Giảm dòng điện xung kích của biến áp trung thế bằng thiết bị chuyển mạch điều khiển

Thiết bị chuyển mạch được kiểm soát trong dải điện áp trung bình

Hơn ba thập kỷ trước, Thiết bị chuyển mạch được kiểm soát (CSDs) lần đầu tiên được giới thiệu để giảm thiểu các biến đổi đột ngột do việc đóng cắt của các thiết bị cắt dòng điện cao áp kết nối với các tụ bù và cuộn cảm. Nghiên cứu tiếp theo đã mở rộng ứng dụng của chúng cho các đường dây truyền tải và máy biến áp. Ban đầu, những thiết bị này tối ưu hóa thời điểm chuyển mạch trên cơ sở từng pha sử dụng các thiết bị cắt dòng điện hoạt động độc lập (IPO).

Gần đây, sự gia tăng nhu cầu năng lượng toàn cầu đã thúc đẩy việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo vào lưới phân phối điện áp trung bình thay vì chỉ dựa vào hệ thống truyền tải điện áp cao (HV). Sự thay đổi này đòi hỏi phải giải quyết vấn đề sụt áp do dòng điện khởi động không được kiểm soát khi kích hoạt máy biến áp.

Thiết bị chuyển mạch điện áp trung bình thường hoạt động đồng thời với ba cực, trái ngược với việc hoạt động độc lập trong các ứng dụng HV. Điều này yêu cầu có những tiến bộ đáng kể về công nghệ CSD để quản lý hiệu quả dòng điện khởi động khi kích hoạt máy biến áp bằng cách sử dụng các công tắc tiêu chuẩn với hoạt động đồng thời của các cực. Ngày nay, sáng kiến này được sử dụng rộng rãi không chỉ trong các hệ thống năng lượng tái tạo như các trang trại gió và nhà máy điện mặt trời quang điện, mà còn trong các hệ thống công nghiệp và mạng giao thông, nơi kiểm soát dòng điện khởi động là cần thiết để đảm bảo kích hoạt đáng tin cậy cả máy biến áp điện áp trung bình và cao.

Dòng điện khởi động trong máy biến áp điện áp trung bình

Mức độ của dòng điện khởi động khi kích hoạt máy biến áp chịu ảnh hưởng đáng kể bởi từ thông dư trong lõi máy biến áp; mức từ thông dư cao hơn có thể dẫn đến dòng điện khởi động lớn hơn khi kích hoạt ngẫu nhiên. Các chiến lược giảm thiểu hiệu quả là cần thiết để tránh các sự cố vận hành và đảm bảo sự ổn định của lưới điện.

Bằng cách thực hiện các kỹ thuật chuyển mạch được kiểm soát tiên tiến, có thể giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn các dòng điện khởi động này. Những phương pháp này không chỉ nâng cao độ tin cậy của hệ thống mà còn kéo dài tuổi thọ thiết bị, giảm chi phí bảo dưỡng và cải thiện hiệu suất tổng thể của lưới phân phối điện áp trung bình. Việc áp dụng các công nghệ như vậy đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc thích ứng với nhu cầu ngày càng tăng của các mạng phân phối điện hiện đại.

Mối quan hệ giữa từ thông dư và dòng điện khởi động của máy biến áp

Dữ liệu thực tế thu thập được trong quá trình đưa vào sử dụng các Thiết bị chuyển mạch được kiểm soát (CSDs) trên các thiết bị cắt dòng điện và thiết bị chuyển mạch với hoạt động đồng thời của các cực đã xác nhận mối quan hệ giữa từ thông dư và dòng điện khởi động của máy biến áp. Sử dụng CSDs thường dẫn đến giảm 3:1 dòng điện khởi động so với việc kích hoạt ngẫu nhiên, giảm đáng kể các sự cố tiềm ẩn.

