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Wenn ein inaktiver Transformator wieder eingeschaltet wird, tritt das Phänomen des Transformatoreinschaltstroms auf. Dieses kann zu verschiedenen Problemen führen.
Der Inrush Limiter T1 unterdrückt den Einschaltstrom durch Steuerung des Phasenwinkels, mit dem der Leistungsschalter schließt. Seit seiner Markteinführung wurde der Inrush-Limiter für seine Wirksamkeit bei der Begrenzung von Einschaltströmen gepriesen. Er wurde für zahlreiche Transformatoren in Stromabnahmestationen von Energieversorgungsunternehmen, Stromabnahmeeinrichtungen in Fabriken und Umspannwerken für Windkraftanlagen eingesetzt.
Der Einschaltstrom eines Dreiphasentransformators wird durch eine Fehlanpassung der Polaritäten und Absolutwerte des anfänglichen magnetischen Flusses verursacht, der durch Restströme in jedem Phasenkern vor dem Einschalten des Transformators und durch die Systemspannung unmittelbar nach dem Einschalten des Transformators verursacht wird. Dieser Einschaltstrom kann durch Begrenzung dieser Fehlanpassungen unterdrückt werden. Technisch gesehen besteht der Schlüssel zur Unterdrückung des Einschaltstromstoßes darin, die Polarität und den absoluten Wert der Restströme in jedem Phasenkern genau zu ermitteln, wenn der Transformator über den Leistungsschalter abgeschaltet wird.
Der Reststromwert, der beim Abschalten des Transformators auftritt, ist nicht der unmittelbare magnetische Fluss, der beim Auslösen des Leistungsschalters entsteht. Der Reststrom ist der Endwert des magnetischen Transientenflusses, der unmittelbar nach der Abschaltung auftritt. Der Inrush-Limiter integriert die Transformatorspannung (VT-Ausgangsspannung) über die Zeit, um den tatsächlichen Restfluss digital zu berechnen und zu erfassen. Im Detail verwendet er die transiente Wellenform der magnetischen Flüsse in den Kernen nach dem Abschalten des Transformators und den Wert, bei dem diese Flüsse konvergieren. Wenn der Transformator das nächste Mal eingeschaltet wird, wird die Phasenanschnittsteuerung auf das Timing des Leistungsschalters angewendet, um den Einschaltstrom effektiv zu unterdrücken.
Das Phänomen des Einschaltstroms ist ein vorübergehendes Ereignis, das auftritt, wenn ein stillstehender Transformator wieder eingeschaltet wird. Der transiente Effekt zeigt sich in Form von riesigen unsymmetrischen, scharfkantigen Wellenformen über die drei Phasen, die um ein Vielfaches größer sind als der Nennstrom, und 20 % Spannungsabfall, der eine halbe bis mehrere Sekunden dauern kann. Dies kann in Umspannwerken, die für viele verschiedene Anwendungen genutzt werden, zu verschiedenen Ausfällen auf der Lastseite in der Nähe des Transformators führen. Kodensyas Inrush-Limiter unterdrückt effektiv das Einschaltphänomen, das beim Betätigen des Leistungsschalters für Transformatoren in verschiedenen Anwendungen auftritt.
Dezentrale Stromerzeugungssysteme (Windkraft, Solarenergie, kleine Wasserkraftwerke) sind in der Regel an Übertragungs- und Verteilungsleitungen mit geringer Leistung (über große Entfernungen und mit hoher Impedanz) angeschlossen, bei denen die mit dem Einschaltstromphänomen verbundenen Spannungsabfälle ein ernstes Problem darstellen. Der Inrush-Begrenzer spielt in diesen Verteilerstationen eine wichtige Rolle.
Der Inrush-Limiter verhindert effektiv Spannungsabfälle bei allen Verbrauchern, die von speziellen Hochspannungsnetzen und Stromverteilungssystemen versorgt werden.
Der Einschaltstrombegrenzer verhindert Ausfälle bei Leistungsverbrauchern und deren Steuerungssystemen, bei denen eine stabile Spannung und ein stabiler Strom erforderlich sind.
