Σιδηροσυντονισμός σε μετασχηματιστές επί της βάσεως: Αυτό που ένας κατασκευαστής μετασχηματιστών επί της βάσεως θέλει να γνωρίζουν οι προδιαγραφόμενοι

 

Ως κατασκευαστής επίγειων μετασχηματιστών , συνεχίζουμε να αντιμετωπίζουμε την ίδια βλάβη με την ίδια σειρά. Μια μονάδα που είναι τοποθετημένη σε πλάκα αντικαθίσταται για συντήρηση. Ο αντικεραυνικός της κατακόρυφης ράβδου στο τέλος του καλωδίου αποτυγχάνει. Η ομάδα αντικαθιστά τον αντικεραυνικό, ενεργοποιεί τη μονάδα και η αντικατάσταση αποτυγχάνει εκ νέου εντός λίγων μηνών – μερικές φορές εντός λίγων εβδομάδων. Ο μετασχηματιστής ίδιος δίνει καθαρά αποτελέσματα σε κάθε τακτικό έλεγχο. Τίποτα στην πινακίδα εξοπλισμού δεν είναι λανθασμένο. Αυτό που καταστρέφει τον αντικεραυνικό είναι η φερροσυντονισμός, και σχεδόν ποτέ δεν είναι ευθύνη του αντικεραυνικού.

Τι είναι πραγματικά ο φερροσυντονισμός

 

Ο πυρήνας ενός μετασχηματιστή δεν είναι ένας γραμμικός πηνίο. Κάτω από την κατάσταση κορεσμού, η μαγνητική του αντίσταση είναι υψηλή. Καθώς ο πυρήνας πλησιάζει τον κορεσμό, αυτή η αντίσταση καταρρέει. Εάν τοποθετήσετε ένα στοιχείο με αυτή τη συμπεριφορά σε ένα κύκλωμα που περιλαμβάνει επίσης χωρητικότητα — όπως η χωρητικότητα της μόνωσης ενός υπόγειου καλωδίου, η χωρητικότητα βαθμονόμησης ενός διακόπτη, η χωρητικότητα ενός μονωτήρα ή μιας τράπεζας πυκνωτών — μια διαταραχή λόγω ενεργοποίησης/απενεργοποίησης μπορεί να οδηγήσει το κύκλωμα σε ταλάντωση, η οποία δεν θα μπορούσε να παραχθεί από κανένα από τα δύο στοιχεία ξεχωριστά.

Αυτός είναι ολόκληρος ο ορισμός, και εξηγεί επίσης το γιατί η φερροσυντονισμός στους μετασχηματιστές δεν είναι ο καθαρός συντονισμός που υπολογίζετε από τη σχέση XL = XC. Σε ένα γραμμικό πηνίο υπάρχει μία μόνο συχνότητα συντονισμού και μία μόνο κατάσταση σταθερής λειτουργίας. Σε ένα πηνίο με κορεσμένο πυρήνα υπάρχουν πολλές, και το κύκλωμα μπορεί να μεταπηδά μεταξύ τους. IEEE Technology Navigator — Ferroresonance (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) περιγράφει τέσσερις βασικούς τρόπους ταλάντωσης: φερροσυντονισμό στη θεμελιώδη συχνότητα, στη συχνότητα της παροχής· υποαρμονικό φερροσυντονισμό σε κλάσμα της συχνότητας παροχής, συνήθως στο ένα τρίτο· κατά προσέγγιση περιοδικό φερροσυντονισμό με ακανόνιστα κύματα· και χαοτικό φερροσυντονισμό χωρίς κανένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο. Οι διαρκείς υπερτάσεις σε αυτούς τους τρόπους μπορούν να φτάσουν πέντε έως έξι φορές την ονομαστική τάση γραμμής, κάτι που υπερβαίνει κατά πολύ τις υποθέσεις συντονισμού μόνωσης ενός διανεμητικού τυλίγματος για διαρκή τάση συχνότητας δικτύου.

Δύο μονάδες με πανομοιότυπες πινακίδες μπορούν να συμπεριφέρονται εντελώς διαφορετικά. Ο τρόπος στον οποίο εγκαθίσταται ένα κύκλωμα εξαρτάται από την επαγωγιμότητα, τη χωρητικότητα, το μέγεθος της τάσης και τις αρχικές συνθήκες — πράγμα που στην πράξη σημαίνει ότι εξαρτάται από την ακριβή στιγμή κλεισίματος του διακόπτη. Γι’ αυτόν τον λόγο, μια μελέτη που βασίζεται σε ονομαστικές τιμές θα το παραλείψει, και γι’ αυτόν τον λόγο η ίδια λειτουργία ενεργοποίησης μπορεί να λειτουργήσει απρόσκοπτα εκατό φορές και να αποτύχει στην εκατοστή πρώτη.

