Трансформатор за вентилация на тунели: Специфициране на единици за пътни тунели и подземен транспорт

Отказът на оборудването в пътен тунел почти никога не започва от осветителната верига. Той започва от вентилаторите. Инженер по пускане в експлоатация ни описа последователността с прости думи: първата група струйни вентилатори стартира без проблеми, втората група също работи добре, но когато се включи третата група, напрежението в 480 V шината спада, преобразувателят се изключва поради недостатъчно напрежение и вентилацията преминава в аварийно състояние, преди дори да започне тестът с дим. трансформатор за вентилация на тунели беше размерен въз основа на списък с натоварвания. Никой не беше моделирал процеса на стартиране.

Това е неловкото нещо относно захранването на тунели. През повечето време товарът е умерен — няколко стотици киловата осветление, няколко вентилатора, няколко помпи. За няколко секунди, няколко пъти на ден, обаче той изобщо не е умерен. А същото устройство, което издържа стартирането на двигател, трябва също така да функционира при Хармоници от честотни преобразуватели задвижванията за вентилация и да продължи да работи, докато пожар гори на няколко метра разстояние.

 

Какъв е действителният товар в подстанцията на един тунел

Тунелът представлява малка промишлена инсталация, протегната по протежение на километър бетон. Вентилацията доминира над електрическия товар, но не е единственият товар, а различните товари се държат напълно различно. Утвърждаването на едно-единствено число в кВА, без да се разделят отделните товари, е мястото, където се раждат повечето грешки в техническите спецификации.

Товар	Типичен диапазон	Долг	Какво означава това за размерите
Струйни вентилатори (осеви, с външно задвижване)	22–250 kW	Ступенчато стартиране/спиране, стотици цикли годишно	Ток при заключено роторно положение и спад на напрежението в НН мрежата
Вентилатор за тунелна вентилация	200–1 000 kW	Непрекъснат, обратим за извеждане на дим	Най-големият отделен двигател; обикновено определя минималната мощност
Приводи и контролни системи за димозащитни клапани	под 10 kW	Само за аварийни случаи, задържа позицията си	Малка натовареност, но споделя същия табло и UPS верига
LED осветление за тунели и аварийно осветление	30–350 kW	Непрекъснат, 100 % работно време	Богат на хармоници; повишава тока в неутралния проводник
Отводнителни сепараторни помпи	15–110 kW	Прекъсващ режим, влажна среда	Пускане срещу водна колона; риск от проникване на влага
Вентилация и дехумидификатори за подстанции	10–60 kW	Непрекъснат	Повишава температурата на околния въздух, в който е монтиран трансформаторът
SCADA, CCTV, информационни табели	под 20 kW	Непрекъснат	Изискване за непрекъснато функциониране по време на пожар

Ръководството за проектиране вече ги третира като отделни дисциплини. Ръководството на FHWA за проектиране на тунели под пътища (https://www.fhwa.dot.gov/publications/focus/05nov/03.cfm) посвещава отделни раздели на вентилацията, осветлението, мерките срещу пожари и сейсмичното проектиране — но всички те водят до един график на натоварване, а обикновено един трансформатор трябва да поеме резултата.

 

Стартирането на електродвигателите определя минималното натоварване, а не работното натоварване

Работното натоварване е лесното число. Добавете вентилаторите, осветлението и помпите, приложете коефициент на разнообразие и един 1500 kVA агрегат изглежда щедър спрямо тунел с 900 kVA. След това погледнете стартирането.

Стандартният асинхронен двигател с конструкция NEMA тип B консумира при директно включване при пълна натовареност приблизително шест пъти по-голям ток. Например двигател за струйна вентилация с мощност 250 kW и напрежение 480 V има ток при пълна натовареност около 300 A, така че токът при заключено роторно положение е приблизително 1800 A и се запазва на това ниво в продължение на две до четири секунди – времето, необходимо на вентилатора да достигне работната си скорост. Ако втора група двигатели бъде стартирана половин секунда по-късно, трансформаторът ще поеме товар, който никога повече няма да се появи при нормална експлоатация. Именно тази стойност определя номиналните данни на табелката.

