Ferroresonans i pladsmonterede transformatorer: Hvad en producent af pladsmonterede transformatorer vil, at specifikationsansvarlige skal vide

 

Som en transformator til montering på betonfundament , vi oplever gentagne fejl i samme rækkefølge. En påmonteret enhed udskiftes til vedligeholdelse. Overspændingsaflederen på stigningsstangen ved kablens ende svigter. Holdet udskifter overspændingsaflederen, tager enheden i brug igen, og udskiftningen svigter igen inden for få måneder – nogle gange allerede inden for få uger. Transformatoren selv viser intet tegn på fejl ved alle rutinemæssige tests. Der er intet forkert på typeskiltet. Det, der ødelægger overspændingsaflederen, er ferroresonans, og det er næsten aldrig overspændingsaflederens skyld.

Hvad ferroresonans faktisk er

 

En transformerkern er ikke en lineær induktor. Under mætning er dens magnetiserende reaktans høj. Når kernen nærmer sig mætning, falder denne reaktans kraftigt. Indsæt en komponent med dette forhold i en kreds, der også indeholder kapacitans — f.eks. skaltholdningskapacitansen i en underjordisk kabel, gradueringskapacitansen i en afbryder, kapacitansen i en isolator eller en kondensatorbank — og en manøvreringsforstyrrelse kan få kredsen til at gå i oscillation, hvilket hverken elementet alene kunne fremkalde.

Det er hele definitionen, og det forklarer også, hvorfor ferroresonans i transformere ikke er den pænt definerede resonans, som man beregner ud fra XL = XC. Med en lineær induktor findes der én resonansfrekvens og én stationær tilstand. Med en mættelig kern findes der flere, og kredsen kan hoppe mellem dem. IEEE Technology Navigator — Ferroresonance (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) beskriver fire primære svingemoder: ferroresonans ved grundfrekvensen ved forsyningsfrekvensen; subharmonisk ferroresonans ved en brøkdel af forsyningsfrekvensen, oftest en tredjedel; kvasi-periodisk ferroresonans med uregelmæssige bølgeformer; og kaotisk ferroresonans uden nogen gentagende mønster overhovedet. Vedvarende overspændinger i disse moder kan nå fem til seks gange den nominelle ledningsspænding, hvilket langt overstiger det, som isoleringskoordinationen for en distributionsvikling antager for vedvarende strømfrekvensbelastning.

To enheder med identiske typeplader kan opføre sig fuldstændigt forskelligt. Den mode, som en kreds stabiliserer sig i, afhænger af induktans, kapacitans, spændingsstørrelse og begyndelsesbetingelser – hvilket i praksis betyder, at det afhænger af det præcise tidspunkt, hvor kontakten lukkes. Derfor vil en analyse baseret på nominelle værdier overse det, og derfor kan den samme kontaktoperation køre fejlfrit hundrede gange og mislykkes ved den hundredeogførste.

Hvis du lige nu arbejder med en specifikation for en jordmonteret transformator, vil vores ingeniørteam gennemgå hovedkredsen sammen med dig, inden den endelige rating fastlægges. Send os diagrammet med én linje, og vi vil gennemgå de fire betingelser sammen med dig.

De fire betingelser, der skal være opfyldt samtidigt

 

Ferroresonans er kræsven. Den kræver fire betingelser samtidigt – en ubelastet sekundær, høj primær kapacitans, asymmetrisk enfaset afbrydning og en kerne, der går i mætning ved en moderat overbelastning – hvilket netop er grunden til, at den aldrig viser sig i en lastfordelingsanalyse og til, at den er så svær at genskabe i et testområde.

Tilstand	Hvorfor det er vigtigt	Hvor den optræder i praksis
Ubelastrad eller svagt belastet sekundær	Belastningsmodstanden dæmper svingningen; en tom sekundær giver slet ingen dæmpning	Ny boligudvikling før indflytning, sæsonbetonet nedlukning af anlæg, enhed opbevaret som reservedel
Høj primær kapacitans	Kabelskærmens kapacitet pr. længdeenhed er langt højere end ved en luftledning	Lang underjordisk tilførselsledning, stigekabel, netværkskryb, kabelforsynet industrielt forsyningsnet
Asymmetrisk afbrydning	Forlader én eller to faser isoleret, men de er stadig kapacitivt koblet til kilden	Enfasede afbrydere, én brændt sikring, enfasede genafbrydere, ellebuebetjening
Kerne, der mættes ved beskedent overspænding	Magnetiserende induktans kollapser og tillader kredsløbet at hoppe mellem driftspunkter	Moderne kernekerner med lav tabstal og konstruktioner, der kører ved højere fluxtæthed