Εάν εργάζεστε αυτήν τη στιγμή μέσω προδιαγραφής με επίστεγη μονάδα, η μηχανική μας ομάδα θα ελέγξει το κύριο κύκλωμα μαζί σας πριν από την τελική καθορισμό της ονομαστικής τιμής. Στείλτε μας το μονογραμμικό διάγραμμα και θα σας οδηγήσουμε μέσω των τεσσάρων συνθηκών.

Οι Τέσσερις Συνθήκες που Πρέπει να Συμπίπτουν

 

Η φερροσυντονισμός είναι ευαίσθητος. Απαιτεί τέσσερις συνθήκες ταυτόχρονα — αφόρτιστο δευτερεύον, υψηλή χωρητικότητα στο πρωτεύον, ασύμμετρο εναλλαγή μονοφασικού ρεύματος και πυρήνα που εξαντλείται σε μια μέτρια υπερτάση — γι’ αυτό ακριβώς δεν εμφανίζεται ποτέ σε μελέτη ροής φορτίου και γι’ αυτό είναι τόσο δύσκολο να αναπαραχθεί σε εργαστηριακό χώρο δοκιμών.

Κατάσταση	Γιατί είναι σημαντικό	Όπου εμφανίζεται στην πράξη
Αφόρτιστο ή ελαφρώς φορτισμένο δευτερεύον	Η αντίσταση του φορτίου αποσβένει την ταλάντωση· ένα άδειο δευτερεύον δεν παρέχει καθόλου απόσβεση	Νέα κατοικιούχα περιοχή πριν από την κατοίκηση, εποχιακή στάση λειτουργίας εργοστασίου, μονάδα που διατηρείται ως ανταλλακτικό
Υψηλή χωρητικότητα στο πρωτεύον	Η χωρητικότητα της μόνωσης του καλωδίου ανά μονάδα μήκους είναι πολύ υψηλότερη από αυτήν μιας αερογραμμής	Μακρύς υπόγειος αγωγός τροφοδοσίας, κατακόρυφο καλώδιο, δίκτυο θαλάμου, βιομηχανική παροχή με τροφοδοσία μέσω καλωδίου
Ασύμμετρη ενεργοποίηση	Αφήνει μία ή δύο φάσεις απομονωμένες, αλλά εξακολουθούν να είναι χωρητικά συζευγμένες με την πηγή	Μονοφασικά διακόπτες, ένα καμένο ασφάλεια, μονοπολικοί επανασυνδέτες, λειτουργία με εγκάρσιο σύνδεσμο
Πυρήνας που υφίσταται κορεσμό σε μέτρια υπερτάσεις	Η μαγνητική επαγωγικότητα καταρρέει, επιτρέποντας στο κύκλωμα να μεταπηδά μεταξύ σημείων λειτουργίας	Σύγχρονοι πυρήνες χαμηλών απωλειών και σχεδιασμοί που λειτουργούν σε υψηλότερη πυκνότητα ροής

 

Αν αφαιρεθεί οποιοδήποτε από τα τέσσερα, το φαινόμενο συνήθως δεν ξεκινά. Αυτό είναι το χρήσιμο μέρος, γιατί σημαίνει ότι υπάρχουν τέσσερα ξεχωριστά σημεία όπου μπορεί να εξαλειφθεί — και το φθηνότερο είναι σχεδόν πάντα η διάταξη ενεργοποίησης. Είναι επίσης το σημείο όπου η συζήτηση πρέπει να μεταβεί από μια προσφορά σε μια επιλογή, και είναι το πρώτο πράγμα που ένας κατασκευαστής επίγειων μετασχηματιστών πρέπει να συζητήσει μαζί σας.