Дали стартирането е допустимо, зависи от два параметъра: процентното съпротивление на трансформатора и съпротивлението на захранващия кабел. Трансформатор с процентно съпротивление 5,75 % ограничава аварийния ток удобно, но предизвиква по-дълбоко падане на напрежението в клемите на двигателя. Трансформатор с 4 % съпротивление намалява това падане и увеличава прогнозирания ток при късо съединение, който трябва да бъде поет от номиналния ток на нисковолтовия прекъсвач и от механичната устойчивост на шините. При 700-метров захранващ кабел, водещ към вентилационна станция в средата на тунела, съпротивлението на кабела може да предизвика по-голямо падане на напрежението, отколкото самият трансформатор.

Практически опит: изчисляваме пусковия ток преди котировката за тунел да напусне фабриката, а когато клиентът изпрати само списък на натоварванията, ние му задаваме един въпрос — какъв е най-големият двигател, по какъв начин се пуска и колко е дълъг кабелът до него? Само този отговор е променил указаната мощност при повече тунелни проекти, отколкото всеки друг ред в графика.

 

Хармониците от честотните преобразуватели променят работния режим на трансформатора за вентилация на тунели

Почти всеки нов струен вентилатор се задвижва от честотен преобразувател, тъй като вентилаторът, който работи на 30 % от номиналната скорост през часовете с ниско натоварване, се окупява единствено чрез спестената енергия. Преобразувателят също променя това, което трансформаторът вижда на вторичните си терминали.

Шестимпулсният двигател консумира несинусоидален ток с общо хармонично изкривяване, което обикновено е в диапазона от 25 % до 45 % на входа. Според стандарта IEEE 519 максималното допустимо напрежение с хармонично изкривяване е 5 % за шина с напрежение под 69 kV, а ограниченията за хармонично изкривяване на тока се затегат при намаляване на наличния ток при късо съединение. Тунелите се намират в неудобния край на тази крива: дълги фидери, сравнително слаби източници и няколко двигателя, захранвани от една вторична шина.

Последицата е, че трансформаторът, захранващ двигателите за вентилация в тунели, не може да се специфицира само по kVA. Хармоничният ток добавя загуби от вихрови токове и разпръснати загуби, които повишават температурата в най-горещата точка на намотките над тази, която би се получила при синусоидална натовареност със същата пълна мощност. Затова трансформатор от отливана смола за проект на тунел често се поръчва с рейтинг K-фактор, увеличен неутрален проводник или делта-намотка, която „улавя“ трети хармоници, както и клас на температурна устойчивост на намотките, който осигурява резерв над проектната натовареност.

Нашето правило на практиката за табла с двигатели за тунели, където Хармоници от честотни преобразуватели доминиране: вземете капацитета на свързания двигател, добавете маржа за хармонични загуби и посочете класа на повишаване на температурата на намотките с една стъпка по-висок от минимално зададеното изискване. Допълнителната цена се включва в оферта. Стоимостта на грешката се проявява в седмата година.

 

 

Пожарната безопасност определя технологията, а не цената

Попитайте защо почти всяка подземна трансформаторна станция в тунел използва сухи трансформатори – отговорът не е ефективността, а пожарната безопасност. NFPA 502 (https://www.nfpa.org/codes-and-standards/nfpa-502-standard-development/502) определя изискванията за пожарна защита и пожарна безопасност на живота за пътни тунели, мостове и други магистрали с ограничен достъп и разглежда вентилацията като критична функция за безопасност на живота, която трябва да продължи да работи дори при горене.

Това изискване директно се отразява и върху трансформатора. Трансформатор с маслено охлаждане, поставен в границите на тунела, води със себе си запалима течност, резервоар за задържане на течности, отделна камера и допълнително пожарно разделяне, затова повечето проектиращи специалисти избягват споровете и изискват трансформатор от отливана смола вътре в шахтата или в съседна стая. Стандартите за продукти са недвусмислени относно изискванията, които такава единица трябва да изпълнява: IEEE C57.12.01 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.01/6775/) охватва общи изисквания за сухи разпределителни и силови трансформатори, а IEC 60076-11 охватва сухи силови трансформатори до 36 kV.

Един детайл се пропуска по-често от всеки друг: трансформаторът е толкова добър, колкото е фидерът. Където е задължително аварийната вентилационна верига да запази цялостта си по време на пожар, кабелът и свързващите елементи трябва да издържат същите условия. Самозагасващ трансформатор с лит смола, свързан с обикновен кабел, е често срещано и скъпо несъответствие.