 

Fjern én af de fire, og fænomenet vil normalt ikke starte. Det er den nyttige del, fordi det betyder, at der er fire adskilte steder, hvor det kan udfases ved konstruktion — og den billigste løsning er næsten altid afbrydningsanordningen. Det er også det punkt, hvor samtalen bør skifte fra et tilbud til en udvælgelse, og det er det første, en transformator til montering på betonfundament skal rejse over for dig.

Hvad det gør ved enheden, inden nogen lægger mærke til det

 

Fejlen, som en besætning først ser, er normalt ved overspændingsafleder , ikke inde i tanken. En metaloxidafleder er en modstand, der kun bliver ledende over sin nominelle spænding. En vedvarende ferroresonant overspænding holder den i ledningstilstanden og omdanner svingningen til varme inde i en keramikblok, der er dimensioneret til mikrosekundimpulser ved en defineret belastningscyklus. Eaton’s reference data om overspændingsbeskyttelse til jordmonterede transformatorer angiver grænsen tydeligt: afledere reducerer overspændinger, men eliminerer dem ikke, og jo højere aflederens belastningscyklus er, jo mere ledende materiale er der til stede, og jo længere tid overlever den en overspænding, inden den fejler. En letbelastningsdistributionsafleder, der er fuldt ud egnet til lyn, er ikke dimensioneret til minutter med effektfrekvensenergi. Eaton reference data TC202005EN — Overspændingsbeskyttelse til jordmonterede transformatorer (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)

Bagved aflederen er skaden mere stille og sværere at finde ved en rutinemåling. Kapslingsflader viser spor af sporing, hvor overslag fandt sted. Vindingisoleringen gennemborres på det sted, hvor svingningen når sit maksimum, og gennemboringen er ofte så lille, at en vindingstaltest stadig giver godkendt resultat. Kerne bliver varm, fordi fluxudsvinget langt overstiger designgrænsen, og varme er det, der forkorter isoleringslevetiden. Aflederfejl er typisk den første skade – ikke den eneste.

Der findes også et symptom, der slet ikke er elektrisk. En enhed i ferroresonans frembringer ofte en lavfrekvent drøn eller rysten, der lyder anderledes end den normale magnetostruktionsdrøn – ujævn, uregelmæssig og så højlydt, at besætningen bemærker den, før nogen relæ udløser. Betragt den som et signal – ikke som en ulempe.

 

Enfaset afbrydning er den udløser, du kan kontrollere

 

Af de fire betingelser er asymmetrisk afbrydning den eneste, som en specifikationsansvarlig kan fjerne med én enkelt post. Enfaset afbrydning af en trefaset transformatorbank – uanset om det skyldes sikringsafbrydere, én brændt sikring eller en enkelpolet genafbrydningsordning – efterlader banken delvist strømførende og kapacitivt koblet til kilden, hvilket er den klassiske udløser i kabelforsynede distributionsystemer.

IEEE Std C57.105-2019, vejledningen for anvendelse af transformatorforbindelser i trefasede el-systemer, behandler disse forbindelses- og afbrydningsinteraktioner som en designovervejelse snarere end et uheld: IEEE Std C57.105-2019 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) . Standarden findes netop fordi interaktionen mellem en transformatorforbindelse og kredsløbet omkring den afgør, om et system opfører sig korrekt eller forkert.

Det, der virker i feltet, er utiltrækkende. Slå alle tre faser samtidigt fra med en gruppebetjent enhed i stedet for enkeltfaseafbrydere, hvor konfigurationen tillader det. Hvor enkeltfaseenheder er uundgåelige, skal der opretholdes en lille permanent resistiv belastning på sekundærsiden under afbrydning, så oscillationen har noget, hvori den kan opløses. En dæmpningsmodstand eller en ferroresonansundertrykkelseskreds over viklingen udgør det næste lag, og en overspændingsafleder valgt til midlertidig overspænding frem for kun lyn er den sidste.

