ترانسفورماتور برای تهویه تونل: مشخص‌کردن واحدها برای تونل‌های جاده‌ای و سیستم‌های حمل‌ونقل زیرزمینی

خرابی تجهیزات در یک تونل جاده‌ای تقریباً هیچ‌وقت از مدار روشنایی آغاز نمی‌شود. بلکه از پنکه‌ها شروع می‌شود. یک مهندس راه‌اندازی دنبالهٔ این رویداد را به‌صورت ساده توضیح داد: اولین بانک پنکه‌های جت تمیز کار می‌کند، بانک دوم نیز بدون مشکل عمل می‌کند، اما وقتی بانک سوم فعال می‌شود، ولتاژ اتصال ۴۸۰ ولت افت می‌کند، درایو به‌دلیل ولتاژ پایین قطع می‌شود و سیستم تهویه پیش از آنکه حتی تست دود آغاز شود، وارد حالت خطا می‌گردد. این ترانسفورماتور برای تهویه تونل بر اساس فهرست بار تعیین شده بود. هیچ‌کس مراحل راه‌اندازی را مدل‌سازی نکرده بود.

نکتهٔ نامطلوب در تأمین انرژی تونل این است که بیشتر اوقات بار نسبتاً کم است — چند صد کیلووات روشنایی، تعدادی پنکه و چند پمپ. اما چند ثانیه در روز، و چند بار در روز، این بار اصلاً کم نیست. و همان واحدی که توانایی عبور از راه‌اندازی موتور را دارد، باید همزمان با تحمل هارمونیک‌های VFD بارهای ناشی از درایوهای تهویه و کار کردن در شرایطی که آتش در فاصلهٔ چند متری مشتعل است، نیز داشته باشد.

 

در واقع چه چیزی ترانسفورماتور تونل را تحت بار قرار می‌دهد؟

تونل، کارخانه‌ای صنعتی کوچک است که در امتداد یک کیلومتر بتن کشیده شده است. تهویه مطبوع بخش عمده‌ای از بار الکتریکی را تشکیل می‌دهد، اما تنها بار موجود نیست و انواع مختلف بار رفتار یکسانی ندارند. تعیین یک عدد واحد بر حسب کیلوولت‌آمپر بدون جداسازی این بارها، منشأ اکثر خطاهای مشخصات‌دهی است.

بارگذاری کنید	دامنهٔ معمول	وظیفه	تأثیر آن بر انتخاب ظرفیت
پنکه جتی (محوری، با تغذیه مستقیم از محرک)	۲۲ تا ۲۵۰ کیلووات	راه‌اندازی و توقف مرحله‌ای، صدها دور در سال	جریان قفل‌شده روتور و افت ولتاژ در اتصال پایین‌ولتاژ
پنکه تهویه تونل	۲۰۰ تا ۱۰۰۰ کیلووات	کارکرد پیوسته و قابل معکوس‌سازی برای خروج دود	بزرگ‌ترین موتور تکی؛ معمولاً حداقل ظرفیت مورد نیاز را تعیین می‌کند
فعال‌کننده‌ها و کنترل‌کننده‌های دریچه‌های دود	کمتر از ۱۰ کیلووات	فقط در شرایط اضطراری؛ باید موقعیت خود را حفظ کند	بار کوچک، اما از همان تابلو و مدار یوپی‌اس استفاده می‌کند
روشنایی تونل و اضطراری ال‌ئی‌دی	۳۰ تا ۳۵۰ کیلووات	پیوسته، با ظرفیت کامل (۱۰۰ درصد)	دارای هارمونیک بالا؛ جریان نوترال را افزایش می‌دهد
پمپ‌های تخلیه چاه زهکشی	۱۵ تا ۱۱۰ کیلووات	محیط متغیر و مرطوب	شروع در برابر ستون آب؛ خطر نفوذ رطوبت
تهویه و دستگاه‌های کاهش رطوبت در ایستگاه تبدیل	۱۰ تا ۶۰ کیلووات	پیوسته	افزایش دمای محیطی که ترانسفورماتور در آن قرار دارد
سیستم کنترل و نظارت از راه دور، دوربین‌های مداربسته، تابلوهای اطلاع‌رسانی	کمتر از ۲۰ کیلووات	پیوسته	نیازمندی تحمل در طول رویداد آتش‌سوزی