 

Тунелната среда влияе незабелязано върху оборудването

Въздухът в тунела е влажен, прашен и леко корозивен. Относителната влажност над 85 % е обичайна във вентилационния канал, прахът от спирачките и гумите се отлага по всяка хоризонтална повърхност, а при тунел край брега към сместа се добавят хлориди. Температурата на околния въздух в канала може да достигне 40–45 °C през лятото, измерена там, където всъщност е разположен трансформаторът, а не при входа.

Намотките със смолно покритие се справят по-добре с това в сравнение с намотките на сух тип с увита изолация, защото при трансформатор от отливана смола литията уплътнява намотката срещу проникване на влага. Спецификацията все пак трябва да отговаря на околната среда: нагреватели за предотвратяване на кондензация, клемна кутия с IP класификация и проектна температура на околния въздух, взета от канала, а не от регионалния средногодишен климат.

Височината също има значение. На 1500 м трансформаторът губи почти 9 % от плътността на въздуха, който е необходим за конвективно охлаждане; затова един агрегат, който изпълнява изискванията при изпитването си за повишаване на температурата на нивото на морето, не е автоматично приемлив за монтаж по планински маршрути. Помолете доставчика да посочи намаляването на мощността, приложимо за околната температура и надморската височина на вашата площадка, и да представи изчислението — а не обобщена крива. Това е същата проверка, която ние прилагаме за всеки трансформатор за вентилация на тунели цитираме.

 

Какво питаме преди да направим оферта

Пет елемента определят номинала, цената и срока за доставка при поръчка на трансформатор за тунел. Ако те са ясно посочени в заявката, обикновено първата оферта е напълно коректна:

• Разписание на натоварването, като най-големият двигател е подчертан. Съобщете ни метода му за стартиране и дължината на кабела от разпределителната подстанция. Всичко останало следва от този един параметър.
• Тип и брой на задвижванията. Шестимпулсен, дванадесетимпулсен или активен входен каскаден преобразувател, плюс наличният ток при късо съединение в нисконапрежението разпределително табло — това определя резерва за хармоници.
• Условия на обекта. Проектиране на околна среда, надморска височина, влажност и сейсмична категория, приложими за трасето.
• Стратегия за борба с пожарите. Оборудване в тунелния корпус, в отделна подстанция или отдалечено — отговорът определя дали трансформаторът е сух тип или с течност.
• Сертифициране и целево ниво на ефективност. Изпитателни доклади по стандарти UL, CSA или IEC и изискваното ниво на ефективност за страната на дестинация.

Ryan Electric произвежда сухи и маслени трансформатори за инфраструктурни и промишлени проекти в Северна Америка, Близкия изток и Югоизточна Азия. Нашата фабрика в Цзянсу заема площ от 120 000 м² и е оборудвана с повече от 180 комплекта производствено и изпитателно оборудване; сертифициращият ни портфолио включва UL, CSA, IEEE, DEKRA и CNAS. От 2023 г. действаме като партньор в съвместно предприятие с Eaton, което означава, че нашите изпитателни и качествени документи се подлагат на външен одитен процес, а не на самодекларация. Поръчката за тунел се третира по същия начин като поръчката за център за обработка на данни: данните от рутинните изпитания, записите за повишаване на температурата и сертификационните файлове се доставят заедно с единицата.

 

Изпратете график на натоварването, а не само кВА

Числото, което определя трансформатор за вентилация на тунели рядко е първото число в списъка с натоварване. Изпратете на нашите инженери графика на натоварването, най-големия двигател, типа задвижване и условията на обекта, и ще получите обратно оценка, маржа за хармоници и изчисление за намаляване на мощността, които можете да защитите по време на преглед на проекта, вместо табелка, избрана по правило на палеца.

За автора: Тази статия е написана от инженерния екип на Ryan Electric, производител на трансформатори в Цзянсу, Китай, и партньор в съвместно предприятие с Eaton от 2023 г., който доставя сухи и маслени трансформатори, сертифицирани според стандарти UL, CSA и IEC, за проекти в тунели, метрополитени, центрове за обработка на данни и енергийни системи в Северна Америка, Близкия изток и Югоизточна Азия.