Трансформатори за водочистителни станции: Изчисляване на мощността при пускане на помпи, хармоници от честотни преобразуватели и корозивен въздух

Защо една водочистителна станция е тежка за трансформатора

Въздуховите компресори за аерация в една станция, която цитирахме миналата година, работеха нормално в продължение на девет месеца, след което започнаха да прекъсват един и същи прекъсвач всеки следобед. Компресорите не бяха проблемът. Нито пък инверторът. трансформатор за водочистителна станция беше поръчан според текущата товарна мощност на станцията — 1250 кВА за помпи и компресори — без допускане за хармоничния ток, който инверторите щяха да върнат към него, и без допускане за повторно стартиране с три двигателя по 250 к.с. върху една и съща шина.

Водните и канализационните станции са сред най-непрощаващите места по света за монтиране на трансформатор. Натоварването е циклично, задвижвано от индукционни двигатели, половината от които са зад честотни преобразуватели, а въздухът е влажен, хлориран или наситен с водороден сулфид. Ако се допусне грешка по който и да е от тези три аспекта, това се проявява като нежелано изключване, прегряващ намотък или ръждясал корпус, който не издържа инспекцията през втората година.

 

Характеристики на натоварването, които определят kVA-номинала

Три характеристики на режима на работа определят спецификацията и те действат в различни посоки.

• Профилът на натоварването е бимодален. Една очистна станция не е фабрика, която работи с постоянно технологично натоварване. Тя работи с базово натоварване през нощта, след това достига пиков режим през деня и отново стартира помпите след дъждовно събитие, когато притокът се удвоява. Трансформаторите, размерени според годишния среден показател, ще бъдат натоварени значително над средното ниво в голяма част от годината.
• Почти всичко е двигател. Помпи, вентилатори, смесители, скребци за утайка, решетки с пръти. Двигателите при стартиране потребяват ток при заключено роторно положение, а трансформаторът изпитва спада на напрежението, който се съпровожда с това — което обектът усеща като мек старт, трептене на контактора или рестартиране на ПЛК.
• Половината от натоварването е нелинейно. Вентилаторите за аерация, първичните помпи и дозирането на химикали работят чрез преобразователи на честотата. Когато обект, проектиран за работа с постоянна скорост, се модернизира за управление чрез ЧЗП — което представлява по-голямата част от модернизационните проекти, които предложихме — размерът на трансформатора остава същият, докато хармоничният ток нараства.

Добавете хлор, влага и водороден сулфид в помещението за оборудване и трансформаторът с общо предназначение престава да е очевидният избор. По-долу изброяваме това, което проверяваме, преди да определим кВА стойност за проект, свързан с водоснабдяване или отпадни води, и това важи както за трансформаторен блок на стойка външни единици, така и за сухи типове единици в помещението за главния разпределителен щит.

 

Оразмеряване за стартиране на помпи: Правилото „шест до седем пъти“

Започването на двигателя определя кВА далеч по-често, отколкото непрекъснатата натовареност. Асинхронният двигател с късо съединена клетка консумира приблизително шест до седем пъти тока си при пълна натовареност, докато роторът е заключен , а единственото нещо между този ток и напрежението в инсталацията е импедансът на трансформатора и горната мрежа. Инсталацията изпитва резултата директно: светлината намалява, преобразователите се изключват поради недостатъчно напрежение, а последователността за рестарт се блокира.

Работното правило в северноамериканската практика е да се проектира така, че спадът на напрежението по време на стартиране на най-големия двигател да не надвишава 10 до 15 процента в клемите на двигателя. Тази стойност е проектна конвенция, която се повтаря в насоките на консултанти и електроснабдителни компании, а не единно стандартизирано изискване, и това е цифрата, която посочваме в заявката за оферта (RFQ). Предоставете ни графиката на двигателите — мощност в конски сили, буквен код, буква на конструкцията според NEMA, метод на стартиране — и импедансът на трансформатора се определя от ограничението за спад на напрежението, а не от каталожна страница.

Две практически точки определят дали преходното изследване съответства на инсталацията, която всъщност ще бъде построена.