Anwendungen und Ergebnisse der Feldvalidierung
Es handelt sich um das Umspannwerk eines Stromversorgungsunternehmens auf einer abgelegenen Insel. Das niedrige Spannungspotenzial des Systems gab Anlass zur Sorge über Spannungseinbrüche aufgrund des Einschaltstroms des Stromabnahmetransformators. Um dies zu verhindern, wurde der Einschaltstrombegrenzer T1 installiert. Abbildung 3-2 zeigt gemessene Wellenformen, die während der Validierungstests vor Ort aufgezeichnet wurden, des Einschaltstroms und des Spannungsabfalls mit und ohne Einschaltstrombegrenzer.
| Spezifikationen des Transformators | Tr.1: 10MVA 22kV/6kV |
|---|---|
| Tr.2: 6MVA 22kV/6kV |
Nach wiederholten Prüfvorgängen beim Einschalten und Ausschalten ohne den Inrush-Limiter zeigte sich ein Einschaltstrom von 411 A und ein Spannungsabfall von 14,8 %. Mit dem Einschaltstrombegrenzer wurde der Einschaltstrom auf 91 A unterdrückt und der Spannungsabfall auf 1,9 % begrenzt.
Ein großer Chemieproduzent betreibt einen Elektro-Ofen und das zugehörige Umspannwerk für die Stromversorgung. Das Umspannwerk besteht aus mehreren Reihen von Stromabnahmetransformatoren. Als ein Transformator in einer der Reihen eingeschaltet wurde, kam es in den anderen Reihen (die mit der Primärseite des Stromnetzes verbunden sind) zu einem erheblichen Spannungsabfall. Der Einschaltstrombegrenzer T1 wurde installiert, um diesen Spannungsabfall und die dadurch verursachten Störungen in der Produktion zu vermeiden. Abbildung 3-4 zeigt gemessene Wellenformen des Einschaltstroms und des Spannungsabfalls mit und ohne Einschaltstrombegrenzer, die während der Feldvalidierungstests aufgezeichnet wurden.
| Spezifikationen des Transformators | 22MVA 44kV/11kV |
|---|
Nach wiederholten Öffnungs- und Schließtests ohne den Inrush-Limiter zeigte sich ein Einschaltstrom von 1.514 A und ein Spannungsabfall von 7,1 %. Mit dem Inrush-Limiter wurde der Einschaltstrom auf 83 A unterdrückt und der Spannungsabfall auf 0,2 % gehalten. Dieser Hersteller verwendete viele Jahre lang einen Leistungsschalter mit einem Widerstand zur Unterdrückung von Einschaltströmen in seiner 66-kV-Stromabnahmestation. (Der 66-kV-Serienwiderstand wird mit einem zusätzlichen Leistungsschalter verwendet, um den Einschaltstrom zu begrenzen, wenn der Schalter geschlossen ist). Der Inrush-Limiter hat diese Widerstände überflüssig gemacht, so dass sie jetzt entfernt werden.
Bei Untersuchungen in einem Umspannwerk für eine Windkraftanlage wurden Spannungsabfälle von 20 % festgestellt, wenn der Transformator angeschlossen war. Es war notwendig, diese auf 5 % zu unterdrücken. Der Inrush-Limiter erreichte weniger als 3%. (Jede der folgenden Gegenmaßnahmen zur Erreichung von 5 % oder weniger wurde überflüssig):
Abbildung 3-6 zeigt gemessene Wellenformen des Einschaltstroms und des Spannungsabfalls mit und ohne Einschaltstrombegrenzer, die während der Feldvalidierungstests aufgezeichnet wurden.
| Spezifikationen des Transformators | 30MVA 33kV/66kV |
|---|
Nach wiederholten Öffnungs- und Schließtests ohne den Inrush-Limiter zeigte sich ein Einschaltstrom von 839 A und ein Spannungsabfall von 19,5 %. Mit dem Einschaltstrombegrenzer wurde der Einschaltstrom auf 164 A unterdrückt und der Spannungsabfall auf 1,5 % begrenzt.
Wenn der Transformator durch manuelle Betätigung vom Netz getrennt wird, bleiben die dreiphasigen Kerne magnetisiert, so dass der Restfluss φa,φb,φc in seinem ursprünglichen Zustand verbleibt. Wenn der Transformator das nächste Mal zum Phasenzeitpunkt θcl wieder eingeschaltet wird, fügt die Initialladung der Spannung auf der Seite des Stromnetzes den Kernen einen anfänglichen magnetischen Fluss φa(tcl),φb(tcl),φc(tcl) hinzu. Wenn der Restfluss φa,φb,φc und der anfängliche magnetische Fluss φa(tcl),φb(tcl),φc(tcl), der beim Wiedereinschalten des Transformators auftritt, die gleiche Polarität und eine kleine skalare Differenz zwischen den einzelnen Phasen aufweisen, kann das Einschaltphänomen unterdrückt werden. Wenn jedoch die Polarität auf einer der Phasen unterschiedlich ist und die Skalendifferenz groß ist, übersteigt der transiente Fluss in den Kernen den Sättigungswert und erzeugt einen enormen Einschaltstromstoß. Daher ist die Ermittlung des korrekten Skalarwerts, einschließlich der Polarität des nach dem Abschalten des Transformators in jedem Kern verbleibenden Flusses, der Schlüssel zur Entwicklung eines Regelalgorithmus, der den Einschaltstrom unterdrücken kann. Die Polarität und Größe dieses Restflusses φa,φb,φc unterscheidet sich im Übrigen erheblich von dem Fluss φa(top0),φb(top0),φc(top0), der in den Kernen verbleibt, wenn der Transformator zum Zeitpunkt top0 abgeschaltet wird. Der Grund dafür wird im Folgenden erläutert.
