оптимальний момент підключення, що призводить до мінімального насичення фаз (рис. 4).

У наступному прикладі, модель залишкового магнітного потоку становить 0, -0,5 та +0,5 одиниці в фазах R, Y та B відповідно. Підключення силового трансформатора на 90° (пік напруги фази R) призводить до мінімального насичення фаз. Однак, закриття синій фази (припустимо, фаза B) в момент позитивного нульового переходу напруги (240°) призведе до найгіршого потоку при підключенні, який буде у 6,5 разів вищий, ніж оптимальний момент комутації, обчислений керованим комутаційним пристроєм (CSD).

Це підкреслює важливість точного визначення оптимального моменту підключення для кожного конкретного стану залишкового магнітного потоку, щоб мінімізувати насичення трансформатора та поток при підключенні. Правильне визначення моменту забезпечує плавнішу роботу та підвищує надійність та ефективність електроенергетичної системи.

При невідконтрольованому підключенні силового трансформатора, найгірший можливий потік при підключенні завжди з’явиться на фазі з найвищим залишковим магнітним потоком. Керований комутаційний пристрій (CSD) мінімізує потік при підключенні, обчислюючи оптимальний момент закриття полюсів на основі моделі залишкового магнітного потоку. Як наслідок, при певних умовах високого залишкового магнітного потоку, потік при підключенні може бути повністю усунутий.

Рис. 5 ілюструє теоретичний відносний потік при підключенні в залежності від найвищого з трьох залишкових магнітних потоків, виміряних в трансформаторі (з колінком насичення на 1,2 одиниці). Пік потоку при підключенні нормалізований до максимальної току підключення демагнітованого ядра. Коли залишковий магнітний потік в ядрі високий (на горизонтальній осі), CSD усуває потік при підключенні, запобігаючи трансформатору входити в насичення (нижня область синьої лінії). Навпаки, підключення силового трансформатора в довільний момент може привести до повного насичення трансформатора (червона лінія), що призводить до надмірного потоку при підключенні та наступного зниження напруги в мережі. Цей графік таким чином демонструє ефективність зменшення потоку при підключенні, наданого CSD, по порівнянню з довільним або невідконтрольованим підключенням.