Phương pháp giảm thiểu dòng điện khởi động với thiết bị cắt dòng điện hoạt động đồng thời

Giải thích sau đây minh họa khái niệm chuyển mạch được kiểm soát để giảm dòng điện khởi động áp dụng cho máy biến áp:

Khi pha R của máy biến áp đã được demagnetized được kích hoạt tại điểm qua zero của điện áp (như được hiển thị bên trái trong Hình 1), nó ép lõi máy biến áp sâu vào trạng thái bão hòa, đưa thêm 2 đơn vị per-unit (p.u.) từ thông vào lõi. Điều kiện này có thể dẫn đến dòng điện khởi động đáng kể do lõi bão hòa.

Tuy nhiên, khi máy biến áp được kích hoạt tại đỉnh điện áp dương, chu kỳ quý đầu tiên này chỉ thêm 1 p.u. từ thông vào lõi. Khi điện áp chuyển sang nửa chu kỳ âm, nó bắt đầu giảm từ thông trong lõi. Do máy biến áp không đạt đến giới hạn bão hòa dưới điều kiện này, việc bão hòa lõi được tránh, do đó ngăn chặn dòng điện khởi động xảy ra.

Trường hợp này tương ứng với việc kích hoạt ổn định của máy biến áp, nơi từ thông lõi lag điện áp 90 độ. Bằng cách lựa chọn cẩn thận thời điểm kích hoạt để trùng khớp với các điểm tối ưu trong sóng điện áp, rủi ro của dòng điện khởi động được giảm thiểu, đảm bảo hoạt động mượt mà và ổn định hơn của máy biến áp.

Tóm lại, các kỹ thuật chuyển mạch được kiểm soát tận dụng thời gian chính xác để giảm hiệu quả dòng điện khởi động. Bằng cách tránh bão hòa lõi thông qua các điểm kích hoạt chiến lược trong chu kỳ điện áp, các phương pháp này đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy của máy biến áp, nâng cao sự ổn định của lưới điện và giảm các sự cố vận hành. Cách tiếp cận này đại diện cho một bước tiến quan trọng trong công nghệ thiết bị chuyển mạch điện áp trung bình, mang lại lợi ích đáng kể cho cả các hệ thống mới và nâng cấp các hệ thống hiện có.

Tình hình trở nên phức tạp hơn khi sử dụng công tắc 3 pha với hoạt động đồng thời của các cực. Thực tế, việc chọn thời điểm kích hoạt nhằm giảm thiểu dòng điện khởi động trên một pha có thể gây hại cho hai pha còn lại. Điều này được minh họa trong Hình 2, nơi giảm dòng điện khởi động cho pha R của máy biến áp đã được demagnetized (bên trái) có tác động bất lợi đến pha Y và B (bên phải).

Bằng cách tối ưu hóa thời điểm kích hoạt cho một pha để giảm dòng điện khởi động, điều kiện cho hai pha còn lại có thể vô tình dẫn đến tăng dòng điện khởi động, nhấn mạnh nhu cầu tiếp cận cân bằng trong các hệ thống đa pha.

Như đã giải thích trước đó, mô hình từ thông dư trong máy biến áp là kết quả của việc tắt nguồn trước đó.

Khi máy biến áp được kích hoạt lại, từ thông động do điện áp áp dụng được cộng hoặc trừ từ từ thông dư tùy thuộc vào cực tính của điện áp áp dụng. Theo nguyên tắc chuyển mạch được kiểm soát, thời điểm kích hoạt tối ưu cho một pha máy biến áp xảy ra khi từ thông tiềm năng được tạo ra phù hợp với từ thông dư hiện có (Hình 3, bên trái). Ví dụ, trong trường hợp có từ thông dư dương, áp dụng điện áp âm sẽ giảm từ thông lõi xuống zero tại đỉnh điện áp âm và sau đó ngay lập tức đạt trạng thái hoạt động ổn định của máy biến áp mà không làm bão hòa lõi.

Ngược lại (Hình 3, bên phải), kích hoạt pha tại điểm qua zero dương của điện áp sẽ thêm 2 p.u. từ thông dương vào lõi trên nền tảng từ thông dư 0.5 p.u. hiện có. Điều này đẩy lõi máy biến áp vào trạng thái bão hòa sâu, dẫn đến dòng điện khởi động quá mức. Do đó, sự tồn tại của từ thông dư làm tăng dòng điện khởi động tối đa khi kích hoạt máy biến áp không được kiểm soát.