Τι κάνει στη μονάδα προτού το προσέξει κανείς

 

Η βλάβη που παρατηρεί πρώτη η ομάδα είναι συνήθως στο αναστολέας υπερτάσεων , όχι εντός της δεξαμενής. Ένας αντικεραυνικός οξειδίου μετάλλου είναι ένας αντιστάτης που γίνεται αγώγιμος μόνο όταν η τάση υπερβεί την ονομαστική του τιμή. Μια διαρκής υπερτάση φερροσυντονισμού τον θέτει σε κατάσταση αγωγιμότητας και μετατρέπει την ταλάντωση σε θερμότητα εντός ενός κεραμικού μπλοκ που έχει σχεδιαστεί για εντάσεις διάρκειας μικροδευτερολέπτων και για καθορισμένο κύκλο λειτουργίας. Τα αναφορικά δεδομένα της Eaton για την προστασία από υπερτάσεις σε μετασχηματιστές επί του εδάφους δηλώνουν ρητά το όριο: οι αντικεραυνικοί μειώνουν τις υπερτάσεις, αλλά δεν τις εξαλείφουν, και όσο υψηλότερος είναι ο κύκλος λειτουργίας του αντικεραυνικού, τόσο περισσότερο αγώγιμο υλικό περιέχει και τόσο περισσότερο χρόνο επιζεί μια υπερτάση πριν αποτύχει. Ένας αντικεραυνικός ελαφριάς χρήσης για διανομή, ο οποίος είναι εντελώς κατάλληλος για κεραυνούς, δεν έχει σχεδιαστεί για λεπτά ενέργειας συχνότητας δικτύου. Αναφορικά δεδομένα Eaton TC202005EN — Προστασία από υπερτάσεις σε μετασχηματιστές επί του εδάφους (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)

Πίσω από τον αλεξικέραυνο η ζημιά είναι πιο ήσυχη και δυσκολότερο να εντοπιστεί κατά τη διάρκεια μιας συνηθισμένης δοκιμής. Οι επιφάνειες των μονωτήρων εμφανίζουν ίχνη διαρροής όπου συνέβη η ανάφλεξη. Η μόνωση των τυλιγμάτων διαπερνάται στο σημείο όπου οι ταλαντώσεις φτάνουν στο μέγιστό τους, και η διάτρηση είναι συχνά τόσο μικρή, ώστε η δοκιμή λόγου στροφών να δίνει ακόμα ικανοποιητικά αποτελέσματα. Ο πυρήνας θερμαίνεται υπερβολικά, επειδή η μαγνητική ροή εκτείνεται πολύ πέρα από τη σχεδιασμένη τιμή, και η θερμότητα είναι αυτή που μειώνει τη διάρκεια ζωής της μόνωσης. Η αστοχία του αλεξικέραυνου είναι συνήθως η πρώτη, όχι η μοναδική, βλάβη.

Υπάρχει επίσης ένα σύμπτωμα που δεν είναι καθόλου ηλεκτρικό. Μια μονάδα που βρίσκεται σε φαινόμενο σιδηροσυντονισμού παράγει συχνά ένα χαμηλής συχνότητας βουητό ή ρίγος, το οποίο ακούγεται διαφορετικό από το συνηθισμένο βουητό της μαγνητοσυστροφής — ανόμοιο, ακανόνιστο και αρκετά δυνατό ώστε οι ομάδες εργασίας να το προσέξουν πριν από οποιαδήποτε ενεργοποίηση προστατευτικού ρελέ. Αντιμετωπίστε το ως ένα σήμα, όχι ως μια ενόχληση.

 

Η εναλλαγή μονοφασικού ρεύματος είναι ο παράγων που μπορείτε να ελέγξετε

 

Από τις τέσσερις συνθήκες, η ασύμμετρη εναλλαγή είναι αυτή που ένας προδιαγραφέας μπορεί να εξαλείψει με ένα απλό στοιχείο. Εναλλαγή μονοφασικού ρεύματος ενός τριφασικού μετασχηματιστή — είτε μέσω διακοπτών, είτε λόγω καμένης ασφάλειας, είτε μέσω σχήματος επανασύνδεσης μονοπολικού διακόπτη — αφήνει τον μετασχηματιστή εν μέρει ενεργοποιημένο και συζευγμένο ως προς τη χωρητικότητα με την πηγή, γεγονός που αποτελεί τον κλασικό παράγοντα εκκίνησης σε διανομικά συστήματα που τροφοδοτούνται μέσω καλωδίων.

Το πρότυπο IEEE Std C57.105-2019, το οποίο αφορά την εφαρμογή συνδεσμολογιών μετασχηματιστών σε τριφασικά ηλεκτρικά συστήματα, αντιμετωπίζει αυτές τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ συνδεσμολογίας και εναλλαγής ως θέμα σχεδιασμού και όχι ως ατύχημα: IEEE Std C57.105-2019 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) . Το πρότυπο υπάρχει ακριβώς επειδή η αλληλεπίδραση μεταξύ της συνδεσμολογίας ενός μετασχηματιστή και του κυκλώματος που τον περιβάλλει καθορίζει εάν ένα σύστημα λειτουργεί σωστά ή όχι.