Die obige Abbildung zeigt eine repräsentative Phase des Transformator-Tr-Stromkreises, die im unbelasteten Zustand (bei ausgeschaltetem Leistungsschalter Br2) unter Spannung gesetzt werden soll. Die Leitung von der Niederspannungsseite der Transformatorspule verfügt über eine Schleifenschaltung, die auf schwimmenden Kondensatoren und Stoßdämpfern basiert. Dies bedeutet, dass unmittelbar nach dem Ausschalten des Leistungsschalters Br1 auf der Hochspannungsseite eine kurze transiente Spannung, ein transienter Strom und ein transienter magnetischer Fluss auftreten. Die Spannungen va(t),vb(t),vc(t) und die Ströme ia(t),ib(t),ic(t) nehmen ab und verschwinden schließlich mit dem Abklingen des Einschwingvorgangs top1. Der magnetische Fluss φa(t),φb(t),φc(t) in den Kernen (der das Integral der Spannung ist) erfährt eine transiente Änderung, die es dem Endwert bei top1 ermöglicht, zu einem konstanten Wert φa(top1),φb(top1),φc(top1) zu konvergieren. Dieser Konvergenzwert ist der wahre Restfluss im Kern. Beachten Sie, dass der Stromkreis vor und nach dem Abschalten des Transformators auf allen drei Phasen ausgeglichen ist. Wenn der Leistungsschalter Br1 den Transformator mit einem extrem kleinen Einschaltstrom auslöst, werden alle drei Phasen zum gleichen Zeitpunkt top0 ausgelöst (es gibt keine Zeitverzögerung zwischen den Phasen wie bei der Nulldurchgangsauslösung). Dies bedeutet, dass der Restfluss im Kern über die drei Phasen ausgeglichen ist.
Die obige Abbildung zeigt das transiente Phänomen, das vom Inrush-Limiter aufgezeichnet wurde, nachdem der Transformator abgeschaltet wurde. Bei dieser Installation handelt es sich um einen Leistungstransformator (220/110kVA, 250MVA, Y-Δ, 60Hz) in einem Umspannwerk eines Stromversorgungsunternehmens. Das obere Diagramm zeigt die transienten Wellenformen der Spannung (gemessene sekundäre Spannungswandlerspannung) und des magnetischen Flusses (erzeugt durch Berechnung des Integrals der Spannung). Das untere Diagramm ist eine visuelle Darstellung der Wellenformen von Spannung und magnetischem Fluss durch einen rotierenden Phaser. Der Spannungs-Phaser schwächt sich bei der Rotation ab und löst sich schließlich auf, wenn das Einschwingphänomen bei Top1 abklingt. Der magnetische Fluss schrumpft ebenfalls während der Rotation und konvergiert zu einem Restfluss mit einem bestimmten Wert, während er über die drei Phasen bei top1 ausgeglichen bleibt. In jeder Phase haben die Polarität und der Absolutwert des Restflusses einen völlig anderen skalaren Wert als der magnetische Fluss in dem Moment, in dem der Leistungsschalter top0 ausgeschaltet wird. Der Einschaltstrombegrenzer berechnet und erfasst die Restflüsse in jeder Phase in einem nahezu ausgeglichenen Zustand. φa(θop1),φb(θop1),φc(θop1). Wenn der Transformator wieder eingeschaltet wird, wird die Phase, bei der der Leistungsschalter schließt, so gesteuert, dass der Phasenzeitpunkt θcl ungefähr mit der Phase θop1 des Restflusses übereinstimmt. (Einzelheiten zu diesem Algorithmus finden Sie in unserem patentierten Verfahren).