Lựa chọn chính xác thời điểm kích hoạt để phù hợp từ thông tiềm năng với từ thông dư có thể ngăn chặn hiệu quả bão hòa lõi, do đó giảm dòng điện khởi động và đảm bảo hoạt động mượt mà của máy biến áp. Chiến lược này không chỉ nâng cao độ tin cậy của hệ thống mà còn kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí bảo dưỡng. Thời điểm kích hoạt chính xác đặc biệt quan trọng trong các hệ thống đa pha để cân bằng hiệu suất giữa các pha, đảm bảo sự ổn định và hiệu quả của lưới điện.

Cách tiếp cận này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xem xét tác động của từ thông dư khi thiết kế và triển khai công nghệ chuyển mạch được kiểm soát cho máy biến áp, nhằm đạt được mạng lưới truyền tải điện hiệu quả và đáng tin cậy hơn.

Khi có từ thông dư trong lõi máy biến áp, tình huống với công tắc hoạt động đồng thời trở nên phức tạp hơn. Thời điểm kích hoạt tối ưu phải xem xét hoạt động đồng thời của tất cả ba pha theo độ lớn và cực tính của từ thông dư. Tuy nhiên, cho mỗi mô hình từ thông dư có thể, luôn có một thời điểm kích hoạt tối ưu dẫn đến bão hòa máy biến áp tối thiểu (Hình 4).

Trong ví dụ sau, mô hình từ thông dư là 0, -0.5, và +0.5 p.u. ở các pha R, Y, và B, tương ứng. Kích hoạt máy biến áp tại 90° (đỉnh điện áp của pha R) dẫn đến bão hòa tối thiểu của các pha. Tuy nhiên, đóng pha màu xanh (giả sử pha B) tại điểm qua zero dương của điện áp (240°) sẽ gây ra dòng điện khởi động tồi tệ nhất, cao gấp 6.5 lần thời điểm chuyển mạch tối ưu được tính toán bởi Thiết bị chuyển mạch được kiểm soát (CSD).

Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xác định chính xác thời điểm kích hoạt tối ưu cho mỗi điều kiện từ thông dư cụ thể để giảm thiểu bão hòa máy biến áp và dòng điện khởi động. Thời gian chính xác đảm bảo hoạt động mượt mà và nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống điện.

Khi không kiểm soát việc kích hoạt máy biến áp, dòng điện khởi động tồi tệ nhất luôn xuất hiện trên pha có từ thông dư cao nhất. Thiết bị chuyển mạch được kiểm soát (CSD) giảm thiểu dòng điện khởi động bằng cách tính toán thời điểm đóng cực tối ưu dựa trên mô hình từ thông dư. Do đó, trong các điều kiện từ thông dư cao cụ thể, dòng điện khởi động có thể được loại bỏ hoàn toàn.

Hình 5 minh họa dòng điện khởi động tương đối lý thuyết trong quá trình kích hoạt theo hàm của từ thông dư cao nhất trong số ba từ thông dư được đo trong máy biến áp (với điểm gập saturation tại 1.2 p.u.). Dòng điện khởi động tối đa được chuẩn hóa theo dòng điện kích hoạt tối đa của lõi đã được demagnetized. Khi từ thông dư lõi cao (trên trục hoành), CSD loại bỏ dòng điện khởi động bằng cách ngăn máy biến áp khỏi trạng thái bão hòa (khu vực dưới đường màu xanh). Ngược lại, kích hoạt máy biến áp ngẫu nhiên có thể đẩy máy biến áp vào trạng thái bão hòa hoàn toàn (đường màu đỏ), dẫn đến dòng điện khởi động quá mức và sụt áp trên lưới. Biểu đồ này do đó minh họa hiệu quả giảm thiểu dòng điện khởi động của CSD so với kích hoạt ngẫu nhiên hoặc không kiểm soát.