• Начинът на стартиране променя отговора. Стартирането при пълно напрежение на вентилатор с мощност 300 hp може да изключи стандартен трансформатор с импеданс 5,75 % за малка инсталация; софтуерен стартер или двигател с ограничение на тока често позволяват използването на същия трансформатор. Начинът на стартиране трябва да бъде посочен в техническия паспорт на трансформатора, а не само в графиката на електродвигателите.
• Генераторът е част от изчислението. Когато резервен генератор осигурява захранване на инсталацията при загуба на мрежово напрежение, ефективният импеданс на източника рязко нараства и вентилатор, който стартира без проблеми от мрежата, може да предизвика спиране на генератора. Инсталациите, които трябва да функционират с пълна производителност по време на прекъсване на захранването, трябва да се проектират така, че и двете машини да отговарят на еднакви условия за стартиране.

Ако вашата инсталация все още е в процес на проектиране и графикът на електродвигателите все още се коригира, изпратете ни текущия списък с конските сили и комбинацията от едновременни старти в най-неблагоприятния случай. Нашият инженерен екип ще извърши проверка за падане на напрежението за две или три стъпки по kVA, които отговарят на изискванията, така че трансформаторът да бъде поръчан въз основа на същите предположения като вашето изследване на преходните процеси.

 

Натоварвания от честотни преобразуватели и хармоници от честотни преобразуватели: откъде идва допълнителното топлинно натоварване

Шестимпулсният преобразувател черпи ток в кратки импулси, а не като синусоида, а този ток съдържа хармонични компоненти, за които трансформаторът никога не е бил проектиран. Загубите, които те предизвикват, не са пропорционални на основния ток, който заместват. Разсеяният магнитен поток от хармоничното съдържание загрява намотките, якорните скоби, стените на резервоара и неутралния проводник; при трансформатор, който вече работи при 80 % от номиналната си мощност, резултатът се проявява първоначално като повишена температура на горната част на маслото, а след това – като термично изключване.

Съществуват три начина да определите решение за този проблем, но те не са еднакво ефективни.

• Намалете номиналната мощност на стандартна единица. Грубият инструмент: избор на трансформатор с мощност, надвишаваща необходимата за задвижване с 15 до 25 процента, и приемане на допълнителните загуби при празен ход през целия експлоатационен живот на инсталацията. Този подход функционира и често е най-евтиният първоначален разход.
• Поискайте единица, проектирана за работа в условията на хармоници. Конструкция с класификация K или за работа с преобразователи използва магнитно ядро и намотки, проектирани да поемат допълнителните загуби от вихрови токове и разпръснати загуби, като неутралната жила е размерена за триплетни хармоници при наличие на еднофазни натоварвания. Поискайте писмено указание за основата за натоварване, тъй като класификация K, цитирана без посочен коефициент K и профил на натоварване, е просто етикет, а не проектиране.
• Елиминирайте хармониците на входа. Линейни реактори, пасивни филтри или активни филтри намаляват нивото на хармониците, достигащи трансформатора, и представляват правилното решение, когато инсталацията трябва да докладва нивото на изкривяване в точката на обща връзка. Стандартът IEEE Std 519-2022 е референтният документ, който ще приложи електроснабдителят ви, а практическата цел, която повечето северноамерикански електроснабдители налагат, е ограничението от 5 % общо напрежение на изкривяване, установено от стандарта за системи до 69 kV.

Независимо от избраната маршрутизация, стойността на коефициента на изкривяване трябва да бъде включена в техническата спецификация. A Хармоници от честотни преобразуватели член, който гласи „съответствие с IEEE 519“ и нищо друго, оставя доставчика на трансформаторите в недоумение дали той ще закупи допълнителна мед или вие ще закупите филтър.

 

Корозивен въздух: H2S, хлор и решението за корпуса

Помещението за оборудване в очистна станция за отпадъчни води е агресивна среда, която е лесно да се подцени. Сградите за предварителна обработка, мокрите кладенци и зоните за ферментация съдържат сероводород, който напада медта, среброто и лепилото по управляващите кабели дори при концентрации, които никой не може да усети по мирис. Помещенията за хлориране и за хипохлорит добавят втори път за корозия. Прибавете почти наситена влажност и механизмът не е провал на защитното покритие — а провал на електрическите връзки след две-три години.

