تکنیک‌های نوین برای کاهش جریان هجومی ترانسفورماتور با استفاده از نرم‌افزار EMTP
محورهای موضوعی :
امیر قائدی
1
*
,
رضا صداقتی
2
,
مهرداد محمودیان
3
1 - گروه برق، واحد داریون، دانشگاه آزاد اسلامی، داریون، ایران.
2 - گروه برق، واحد بیضا، دانشگاه آزاد اسلامی، بیضا، ایران.
3 - گروه مهندسی برق و الکترونیک، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران.
کلید واژه: جریان هجومی, ترانسفورماتور, مشخصه مغناطیسی, زمان برق‌دار شدن, شار باقیمانده.,
چکیده مقاله :
جریان هجومی در ترانسفورماتور، جریانی با دامنه بالا و غیر سینوسی است که در سیکل‌های اولیه پس از برق‌دار شدن ترانسفورماتور رخ می‌دهد. این جریان ممکن است باعث بروز مشکلاتی در سیستم قدرت مانند افت ولتاژ، تلفات حرارتی، کاهش کیفیت توان و عملکرد نادرست رله‌های حفاظتی شود. برای جلوگیری از عملکرد نادرست سیستم حفاظتی، محتوای هارمونیکی این جریان برای تشخیص آن از جریان‌های خطا تحلیل می‌گردد. با این حال، تکنیک‌هایی که دامنه جریان هجومی ترانسفورماتور را کاهش می‌دهند، می‌توانند از اثرات مخرب این جریان جلوگیری کنند. به این منظور، در این مقاله مطالعه‌ای جامع بر روی تکنیک‌های نوینی که می‌توانند برای کاهش جریان هجومی ترانسفورماتور استفاده شوند، انجام شده است. ضمن تحقق این هدف، مواد مغناطیسی مختلف مورد استفاده در ساخت هسته ترانسفورماتور در نظر گرفته شده و بر اساس مشخصه مغناطیسی مربوطه، دامنه و محتوای هارمونیکی جریان هجومی تولید شده با استفاده از نرم‌افزار EMTP-RV ارزیابی می‌شود. به منظور انتخاب ماده مغناطیسی مناسب برای هسته ترانسفورماتور، مقایسه‌ای بین این مواد مغناطیسی انجام می‌شود. علاوه بر این، سایر تکنیک‌های مورد استفاده برای کاهش جریان هجومی ترانسفورماتور از جمله زمان برق‌دار شدن ترانسفورماتور، شار باقیمانده و بارگذاری ترانسفورماتور بررسی شده و تأثیر آنها بر جریان هجومی ترانسفورماتور با استفاده از نرم‌افزار EMTP-RV مدل می‌گردد.
Transformer inrush current is a high-amplitude, non-sinusoidal transient that occurs during initial energization, leading to voltage dips, power quality degradation, and relay misoperations. Unlike fault currents, inrush currents can be identified through harmonic analysis. Mitigating their amplitude is critical to avoiding these disruptions. This paper investigates novel inrush current mitigation techniques, with a focus on core magnetic materials. By evaluating their magnetic properties, we simulate the amplitude and harmonic composition of inrush current using EMTP-RV software. A comparative analysis identifies the most effective material for suppression. Additionally, alternative mitigation methods such as controlled energization timing, residual flux regulation, and transformer pre-loading are assessed. Their impact on inrush current is modeled in EMTP-RV, offering insights into optimal suppression strategies. The study aims to improve transformer reliability and power system stability by minimizing the adverse effects of inrush current.
- مطالعه کامل بر روی روشهای موثر مورد استفاده برای کاهش جریان هجومی ترانسفورماتور.
- مقایسه مواد مغناطیسی مختلف مورد استفاده به عنوان هسته ترانسفورماتور از نظر مقدار جریان هجومی، تلفات هسته و هزینه.
- بررسی تاثیر تکنیک های معرفی شده بر کاهش جریان هجومی با انجام مطالعات در نرم افزار EMTP-RV.