راهنمای طراحی از پیش این موارد را به‌عنوان رشته‌های مجزا در نظر می‌گیرد. راهنمای طراحی تونل‌های جاده‌ای FHWA (https://www.fhwa.dot.gov/publications/focus/05nov/03.cfm) بخش‌های جداگانه‌ای را به تهویه، روشنایی، اقدامات آتش‌نشانی و طراحی مقاوم در برابر زلزله اختصاص می‌دهند — اما همهٔ این‌ها در یک جدول بار قرار می‌گیرند و معمولاً یک ترانسفورماتور باید کل این بار را تحمل کند.

 

شروع کار موتور، سقف بار را تعیین می‌کند، نه بار حالت پایدار

بار حالت پایدار عدد ساده‌تری است. پنکه‌ها، روشنایی و پمپ‌ها را جمع کنید، ضریب تنوع را اعمال کنید و یک دستگاه ۱۵۰۰ کیلوولت‌آمپری در مقابل یک تونل ۹۰۰ کیلوولت‌آمپری ظاهراً با ظرفیت کافی به نظر می‌رسد. سپس به لحظهٔ شروع توجه کنید.

یک موتور القایی استاندارد با طراحی B انجمن مهندسان برق آمریکا (NEMA) در هنگام راه‌اندازی مستقیم، حدود شش برابر جریان نامی خود را مصرف می‌کند. برای مثال، یک موتور پنکهٔ جت ۲۵۰ کیلوواتی در ولتاژ ۴۸۰ ولت را در نظر بگیرید: جریان نامی آن تقریباً ۳۰۰ آمپر است؛ بنابراین جریان قفل‌شدهٔ روتور حدود ۱۸۰۰ آمپر بوده و این مقدار برای دو تا چهار ثانیه‌ای که پنکه برای رسیدن به سرعت کامل نیاز دارد، حفظ می‌شود. اگر نیم‌ثانیه بعد یک بانک دوم را نیز راه‌اندازی کنید، ترانسفورماتور باری را تحمل می‌کند که در هیچ شرایط عادی‌ای در طول عملیات معمول دوباره با آن مواجه نخواهد شد. این همان عددی است که ظرفیت اسمی ترانسفورماتور را تعیین می‌کند.

دو پارامتر تعیین‌کننده‌ی این هستند که آیا راه‌اندازی قابل قبول است یا خیر: درصد امپدانس ترانسفورماتور و امپدانس فیدر. واحدی با امپدانس ۵٫۷۵ درصد، جریان اتصال کوتاه را به‌راحتی محدود می‌کند اما افت ولتاژ عمیق‌تری در ترمینال‌های موتور ایجاد می‌کند. واحدی با امپدانس ۴ درصد این افت را کاهش داده و جریان اتصال کوتاه احتمالی را افزایش می‌دهد؛ بنابراین رتبه‌بندی کلید اتوماتیک سطح پایین (LV breaker) و مقاومت مکانیکی اتصالات باس (bus bracing) باید این افزایش را تحمل کنند. در یک فیدر ۷۰۰ متری که به اتاق فن وسط تونل متصل می‌شود، امپدانس کابل ممکن است افت ولتاژ بیشتری نسبت به خود ترانسفورماتور ایجاد کند.

تجربه عملی: ما محاسبه‌ی راه‌اندازی را پیش از ارسال پیش‌فاکتور تونل از کارخانه انجام می‌دهیم؛ و هنگامی که مشتری تنها فهرست بارها را ارسال می‌کند، یک سؤال بر می‌گردانیم: بزرگ‌ترین موتور چیست؟ چگونه راه‌اندازی می‌شود؟ و طول کابل آن تا موتور چقدر است؟ این تک‌پاسخ تنها، رتبه‌بندی مشخص‌شده را در تعداد بیشتری از پروژه‌های تونل تغییر داده است تا هر خط دیگری در برنامه‌زمانی.

