Ferrorezonance u transformátorů montovaných na podstavci: Co výrobce transformátorů montovaných na podstavci chce, aby specifikátoři věděli

 

Jako výrobce transformátorů umístěných na zemi , stále se opakují stejné poruchy ve stejném pořadí. Jednotka montovaná na podstavci je vyměněna kvůli údržbě. Přepěťový ochranný prvek na konci kabelu na stožáru se porouchá. Pracovní tým nahradí přepěťový ochranný prvek, zařízení je znovu napájeno a náhrada se opět porouchá během několika měsíců – někdy dokonce během několika týdnů. Transformátor samotný vykazuje v každé rutinní kontrole bezchybné výsledky. Na typovém štítku není nic nesprávného. To, co ničí přepěťový ochranný prvek, je ferorezonance, a téměř nikdy není vinou samotného přepěťového ochranného prvku.

Co ferorezonance ve skutečnosti je

 

Jádro transformátoru není lineární induktor. Pod bodem nasycení je jeho magnetizační reaktance vysoká. Při přibližování jádra k bodu nasycení se tato reaktance prudce snižuje. Umístíte-li součástku s tímto chováním do obvodu, který obsahuje také kapacitu — například plášťovou kapacitu podzemního kabelu, vyrovnávací kapacitu vypínače, kapacitu izolátoru nebo kondenzátorové banky — může spínací porucha tento obvod uvést do kmitání, které by žádný z těchto prvků samostatně nezpůsobil.

To je celá definice a zároveň vysvětluje, proč ferorezonance v transformátorech není čistá rezonance, kterou vypočítáme ze vztahu XL = XC. U lineárního induktoru existuje jedna rezonanční frekvence a jeden ustálený stav. U induktoru s nasycitelným jádrem jich je několik a obvod mezi nimi může „skákat“. IEEE Technology Navigator — Ferroresonance (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) popisuje čtyři hlavní režimy kmitání: ferorezonanci základní frekvence na napájecí frekvenci; subharmonickou ferorezonanci na zlomku napájecí frekvence, nejčastěji na jedné třetině; kvaziperiodickou ferorezonanci s nepravidelnými průběhy; a chaotickou ferorezonanci bez jakéhokoli opakujícího se vzoru. Trvalá přepětí v těchto režimech mohou dosáhnout pěti až šesti násobku jmenovitého síťového napětí, což je daleko nad úrovní, kterou koordinace izolace distribučního vinutí předpokládá pro trvalé napětí síťové frekvence.

Dvě jednotky se shodnými typovými štítky se mohou chovat zcela odlišně. Režim, do něhož se obvod ustálí, závisí na indukčnosti, kapacitě, velikosti napětí a počátečních podmínkách – což v praxi znamená, že závisí na přesném okamžiku uzavření spínače. Proto studie založená na jmenovitých hodnotách tento jev nepostihne a proto stejná spínací operace může proběhnout bez problémů stokrát a poté selhat při sto prvním pokusu.

Pokud právě pracujete s technickou specifikací pro transformátor umístěný na podstavci, náš inženýrský tým společně s vámi přezkoumá primární obvod ještě před tím, než bude stanoveno konečné jmenovité napětí. Pošlete nám jednočarové schéma a my vám společně projdeme všech pět podmínek.

Pět podmínek, které musí současně nastat

 

Ferrorezonance je náročná. Vyžaduje současné splnění pěti podmínek – nenatížený sekundární obvod, vysokou kapacitu primárního obvodu, nesymetrické jednofázové přepínání , jádro, které se nasycuje již při mírném přepětí – a právě proto se nikdy neobjeví v analýze toku výkonu a je tak obtížné ji reprodukovat v zkušebním prostředí.

Stav	Proč je to důležité	Kde se ve skutečnosti vyskytuje
Nenatížený nebo slabě zatížený sekundární obvod	Odpor zátěže tlumí kmitání; prázdný sekundární obvod vůbec žádné tlumení neposkytuje	Nová čtvrť před uvedením do provozu, sezónní výpadky výrobního zařízení, jednotka uchovávaná jako náhradní
Vysoká kapacita primárního obvodu	Kapacita kabelové izolace na jednotku délky je mnohem vyšší než u nadzemního vedení	Dlouhý podzemní přívod, svislý kabel, kabelová rozvodna, průmyslová síť napájená kabelem
Nesymetrické spínání	Zanechává jednu nebo dvě fáze izolované, avšak stále kapacitně spojené se zdrojem	Jednofázové pojistkové odpínače, vyhořelá pojistka, jednofázové opakované odpínače, manipulace s loketními konektory
Jádro, které se nasycuje již při mírném přepětí	Magnetizační indukčnost klesne, čímž umožní obvodu skákat mezi provozními body	Moderní jádra s nízkými ztrátami a konstrukce pracující při vyšší hustotě magnetického toku

 

Odstranění kteréhokoli ze čtyř prvků obvykle zabrání vzniku jevu. To je užitečná skutečnost, protože znamená, že existují čtyři oddělená místa, kde lze jev odstranit – a nejlevnější řešení je téměř vždy úprava spínacího uspořádání. Je to také bod, ve kterém by se rozhovor měl posunout od cenové nabídky k výběru řešení, a je to první věc, kterou výrobce transformátorů umístěných na zemi by měl s vámi projednat.