[1] L. -C. Wu, C. -W. Liu, S. -E. Chien, and C. -S. Chen, "The Effect of Inrush Current on Transformer Protection," 38th North American Power Symposium, Carbondale, IL, USA, 2006, pp. 449-456, doi: 10.1109/NAPS.2006.359611.
[2] S. G. Abdulsalam and W. Xu, “Analytical study of transformer inrush current transients and its applications,” The International Conference on Power Systems Transients (IPST’05), Montreal, Canada, 2005, pp. 1-5.
[3] M. Gong, R. Zhang, H. Linyuan, W. Jingyu, and N. Wu, “A Method for Identification of Transformer Inrush Current Based on Box Dimension,” Mathematical Problems in Engineering, pp. 1-6, 2017, doi: 10.1155/2017/2095896.
[4] Y. Cui, S. Abdlsalam, S. Chen and W. Xu, “A sequential phase energization technique for transformer inrush current reduction-Part I: Simulation and experimental results,” IEEE Transactions on power delivery, vol. 21, no. 2, pp. 943-949, 2005, doi: 10.1109/PES.2004.1372857.
[5] W. Xu, S. G. Abdulsalam, Yu Cui, and Xian Liu, "A sequential phase energization technique for transformer inrush current reduction - Part II: theoretical analysis and design guide," in IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 20, no. 2, pp. 950-957, April 2005, doi: 10.1109/TPWRD.2004.843465.
[6] E. Cardelli, F. Antonio, and T. Francesco, “Prediction and control of transformer inrush currents,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 51, no. 3, pp. 1-4, 2015, doi: 10.1109/TMAG.2014.2342795.
[7] J. Faiz and S. Saffar, “Inrush current modeling in a single-phase transformer,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 46, no. 2, pp. 578-581, 2010, doi: 10.1109/TMAG.2009.2032929.
[8] B. Kovan, F. Leon, D. Czarkowski, Z. Zabar, and L. Birenbaum, “ Mitigation of inrush currents in network transformers by reducing the residual flux with an ultra-low-frequency power source,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 26, no. 3, pp. 1563-1570, 2011, doi: 10.1109/TPWRD.2010.2102778.
[9] J. Ma, Z. Wang, and Y. Liu, “Identifying transformer inrush current based on normalized grille curve,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 26, no. 2, pp. 588-595, 2011, doi: 10.1109/TPWRD.2010.2101087.
[10] B. He, Z. Xuesong, and Q.B. Zhiqian, “A new method to identify inrush current based on error estimation,” IEEE Transactions on power delivery, vol. 21, no. 3, pp. 1163-1168, 2006, doi: 10.1109/TPWRD.2005.861337.
[11] R. Rahnavard, M. Valizadeh, A .A. B. Sharifian, and S. H. Hosseini, “Analytical analysis of transformer inrush current and some new techniques for its reduction,” Proc. of Int. Conference on Power Systems and Transients, 2005.
[12] Y. Mahmoudian, S. Sanati, A. Allameh, and A. R. Baghaei, "The Effect of Sympathetic Inrush Current on the Protection Maloperation in the Capacitor Feeder at Shahroud 63kV Substation," 15th International Conference on Protection and Automation of Power Systems (IPAPS), Shiraz, Iran, 2020, pp. 80-83, doi: 10.1109/IPAPS52181.2020.9375609.
[13] M. A. Taghikhani, A. Sheikholeslami, and Z. Taghikhani, “Harmonic modeling of inrush current in core type power transformers using Hartley transform,” Iranian Journal of Electrical and Electronic Engineering, vol. 11, no. 2, pp. 174-183, 2015, doi: 10.22068/IJEEE.11.2.174.
[14] A. Alassi, K. Ahmed, A. Egea-Alvarez, and C. Foote, "Soft Transformer Energization: Ramping Time Estimation Method for Inrush Current Mitigation," 56th International Universities Power Engineering Conference (UPEC), Middlesbrough, United Kingdom, 2021, pp. 1-6, doi: 10.1109/UPEC50034.2021.9548203.