 

هارمونیک‌های VFD وظیفه‌ی ترانسفورماتور را در تهویه‌ی تونل تغییر می‌دهند.

تقریباً هر پنکه‌ی جت جدیدی توسط یک درایوی فرکانس متغیر به کار می‌افتد، زیرا پنکه‌ای که در ساعات غیر اوج با ۳۰ درصد سرعت کار می‌کند، فقط با صرفه‌جویی در هزینه‌ی انرژی، هزینه‌ی درایوی خود را جبران می‌کند. این درایو همچنین آنچه را که ترانسفورماتور در ترمینال‌های ثانویه‌اش مشاهده می‌کند نیز تغییر می‌دهد.

یک درایوی شش‌پالسی جریانی غیر سینوسی را می‌کشد که میزان اعوجاج هارمونیک کلی آن معمولاً بین ۲۵ تا ۴۵ درصد در ورودی قرار دارد. استاندارد آی‌اتری‌ئی ۵۱۹ سقف اعوجاج ولتاژ را در اتوبوس‌های زیر ۶۹ کیلوولت برابر با ۵ درصد تعیین کرده و هنگامی که جریان اتصال کوتاه قابل دسترس کاهش می‌یابد، سقف اعوجاج جریان را نیز سخت‌تر می‌کند. تونل‌ها در انتهای نامطلوب این منحنی قرار دارند: فیدر‌های بلند، منابع نسبتاً ضعیف، و چندین درایو که از یک اتوبوس ثانویه تغذیه می‌شوند.

نتیجه این است که نمی‌توان ترانسفورماتوری که درایوهای تهویه‌ی تونل را تغذیه می‌کند، تنها بر اساس کیلوولت‌آمپر مشخص کرد. جریان هارمونیک اتلاف‌های ناشی از جریان‌های گردابی و اتلاف‌های پراکنده را افزایش می‌دهد و دمای نقطه‌ی داغ سیم‌پیچی را بالاتر از آنچه که بار سینوسی در همان توان ظاهری ایجاد می‌کند، می‌برد. به همین دلیل است که ترانسفورماتر جوش شده با رزین در پروژه‌های تونل، ترانسفورماتورها اغلب با رتبه‌بندی K-factor، سیم‌پیچ خنثی بزرگ‌تر از حد معمول یا سیم‌پیچ دلتا که هارمونیک‌های سه‌گانه را به دام می‌اندازد، همراه با طبقه‌بندی دمایی سیم‌پیچی که حاشیه‌ای بالاتر از بار طراحی‌شده فراهم می‌کند، سفارش داده می‌شوند.

قاعده‌ی کلی ما برای تابلوهای تونلی که با درایوها تغذیه می‌شوند و در آن‌ها هارمونیک‌های VFD هارمونیک‌ها نقش اصلی را ایفا می‌کنند: ظرفیت کل درایوهای متصل را محاسبه کنید، حاشیه‌ای برای تلفات ناشی از هارمونیک‌ها اضافه کنید و طبقه‌بندی افزایش دمایی سیم‌پیچ را یک سطح بالاتر از حداقل الزام تعیین کنید. هزینه‌ی این افزایش در پیش‌فاکتور منعکس می‌شود. اما هزینه‌ی اشتباه در سال هفتم وارد می‌شود.

 

 

ایمنی در برابر آتش، فناوری را تعیین می‌کند، نه قیمت.

بپرسید چرا تقریباً تمامی ایستگاه‌های فرعی داخل تونل از تجهیزات خشک استفاده می‌کنند؛ پاسخ، بازدهی نیست. بلکه ایمنی در برابر آتش است. NFPA 502 (https://www.nfpa.org/codes-and-standards/nfpa-502-standard-development/502شرایط حفاظت در برابر آتش و ایمنی جانی در برابر آتش را برای تونل‌های جاده‌ای، پل‌ها و سایر بزرگراه‌های با دسترسی محدود تعیین می‌کند و تهویه را به عنوان یک عملکرد حیاتی ایمنی جانی در نظر می‌گیرد که باید در طول سوختن آتش نیز به‌طور مداوم فعال باقی بماند.