Intet af dette kræver eksotisk hardware. Det kræver, at afbrydningsordningen og overspændingsaflederens brugsprofil fastlægges samtidig med transformatorernes nominelle værdier i stedet for efter, at kablet allerede er lagt.

Fem ting, der skal medtages i anfordringsskemaet

 

Viklingsforbindelse og jordforbindelse. Angiv, om en jordet Y-primær er acceptabel. En ikke-jordet delta-primær ved en lang kabelstrækning er den riskeste mulige konfiguration, og svaret ændrer hele billedet af overspændingsrisici.

Primær afbryderens type. Tre-faset belastningsafbryder med fælles betjening, tre-faset genindkobling eller enkelt-fasede afbrydere. Hvis enkelt-fasede enheder er uundgåelige, skal det angives, da det ændrer overspændingsafleder valgmulighed.

Beskyttelsesklasse for overspændingsafledere, driftscyklus, maksimal kontinuerlig driftsspænding (MCOV) og evne til at klare midlertidige overspændinger. "Overspændingsafledere inkluderet" er ikke en specifikation. Kræv overspændingsafledere dimensioneret til at håndtere midlertidige overspændinger – ikke kun lyn.

Kabeloversigt. Lederværdi, længde og isoleringstype for hvert primært segment. Skalldens kapacitet udgør den anden halvdel af resonanskredsen og er usynlig på en typetal-oversigt.

Sekundær dæmpning. Om der vil være en lille permanent belastning eller en dæmpningsmodstand tilkoblet sekundærsiden under afbrydning, samt hvilken procentdel af nominel effekt den udgør.

Hvad en producent af jordmonterede transformatorer spørger om, før du bestiller

 

Ved ethvert projekt med lange primære kabelstræk er det første dokument, vi anmoder om, ikke navneskiltplanen. Det er ét-linje-diagrammet med kabellængder og koblingsanordning, fordi disse to punkter afgør, om overspændingsrisikoen er ubetydelig eller reel. A transformator til montering på betonfundament en, der tilbyder ud fra transformatorlisten alene, tilbyder en enhed, ikke en løsning.

Hver enhed gennemgår en rutinetestsekvens, og tomgangstab og magnetiseringsstrøm registreres undervejs. Disse to tal er de input, der omdanner et ferroresonansspørgsmål fra en mening til en beregning, og vi vil sende dem til din rådgivende ingeniør før afsendelse, hvis det ønskes.

Ryan Electric har fremstillet distributions- og krafttransformatorer siden 2007 fra en produktionsbase på 120.000 m² med over 180 sæt produktions- og testudstyr samt 37 patenter. Siden 2023 har virksomheden opereret som en officiel joint-venture-partner af Eaton, hvilket er én af årsagerne til, at vi behandler overspændingsafledere og kontaktorkoordinering som en del af transformatorområdet i stedet for andres problem.

Et mønster, vi gentagne gange ser ved nordamerikanske boligområder, er en lille trefaset enhed — 75 kVA til 500 kVA — i enden af en lang underjordisk sideledning, der fødes gennem enfasede sikringsafbrydere og lever strøm til en belastning, der ikke vil eksistere før om et år. Alle betingelserne på listen er til stede samtidigt, og stedet står ubelastet i måneder. Når specifikatoren skifter til en gruppebetjent kontaktor og efterlader en lille resistiv belastning på sekundærsiden under idriftsættelse, ophører fejl på overspændingsaflederne.

Hvis du specificerer pad-mounted-enheder på et kabelforsynet system, send os ét-linje-diagrammet og kabelplanen, inden ordren placeres. Vi vil gennemgå din kontaktanordning, overspændingsafleder-specifikationen og den sekundære dæmpning i forhold til din faktiske kreds og informere dig om, hvilken af de fire betingelser du har – og hvilken du allerede har designet væk. Det er den samtale, en transformator til montering på betonfundament skal have med dig, inden ordren placeres – ikke efter, at den første overspændingsafleder fejler.

Om forfatteren

Denne artikel er udarbejdet af Ryan Electric-transformeringeniørteamet. Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) designer og fremstiller gipsstøbte og VPI tørtransformatorer, oliefyldte transformatorer og pad-mounted-enheder på dens 120.000 m² store produktionsanlæg og leverer til datacentre, industrielle anlæg, el-forsyningsvirksomheder og infrastrukturprojekter i Nordamerika, Sydøstasien, Mellemøsten og Afrika.