[15] Y. Pan, X. Yin, Z. Zhang, B. Liu, M. Wang, and X. Yin, “Three-phase transformer inrush current reduction strategy based on prefluxing and controlled switching,” IEEE Access, vol. 9, pp. 38961-38978, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3062143.
[16] A. Moradi and S. M. Madani, “Technique for inrush current modelling of power transformers based on core saturation analysis,” IET Generation, Transmission & Distribution, vol. 12, no. 10, pp. 2317-2324, 2018, doi: 10.1049/iet-gtd.2017.1272.
[17] A. A. Nazari, F. Razavi, and A. Fakharian, "A novel method to differentiate internal faults and inrush current in power transformers using adaptive sampling and Hilbert transform," Iranian Electric Industry Journal of Quality and Productivity, vol. 11, no. 1, pp. 97-110, 2022.
[18] S. Bagheri, F. Safari, and N. Shahbazi, "Detection and Classification of Cross-Country Faults, Internal and External Electrical Faults and Inrush Current in Power Transformers Using Maximum Overlap Discrete Wavelet Transform," Journal of Nonlinear Systems in Electrical Engineering, vol. 8, no. 2, pp. 117-137, 2022.
[19] A. Yahiou, H. Mellah, and A. Bayadi, "Inrush Current Reduction by a Point-on-wave Energization Strategy and Sequential Phase Shifting in Three-Phase Transformer," International Journal of Engineering, vol. 35, no. 12, pp. 2321-2328, 2022, doi: 10.5829/IJE.2022.35.12C.07.
[20] S.- A. Hosseini et al., "Proposing a New Approach to Generate the Differential Trajectory of the Differential Relays Using COMTRADE Files," Sustainability, vol. 14, no. 21, p. 13953, 2022, doi: 10.3390/su142113953.
[21] S. K. Gunda and V. S. S. S. S. Dhanikond, "Discrimination of Transformer Inrush Currents and Internal Fault Currents Using Extended Kalman Filter Algorithm (EKF)," Energies, vol. 14, no. 19, pp. 1-20, doi: 10.3390/en14196020.
[22] L. Wang et al.,"Simulation study on transformer inrush current and its suppression." Journal of Physics: Conference Series, vol. 2029, no. 1, 2021, doi: 10.1088/1742-6596/2029/1/012010.
[23] J. Mitra, X. Xu, and M. Benidris, "Reduction of Three-Phase Transformer Inrush Currents Using Controlled Switching," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 56, no. 1, pp. 890-897, Jan.-Feb. 2020, doi: 10.1109/TIA.2019.2955627.
[24] G. de J Martínez-Figueroa, F. Córcoles-López, and S. Bogarra, "FPGA-Based Smart Sensor to Detect Current Transformer Saturation during Inrush Current Measurement," Sensors, vol. 23, no. 2, 2023, doi: 10.3390/s23020744.
[25] M. Changizian and A. Shoulaie, "Research on Effective Parameters on Overvoltage and Inrush Current During Starting-up of VSC-HVDC System," Electromechanical Energy Conversion Systems, vol. 1, no. 2, pp. 29-40, 2021, doi: 10.30503/eecs.2019.110965.
[26] C.W.T. McLyman, Transformer and inductor design handbook. CRC press, 2017.
[27] H. L. Chan, K. W. E. Cheng, T. K. Cheung, and C. K. Cheung, "Study on Magnetic Materials Used in Power Transformer and Inductor," 2nd International Conference on Power Electronics Systems and Applications, Hong Kong, China, 2006, pp. 165-169, doi: 10.1109/PESA.2006.343091.
[28] R. Hilzinger and R. Werner, Magnetic materials: fundamentals, products, properties, applications. Vacuumschmelze, 2013.
[29] A.G. EPCOS, Ferrites and accessories-SIFERRIT material N87,Data Sheet. September 2006.
[30] Handbook, Ferroxcube Data, “Soft Ferrites and Accessories,” 2009.