آن الزام مستقیماً تا ترانسفورماتور اثر می‌گذارد. استفاده از یک واحد پر از روغن درون پوشش تونل، مایع قابل اشتعال، سیستم جمع‌آوری نشتی، محفظهٔ امن و جداکنندهٔ اضافی برای آتش را به همراه دارد؛ بنابراین اکثر طراحان از بحث در این زمینه اجتناب کرده و واحدی را مشخص می‌کنند که ترانسفورماتر جوش شده با رزین درون حفره یا در اتاق مجاور نصب می‌شود. استانداردهای محصول به‌وضوح تعیین می‌کنند که چنین واحدی باید چه الزاماتی را برآورده سازد: IEEE C57.12.01 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.01/6775/) الزامات عمومی ترانسفورماتورهای توزیعی و قدرتی خشک‌نوع را پوشش می‌دهد و IEC 60076-11 ترانسفورماتورهای قدرتی خشک‌نوع تا ولتاژ ۳۶ کیلوولت را شامل می‌شود.

یک جزئیات مهم که بیشتر از هر چیز دیگری نادیده گرفته می‌شود این است که عملکرد ترانسفورماتور تنها به اندازهٔ فیدر آن خوب است. در مواردی که مدار تهویهٔ اضطراری باید در طول وقوع آتش، یکپارچگی مدار را حفظ کند، کابل و اتصالات باید در شرایط مشابه مقاومت کنند. استفاده از یک واحد رزینی ریخته‌گری‌شدهٔ خاموش‌شوندهٔ خودکار با کابل استاندارد، یک ناسازگاری رایج و پرهزینه است.

 

محیط تونل به‌صورت نامحسوس بر تجهیزات اثر می‌گذارد

هوا در تونل مرطوب، گرد‌و‌غبارآلود و به‌صورت ملایم خورنده است. رطوبت نسبی بالاتر از ۸۵٪ در داخل شفت تهویه امری عادی است، گرد‌و‌غبار ترمز و لاستیک روی همه سطوح افقی ته‌نشین می‌شود و در تونل‌های ساحلی نمک‌های کلرید نیز به این ترکیب اضافه می‌گردد. دمای محیط شفت در طول فصل تابستان می‌تواند بین ۴۰ تا ۴۵ درجه سانتی‌گراد باشد که این دما در محل دقیق قرارگیری ترانسفورماتور اندازه‌گیری می‌شود، نه در ورودی تونل.

پیچش‌های پوشش‌دار با رزین عملکرد بهتری نسبت به پیچش‌های خشک پوشیده‌شده دارند، زیرا در یک ترانسفورماتر جوش شده با رزین ریخته‌گری، پیچش را در برابر نفوذ رطوبت در بسته‌بندی می‌کند. با این حال، مشخصات فنی باید همچنان با شرایط محیطی سازگار باشد: گرم‌کننده‌های فضایی ضد‌شبنم، جعبه ترمینال با درجه حفاظت IP و دمای محیط طراحی‌شده بر اساس شرایط شفت، نه بر اساس میانگین آب‌وهوای منطقه.

ارتفاع نیز اهمیت دارد. در ارتفاع ۱۵۰۰ متری، ترانسفورماتور تقریباً ۹ درصد از چگالی هوا را که برای خنک‌کاری به‌وسیلهٔ جابجایی موجود است، از دست می‌دهد؛ بنابراین دستگاهی که در سطح دریا آزمون افزایش دمای خود را با موفقیت پشت سر گذاشته است، به‌طور خودکار در مسیر کوهستانی قابل قبول نیست. از تأمین‌کننده بخواهید ضریب کاهش ظرفیت (derating) منطبق بر دمای محیطی و ارتفاع محل نصب شما را اعلام کند و محاسبهٔ دقیق آن را ارائه دهد — نه اینکه تنها یک منحنی عمومی را نشان دهد. این دقیقاً همان بررسی است که ما برای تمامی سفارش‌ها انجام می‌دهیم. ترانسفورماتور برای تهویه تونل ما ارائه می‌کنیم.