Zahlreiche Felddaten aus vielen verschiedenen Umspannwerken belegen, wie effektiv der Inrush-Limiter das Einschaltstromphänomen unterdrückt. Siehe Anwendungen für typische Anwendungen. Obwohl die grundlegende Theorie des Regelalgorithmus des Inrush-Limiters praxiserprobt ist, hat Kodensya umfangreiche Tests mit einem simulierten Stromübertragungssystem (220 Volt) durchgeführt, um die Regelungsmethode zu validieren (siehe unten).
Bei dem simulierten Stromübertragungstest wurde der Transformator wiederholt zum Phasenzeitpunkt θop0 abgeschaltet. Jedes Mal wurde die Spannungswellenform (tatsächliche Messungen) jeder Phase in der Einschwingphase aufgezeichnet und zur Berechnung und Aufzeichnung der Wellenform des magnetischen Flusses (erzeugt durch Integration) und eines rotierenden Phasers der Größe und des Phasenwinkels θop1 des dreiphasigen Restflusses am Ende der Einschwingphase verwendet. Der Spitzeneinschaltstrom (θop1,θcl,I) beim Phasenwinkel θcl, bei dem der Leistungsschalter geschlossen wurde, um den Transformator wieder mit Strom zu versorgen, wurde ebenfalls aufgezeichnet. Abbildung 2-3 zeigt eine gekrümmte 3-D-Oberflächenzeichnung der gemessenen Ergebnisse (θop1,θcl,I) aus wiederholten Öffnungs- und Einschalttests.
Abbildung 2-4 zeigt die gleichen Testergebnisse und den Bereich, der vom maximalen und minimalen Einschaltstrom abgedeckt wird, als Koordinaten (θop1,θcl). Diese Abbildung zeigt mit großer Genauigkeit, dass der Einschaltstrom I extrem niedrig ist, wenn θop1 und θcl in etwa die gleiche Phase haben, und dass der Einschaltstrom I seinen Höchstwert erreicht, wenn θop1 und θcl in einer um 180 Grad entgegengesetzten Phase sind. Abbildung 2-5 zeigt die Wellenform des Einschaltspitzenstroms, der aufgezeichnet wurde, als der Leistungsschalter bei entgegengesetzten Phasen geschlossen wurde. Abbildung 2-6 zeigt, wie praktisch der gesamte Einschaltstrom durch Einschalten des Leistungsschalters bei optimalem Phasenwinkel eliminiert wird (gemäß dem Algorithmus des Einschaltstrombegrenzers).
Der Einschaltstrombegrenzer berechnet und erfasst unmittelbar nach dem Abschalten des Transformators den tatsächlichen Restfluss in seinem zerfallenen Zustand am Ende des Einschwingvorgangs als gleichseitiges Dreieck im Leerlauf mit dem Phasenwinkel θop1. Der Leistungsschalter wird so gesteuert, dass der Transformator wieder eingeschaltet wird, wenn der Phasenwinkel θcl so nahe wie möglich an θop1 liegt. Abbildung 2-7 erläutert diesen Steuerungsalgorithmus. Das kleine Dreieck in der Abbildung zeigt den Phaser für den Restfluss an. Die Phase mit dem kleinsten Skalarwert (Phase a in der Abbildung) wird als Referenzphase gewählt. Der Skalarwert der Referenzphase a im anfänglichen Magnetfluss (das große Dreieck in der Abbildung) entspricht dem Skalarwert des Restflusses (wird ∆Φa=0) bei jedem Zyklus mit zwei Phasenwinkeln (Abbildungen 2-7 und 2-8). In Abbildung 2-7 stimmen die Polaritäten des Restflusses und des anfänglichen magnetischen Flusses der Phase b überein, und ∆Φb ist ausreichend klein. Dies gilt auch für die Phase c. Auf diese Weise findet und verwendet der Algorithmus des Inrush-Limiters den optimalen Phasenwinkel, bei dem der Leistungsschalter geschlossen wird. Abbildung 2-8 zeigt den anderen Zeitpunkt, bei dem ∆Φa=0 ist. In diesem Fall würde ein extrem großer Einschaltstrom auftreten, weil die Polaritäten des Restflusses und des anfänglichen magnetischen Flusses für die Phasen b und c fast genau entgegengesetzte Phasen sind und ∆Φb, ∆Φc extrem groß sind. Die Polaritäten der Flüsse für die Phasen b und c in den beiden Abbildungen 2-7 und 2-8 sind leicht zu erkennen und ermöglichen es, den in Abbildung 2-7 dargestellten optimalen Phasenwinkel zu erreichen.
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Der Inrush Limiter T1 unterdrückt den Einschaltstrom, indem er den Phasenwinkel steuert, bei dem der Leistungsschalter schließt.
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