Три решения относно спецификацията носят най-голямата част от риска.

• Степен на защита на корпуса. За технологичните зони в среда с отпадъчни води минималното изискване за работа, посочено в ръководствата за електрическо проектиране на общини, е корпус според стандарт NEMA 4X — устойчив на корозия, а не само водонепроницаем — вместо корпус според стандарт NEMA 3R, който обикновено се използва за разпределителни трансформатори за открито използване. Това означава използване на неръждаема стомана или подходящо покрит корпус, врати с уплътнителни пръстени и корозионноустойчиви фурнитури, а не боядисан ламаринен корпус.
• Система за покритие. Излагането на крайбрежни и химически фактори обикновено се определя като категория на корозия според ISO 12944, а не чрез цвят на боя; C5-M е референтната категория за висококорозионна, морска употреба. При производството за тази категория покритието се документира чрез тест за излагане на солен разтвор върху нанесения слой покритие, а графикът на окончателната обработка е част от поръчката, а не стандартна фабрична настройка.
• Течност за запазване и достъп. При маслените трансформатори системата за запазване на маслото и уплътнението на резервоара определят дали влагата ще проникне в продължение на пет години, а разположението на вентила за вземане на проба определя дали техническият екип може да вземе проба, без да отваря корпуса. Попитайте къде се намира вентилът; ако отговорът е „вътре, зад вратата“, очаквайте пробата никога да не бъде взета.

Външно разположение за трансформаторен блок на стойка решава проблема с помещението, но не и проблема с корозията. Трансформаторът с наземно монтиране на станция за повишаване на налягането се намира в същата хлорирана и влажна атмосфера като помпите, които захранва, затова качеството на покритието на корпуса и на уплътнителните гуми има по-голямо значение от местоположението.

 

Резервни възможности и резервно захранване: въпросът за конфигурацията

Очистните станции обикновено са задължени да продължават работа и при прекъсване на електрозахранването от мрежата, а това изискване засяга както трансформаторната схема, така и генератора.

Обичайната конфигурация е двустранна с главен-свързващ-главен режим и нормално отворен свързващ прекъсвач: два трансформатора, две разпределителни табла и един свързващ прекъсвач. Всеки трансформатор захранва своята половина от инсталацията, а свързващият прекъсвач позволява на всеки от трансформаторите да поеме критичните натоварвания, ако другият е изваден от експлоатация. Компромисът е в импеданса. При паралелна работа или при затворен свързващ прекъсвач е необходимо импедансите да са еднакви и положенията на стъпките да съвпадат; в противен случай двете единици няма да разпределят натоварването по начина, предвиден в еднолинейната схема. Затова изискваме информация за диапазона на импеданса преди да предоставим оферта за двойка, а не след това.

Когато една трансформаторна станция захранва завода, резервният случай обикновено изглежда по следния начин: генератор при входа за електрозахранване, превключвател за прехвърляне и решение относно това кои натоварвания са разрешени да се стартират автоматично. Вентилаторите и двигателите са проблемът. Големите двигатели с продължително ускорение оказват по-малко натоварване върху генератора в сравнение с директен старт при пълно напрежение, а трансформатор, проектиран с ниско импеданс за случаите с електроснабдителната мрежа, може да влоши ситуацията при работа с генератор. И двата случая трябва да бъдат проверени спрямо един и същ график на двигатели.