 

مواردی که پیش از ارائه پیش‌فاکتور از شما می‌پرسیم

پنج مورد تعیین‌کنندهٔ ظرفیت اسمی، قیمت و زمان تحویل در سفارش ترانسفورماتور تونل هستند. اگر این موارد در درخواست شما به‌وضوح ذکر شده باشند، معمولاً پیش‌فاکتور اولیه بدون نیاز به اصلاحات ارائه می‌شود:

• برنامهٔ بار، با مشخص‌کردن بزرگ‌ترین موتور. روش راه‌اندازی آن و طول کابل از ترانسفورماتور فرعی را به ما اعلام کنید. سایر موارد از این دادهٔ واحد نتیجه می‌شوند.
• نوع و تعداد درایوها. شش‌پالسی، دوازده‌پالسی یا با ورودی فعال (active front end)، همراه با جریان اتصال کوتاه موجود در اتصال‌دهندهٔ ولتاژ پایین — این موارد حاشیهٔ هارمونیک را تعیین می‌کنند.
• نوار لاستیکی درزبندی پیوسته به‌صورت یکپارچه محیط داخلی درب را پوشش می‌دهد تا سپری ایمن و ضد هوا برای محافظت در برابر ذرات ریز گرد و غبار، نفوذ رطوبت و تشکیل رطوبت محیطی تحت شرایط متغیر محل ایجاد شود. طراحی محیط اطراف، ارتفاع از سطح دریا، رطوبت و دسته‌بندی زلزله‌ای که بر مسیر اعمال می‌شود.
• استراتژی مبارزه با آتش. تجهیزات داخل پوشش تونل، در یک ایستگاه فرعی اختصاصی یا از راه دور — پاسخ این سؤال تعیین‌کنندهٔ نوع ترانسفورماتور (خشک یا روغنی) است.
• گواهی‌نامه و هدف بازدهی. گزارش‌های آزمون UL، CSA یا IEC و سطح بازدهی مورد نیاز در کشور مقصد.

رایان الکتریک ترانسفورماتورهای خشک و روغنی را برای پروژه‌های زیرساختی و صنعتی در سراسر آمریکای شمالی، خاورمیانه و جنوب شرق آسیا می‌سازد. کارخانه جیانگسوی این شرکت مساحتی معادل ۱۲۰٬۰۰۰ مترمربع دارد و مجهز به بیش از ۱۸۰ دستگاه تجهیزات تولیدی و آزمایشی است؛ سبد گواهینامه‌های آن شامل UL، CSA، IEEE، DEKRA و CNAS می‌شود. از سال ۲۰۲۳، این شرکت به‌عنوان شریک مشترک اتون فعالیت می‌کند که این امر مستندات آزمایشی و کیفیت آن را تحت فرآیند بازرسی خارجی قرار داده و اعلام خودسرانه را منسوخ کرده است. سفارش تونل دقیقاً مانند سفارش مرکز داده‌ها پردازش می‌شود: داده‌های آزمایش روتین، سوابق افزایش دما و پرونده‌های گواهینامه همراه با واحد ارسال می‌شوند.

 

برنامه بار را ارسال کنید، نه فقط kVA

عددی که تصمیم‌گیرنده است ترانسفورماتور برای تهویه تونل معمولاً اولین عدد در فهرست بار نیست. برنامهٔ بار، بزرگ‌ترین موتور، نوع درایو و شرایط محل را به مهندسان ما ارسال کنید تا شما یک رتبه‌بندی، حاشیهٔ هارمونیک و محاسبهٔ کاهش ظرفیت دریافت کنید که در بررسی طراحی قابل دفاع باشد، نه اینکه صرفاً بر اساس قاعدهٔ انگشتی انتخاب شده باشد.

درباره نویسنده: این مقاله توسط تیم مهندسی رایان الکتریک نوشته شده است، یک سازندهٔ ترانسفورماتور در جیانگسو، چین و شریک مشترک اتون از سال ۲۰۲۳، که ترانسفورماتورهای خشک و روغنی با گواهی‌های UL، CSA و IEC را برای پروژه‌های تونل، مترو، مراکز داده و شبکه‌های برق در آمریکای شمالی، خاورمیانه و جنوب شرق آسیا عرضه می‌کند.