Αυτό που λειτουργεί στο πεδίο είναι ασήμαντο. Ενεργοποιήστε και απενεργοποιήστε και τις τρεις φάσεις ταυτόχρονα με μια συσκευή που λειτουργεί με κοινό μοχλισμό, αντί για μονοφασικές διακόπτριες, όπου η διάταξη το επιτρέπει. Όπου οι μονοφασικές συσκευές είναι αναπόφευκτες, διατηρήστε μια μικρή μόνιμη αντιστατική φόρτιση στο δευτερεύον κατά τη διάρκεια της εναλλαγής, ώστε η ταλάντωση να έχει κάτι στο οποίο να αποσβεστεί. Ένας αντιστάτης απόσβεσης ή ένα κύκλωμα καταστολής φερροσυντονισμού παράλληλα με την περιέλιξη αποτελεί το επόμενο επίπεδο, και ένας αναστολέας υπερτάσεων επιλεγμένος για προσωρινή υπερτάση και όχι μόνο για κεραυνούς είναι το τελευταίο.

Τίποτα από όλα αυτά δεν απαιτεί εξωτικό εξοπλισμό. Απαιτείται η μέθοδος εναλλαγής και ο κύκλος λειτουργίας του αντικεραυνικού να καθορίζονται ταυτόχρονα με την ισχύ του μετασχηματιστή, αντί να καθορίζονται μετά την τοποθέτηση του καλωδίου.

Πέντε Στοιχεία που Πρέπει να Συμπεριληφθούν στο Αίτημα Προσφορών

 

Σύνδεση και γείωση των περιελίξεων. Δηλώστε εάν είναι αποδεκτή πρωτεύουσα σύνδεση με γειωμένο Y. Μια πρωτεύουσα σύνδεση με μη γειωμένο δέλτα σε μακρύ καλωδιακό δρόμο είναι η διάταξη με το υψηλότερο κίνδυνο, και η απάντηση αλλάζει ολόκληρη την εικόνα των υπερτάσεων.

Τύπος κύριας διακόπτου συσκευής. Τριφασικός διακόπτης φορτίου με ενιαία λειτουργία, τριφασική επανασύνδεση ή μονοφασικά ασφαλειοθήκες. Εάν οι μονοφασικές συσκευές είναι αναπόφευκτες, να αναφέρεται ρητά, διότι αυτό αλλάζει το αναστολέας υπερτάσεων ιδανική επιλογή.

Κλάση αντικεραυνικού, κύκλος λειτουργίας, μέγιστη συνεχής τάση λειτουργίας (MCOV) και ικανότητα αντοχής σε προσωρινές υπερτάσεις. η δήλωση «συμπεριλαμβάνονται αντικεραυνικά» δεν αποτελεί προδιαγραφή. Να ζητείται αντικεραυνικό διαστασιολογημένο για προσωρινές υπερτάσεις, όχι μόνο για κεραυνικά φαινόμενα.

Πρόγραμμα καλωδίων. Διατομή αγωγού, μήκος και τύπος μόνωσης για κάθε πρωτεύον τμήμα. Η χωρητικότητα της θήκης αποτελεί το άλλο μισό του συντονιστικού κυκλώματος και δεν εμφανίζεται σε ένα πρόγραμμα με βάση την πινακίδα ονομαστικών τιμών.

Δευτερεύουσα απόσβεση. Εάν θα παραμένει συνεχώς συνδεδεμένο ένα μικρό μόνιμο φορτίο ή αντίσταση απόσβεσης στο δευτερεύον κατά τη διαδικασία εναλλαγής, καθώς και το ποσοστό της ονομαστικής ισχύος που αντιπροσωπεύει.

Τι ρωτά ένας κατασκευαστής μετασχηματιστών επί τόπου πριν προβείτε σε παραγγελία

 

Σε κάθε έργο με μακριές πρωτεύουσες καλωδιακές διαδρομές, το πρώτο έγγραφο που ζητάμε δεν είναι ο κατάλογος πινακίδων. Είναι το μονογραμμικό διάγραμμα με τα μήκη των καλωδίων και τη διάταξη των διακοπτών, επειδή αυτά τα δύο στοιχεία καθορίζουν εάν ο κίνδυνος υπερτάσεων είναι αμελητέος ή πραγματικός. Ένα κατασκευαστής επίγειων μετασχηματιστών πρόσωπο που προσφέρει τιμή μόνο με βάση τον κατάλογο μετασχηματιστών προσφέρει μία μονάδα, όχι μία λύση.