Co to udělá s jednotkou ještě dříve, než si toho někdo všimne

 

Porucha, kterou posádka poprvé spatří, se obvykle objeví na ochranný přepěťový zařízení , nikoli uvnitř nádrže. Oxidový jiskřiště je rezistor, který se stane vodivým pouze nad svým jmenovitým napětím. Trvalé ferorezonanční přepětí jej udržuje ve vodivém stavu a přeměňuje kmitání na teplo uvnitř keramického bloku, jehož rozměry byly navrženy pro impulsy trvající mikrosekundy při definovaném provozním cyklu. Referenční údaje Eatonu týkající se ochrany před přepětím u transformátorů umístěných na zemi jasně uvádějí limit: jiskřiště snižují přepětí, ale nezabraňují mu zcela; čím vyšší je provozní cyklus jiskřiště, tím více vodivého materiálu je přítomno a tím déle jiskřiště přežije přepětí, než selže. Jiskřiště pro lehké distribuční zatížení, které je zcela vhodné pro bleskové přepětí, není dimenzováno na minuty energie síťové frekvence. Referenční údaje Eatonu TC202005EN — Ochrana před přepětím u transformátorů umístěných na zemi (https://www.eaton.com/content/dam/eaton/products/medium-voltage-power-distribution-control-systems/cooper-power-series-transformers/overvoltage-protection-for-pad-mounted-transformers-information-tc202005en.pdf)

Za ochranným vypínačem je poškození tišší a těžší na nalezení při běžném testu. Na povrchu izolátorů jsou viditelné stopy obloukového přeskoku. Izolace vinutí praskne v místě, kde dochází k maximu oscilace, a prasklina je často tak malá, že test poměru závitů stále vykazuje výsledek v rámci normy. Jádro se zahřívá, protože výchylka magnetického toku výrazně přesahuje návrhovou hodnotu a teplo je to, co zkracuje životnost izolace. Porucha ochranného vypínače je obvykle první poruchou, nikoli jedinou.

Existuje také příznak, který není elektrické povahy. Jednotka v ferorezonanci často vydává hluboký, monotónní zvuk nebo chvění, které se liší od běžného hlasu magnetostrikce – je nerovnoměrné, nepravidelné a dostatečně hlasité, aby ho posádky zaznamenaly dříve, než se aktivuje jakékoli relé. Považujte jej za varovný signál, nikoli za obtěžující rušení.

 

Jednofázové přepínání je spouštěč, který můžete ovládat

 

Ze čtyř podmínek je nesymetrické přepínání jedinou, kterou může zadavatel odstranit jedinou položkou v technické specifikaci. Jednofázové přepínání třífázového transformátorového bloku – ať už prostřednictvím pojistkových odpínačů, jedné vyhořelé pojistky nebo jednopólového opětovného zapínacího systému – ponechává blok částečně napájený a kapacitně vázaný ke zdroji, což je klasický spouštěč v rozvodných soustavách napájených kabely.

IEEE Std C57.105-2019, průvodce pro použití transformátorových zapojení ve třífázových elektrických soustavách, považuje tyto interakce mezi zapojením a přepínáním za konstrukční aspekt spíše než za náhodnou událost: IEEE Std C57.105-2019 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) . Tato norma existuje právě proto, že interakce mezi zapojením transformátoru a okolním obvodem rozhoduje o tom, zda se soustava chová správně nebo nesprávně.

To, co funguje v praxi, je nevýrazné. Spínejte všechny tři fáze současně pomocí zařízení s hromadným ovládáním místo jednofázových odpojovačů, pokud to konfigurace umožňuje. Pokud jsou jednofázová zařízení nevyhnutelná, udržujte během přepínání na sekundární straně malé trvalé odporové zatížení, aby kmitání mělo co vytlumit. ochranný přepěťový zařízení vybraný pro dočasné přepětí, nikoli pouze pro blesk, je poslední možnost.

Nic z toho nepotřebuje exotické hardwarové komponenty. Vyžaduje to, aby byl spínací režim i provozní cyklus ochranného varistoru stanoven ve stejnou dobu jako výkon transformátoru, nikoli až poté, co je kabel již položen.