 

Какво да включите в техническото задание

Елементите в техническото задание, които определят дали доставената единица отговаря на проектната цел:

Елемент на спецификацията	Какво да се посочи	Какви въпроси да зададете
График на двигатели	KVA при заключен ротор, кодова буква, NEMA буква на конструкцията, метод на стартиране	Поискайте ограничение за падане на напрежението: 10–15 % е общоприетата практика в Северна Америка
Едновременни стартове	Най-тежката комбинация, която заводът действително ще използва	Старт след дъждовно време — три вентилатора плюс помпа за утайка изискват различен трансформатор в сравнение с последователно стартиране на по една помпа
Натоварване от двигатели	Обща мощност на VFD в конски сили и дали се доставя филтър или реактор	По-точно посочете целевото ниво на изкривяване в точката на обща връзка; IEEE Std 519-2022 е стандартът, който вашата електроснабдителна компания ще използва
Честотна лента на импеданса	Процентен импеданс и допуснато отклонение, взети от преходното проучване	Необходимо за пусковия режим и, при двупосочна конфигурация, за разпределение на товара
Корпус и повърхностна обработка	NEMA 4X за технологични зони; корозионна категория според ISO 12944	Посочете категорията (например C5-M за морска употреба с висока корозионна устойчивост), а не описание на цвят на боя
Резервна конфигурация	Основен-свързващ-основен, с резерв от генератор или еднопосочна	Корпусът на генератора изисква различно съпротивление в сравнение с мрежовия корпус
Тестов диапазон	Рутинни изпитания на всяка единица; типови изпитания на конструкцията; частични разряди при сух тип	Попитайте кой стандарт за изпитания се използва и дали е включено наблюдение от акредитирана агенция

 

При изпитанията разделението заслужава да бъде посочено изрично. Рутинните изпитания се провеждат на всяка единица и следват кода за изпитания, приложим за конструкцията: IEEE C57.12.90 за течностно охлаждани единици в Северна Америка и общите изисквания в IEC 60076-1 за проекти според IEC, като конструкции със сух тип следват IEC 60076-11 . Типовите изпитания — повишаване на температурата, импулсни и устойчивост на късо съединение — са свързани с конструкцията и трябва да могат да бъдат проследени до доставяната единица. Когато предприятието преминава към задвижвания, поискайте писмено потвърждение за проверката на хармоничните загуби, тъй като именно това изчисление определя дали единицата работи на ниска или на висока температура.

 

Как проектираме за водни и канализационни проекти

Ryan Electric произвежда трансформатори от 2007 г. в завода си в Дзянсу, чиято площ е 120 000 м², като разполага с повече от 180 комплекта производствено и изпитателно оборудване и 37 патента; от 2023 г. действаме като официален съвместен предприемач на Eaton. Устройствата се доставят със сертификати UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS и CE, каквито изисква пазарът на дестинация — това има значение при общински проекти, където инспекторът проверява табелката за данни, преди да бъде подадено напрежение към каквото и да било оборудване. Когато проектът е включен в списък, изпитанията се наблюдават от агенцията за включване в списъка, а не се удостоверяват вътрешно — например чрез UL Solutions включване в списъци за Северна Америка.

Инженерната разлика при водни проекти е това, което уточняваме преди предоставяне на оферта: график на двигателите с кодови букви, метод на стартиране, случай на едновременно стартиране, мощност на задвижването в конски сили и дали се доставя филтър, класификация на корпуса за технологичната зона, категория на корозията и конфигурацията за резервен режим. Когато тези данни постъпят едновременно, трансформаторен блок на стойка или сух тип уред, който се връща, е размерен според работния режим на централата, а не според общата свързана мощност в конски сили.

Изпратете ни графиката на електродвигателите, изложеността на обекта и изискванията за корпуса за вашата централа или станция за повдигане, и нашите инженери ще ви изпратят проверка на размерите спрямо пусковия режим и хармоничната натовареност, като системата за покритие и обхватът на изпитанията са посочени ред по ред. Технически отговор в рамките на 48 часа.

За автора: Това ръководство е подготвено от инженерния и експортен екип на Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd., производител на трансформатори, основан през 2007 г., официален съвместен предприемач на Eaton от 2023 г. и доставчик на продукти за сух тип, с маслено охлаждане, монтирани на платформа и компактни подстанции за проекти в областта на енергетиката, промишлеността, центровете за обработка на данни и инфраструктурата. Екипът поддържа проектите за водоснабдяване и канализация на общинско и промишлено равнище – от преглед на спецификациите до фабричните изпитания.