Κάθε μονάδα υποβάλλεται σε μία τυποποιημένη ακολουθία δοκιμών, και οι απώλειες εν κενώ και το μαγνητικό ρεύμα καταγράφονται κατά τη διάρκεια. Αυτοί οι δύο αριθμοί αποτελούν τις εισόδους που μετατρέπουν μία ερώτηση για φερροσυντονισμό από μία γνώμη σε μία υπολογιστική ανάλυση, και θα τους διαβιβάσουμε στον συμβουλευτικό σας μηχανικό πριν από την αποστολή, εφόσον το ζητήσετε.

Η Ryan Electric κατασκευάζει μετασχηματιστές διανομής και ισχύος από το 2007, από μία βιομηχανική εγκατάσταση εμβαδού 120.000 m², εξοπλισμένη με πάνω από 180 σύνολα παραγωγικού και δοκιμαστικού εξοπλισμού και με 37 διπλώματα ευρεσιτεχνίας. Από το 2023, η εταιρεία λειτουργεί ως επίσημος εταίρος κοινής επιχείρησης της Eaton, γεγονός που αποτελεί έναν από τους λόγους για τους οποίους αντιμετωπίζουμε τη συντονισμένη προστασία και την εναλλαγή ως μέρος του πεδίου εφαρμογής του μετασχηματιστή, αντί να τη θεωρούμε πρόβλημα κάποιου άλλου.

Ένα μοτίβο που εμφανίζεται επανειλημμένα σε έργα υποδιαίρεσης στη Βόρεια Αμερική είναι μία μικρή τριφασική μονάδα — 75 kVA έως 500 kVA — στο τέλος μίας μακράς υπόγειας πλευρικής γραμμής, η οποία τροφοδοτείται μέσω μονοφασικών διακοπτών και εξυπηρετεί φορτίο που δεν θα υπάρχει για άλλο ένα χρόνο. Όλες οι συνθήκες της λίστας είναι παρούσες ταυτόχρονα, και η τοποθεσία παραμένει αφόρτιστη για μήνες. Όταν ο προδιαγράφων μεταβαίνει σε διακόπτη με συγχρονισμένη λειτουργία όλων των πόλων και αφήνει ένα μικρό ωμικό φορτίο στο δευτερεύον κατά τη διάρκεια της εκκίνησης, οι αστοχίες των απαγωγών ηλεκτρικών κεραυνών σταματούν.

Εάν καθορίζετε μονάδες τοποθετημένες σε βάση σε ένα σύστημα τροφοδοσίας με καλώδιο, στείλτε μας το μονογραμμικό διάγραμμα και το πρόγραμμα καλωδίων πριν από την υποβολή της παραγγελίας. Θα εξετάσουμε τη διάταξη διακοπής, την προδιαγραφή του αντικεραυνικού και τη δευτερεύουσα απόσβεση σε σχέση με το πραγματικό κύκλωμά σας και θα σας ενημερώσουμε ποια από τις τέσσερις συνθήκες ισχύει — και ποια έχετε ήδη αποφύγει με τον σχεδιασμό σας. Αυτή είναι η συζήτηση που ένα κατασκευαστής επίγειων μετασχηματιστών θα έπρεπε να έχει μαζί σας πριν από την υποβολή της παραγγελίας, όχι μετά την πρώτη αποτυχία ενός αντικεραυνικού.

Για τον συγγραφέα

Το παρόν άρθρο ετοιμάστηκε από την ομάδα μηχανικών μετασχηματιστών της Ryan Electric. Η Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) σχεδιάζει και κατασκευάζει μετασχηματιστές ξηρού τύπου με ρητίνη και VPI, μετασχηματιστές εμβυθισμένους σε λάδι και μονάδες τοποθετημένες σε βάση στη βιομηχανική της εγκατάσταση επιφάνειας 120.000 m², υπηρετώντας έργα κέντρων δεδομένων, βιομηχανικά έργα, ηλεκτρικά δίκτυα και υποδομών σε Βόρεια Αμερική, Νοτιοανατολική Ασία, Μέση Ανατολή και Αφρική.