Pět položek, které je třeba uvést v žádosti o nabídku

 

Spojení vinutí a uzemnění. Uveďte, zda je přijatelné uzemněné hvězdové zapojení primární strany. Neuzemněné trojúhelníkové zapojení primární strany u dlouhého kabelového vedení je nejrizikovější uspořádání vůbec a odpověď na tuto otázku úplně mění celý obraz přepětí.

Typ hlavního spínacího zařízení. Třífázový zátěžní spínač s mechanickým propojením všech fází, třífázové opětovné zapínání nebo jednofázové pojistkové odpínače. Pokud je použití jednofázových zařízení nevyhnutelné, uveďte to, protože to ovlivňuje ochranný přepěťový zařízení volbu.

Třídu ochranných varistorů, jejich provozní cyklus, maximální trvalé provozní napětí (MCOV) a odolnost vůči dočasným přepětím. „Ochranné varistory jsou součástí“ není specifikace. Požádejte o ochranné varistory dimenzované pro dočasná přepětí, nikoli pouze pro blesky.

Přehled kabelů. Průřez, délka a typ izolace vodiče pro každý primární úsek. Kapacita pláště tvoří druhou polovinu rezonančního obvodu a na přehledu podle typového štítku není viditelná.

Druhotné tlumení. Zda bude během spínání na sekundární straně trvale připojen malý zátěžní nebo tlumicí odpor a jaký procentuální podíl jmenovitého výkonu představuje.

Co výrobce transformátorů pro venkovní montáž požaduje před objednáním

 

U každého projektu s dlouhými hlavními kabelovými trasami prvním dokumentem, který požadujeme, není rozpis typových štítků. Je to jednolineární schéma s délkami kabelů a uspořádáním spínání, protože právě tyto dva údaje rozhodují, zda je riziko přepětí zanedbatelné nebo skutečné. výrobce transformátorů umístěných na zemi ten, kdo nabízí pouze na základě seznamu transformátorů, nabízí jednotku, nikoli řešení.

Každá jednotka prochází standardním testovacím postupem, přičemž během něj jsou zaznamenány ztráty naprázdno a magnetizační proud. Tyto dvě hodnoty jsou vstupy, které přeměňují otázku ferorezonance z názoru na výpočet, a na vyžádání je před dodáním předáme vašemu konzultantnímu inženýrovi.

Ryan Electric vyrábí distribuční a silové transformátory od roku 2007 z výrobního areálu o rozloze 120 000 m², vybaveného více než 180 sadami výrobního a zkušebního zařízení a chráněného 37 patenty. Od roku 2023 působí společnost jako oficiální partner v rámci společného podniku s Eatonem, což je jedním z důvodů, proč považujeme koordinaci ochranných jiskřišť a spínacích zařízení za součást rozsahu dodávky transformátoru, nikoli za problém někoho jiného.

V severoamerických projektových oblastech často pozorujeme opakující se vzor: malý třífázový transformátor (75 kVA až 500 kVA) na konci dlouhého podzemního vedlejšího vedení, napájený jednofázovými pojistkovými odpínači a zásobující zatížení, které se objeví až za rok. Všechny podmínky uvedené na seznamu jsou splněny současně a staveniště zůstává po měsíce nezatížené. Pokud zadavatel přejde na spínací zařízení s ručním ovládáním všech fází najedou (gang-operated switch) a během uvedení do provozu nechá na sekundární straně malé odporové zatížení, selhání jiskřišť přestanou.

Pokud zadáváte jednotky pro montáž na podstavci v kabelovém napájecím systému, zašlete nám před založením objednávky jednopólové schéma a rozpis kabelů. Zkontrolujeme zapojení spínačů, specifikaci ochranných jiskřišť a sekundární tlumení ve vztahu k vašemu skutečnému obvodu a sdělíme vám, kterou ze čtyř možných podmínek máte – a kterou již úspěšně eliminujete návrhem. To je rozhovor, který by měl výrobce transformátorů umístěných na zemi s vámi vést ještě před založením objednávky, nikoli až poté, co selže první ochranné jiskřiště.

O autorovi

Tento článek připravil inženýrský tým pro transformátory společnosti Ryan Electric. Společnost Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) navrhuje a vyrábí suché transformátory lité pryskyřice a impregnované vakuem (VPI), olejové transformátory a jednotky pro montáž na podstavci ve svém výrobním areálu o rozloze 120 000 m² a dodává je do projektů datových center, průmyslových zařízení, energetických sítí a infrastruktury v Severní Americe, jihovýchodní Asii, Blízkém východě a Africe.