Muuntaja tunnelin ilmanvaihtoon: Yksiköiden määrittely tie­tun­ne­leihin ja maanalaisiin joukkoliikennejärjestelmiin

Laitteiston vikaantuminen tietyllä tien­tun­nel­lla ei läheskään koskaan ala valaistuspiiristä. Se alkaa tuulettimista. Käyttöönottosuunnittelija kuvasi meille järjestyksen yksinkertaisilla sanoilla: ensimmäinen suihkutuulettimen ryhmä käynnistyy moitteetta, toinen ryhmä toimii hyvin, kolmas ryhmä käynnistyy ja 480 V:n pääkeskusta kuormittaa niin paljon, että moottorinohjain katkaisee virran alajännitteen vuoksi, ja ilmanvaihto siirtyy vian tilaan ennen kuin savutestausta ehditään edes aloittaa. muuntaja tunnelin ilmanvaihtoon oli mitoitettu kuormaluettelosta. Kukaan ei ollut mallintanut käynnistystä.

Se on se kiusallinen asia tunnelin sähköntuotannossa. Suurimman osan ajasta kuorma on kohtalainen – muutama sata kilowattia valaistusta, muutama tuuletin, joitakin pumppuja. Muutaman sekunnin ajan useita kertoja päivässä kuorma ei ole lainkaan kohtalainen. Ja sama laite, joka kestää moottorin käynnistystapahtuman, on myös kestävä myös VFD-harmoniset taajuudet ilmanvaihtomoottoreissa ja toimiva, vaikka tulipalo syttyisi muutaman metrin päähän.

 

Mitä todellisuudessa kuormittaa tunnelin sähköasemaa

Tunneli on pieni teollisuuslaitos, joka ulottuu kilometrin mittaisen betonirakenteen pituudelta. Ilmanvaihto hallitsee sähkökuormaa, mutta se ei ole ainoa kuorma, eikä eri kuormat käyttäydy lainkaan samalla tavalla. Yksittäisen kVA-luvun hyväksyminen ilman kuormien erottelua on se paikka, jossa suurin osa määrittelyvirheistä syntyy.

Kuorma	Tyypillinen alue	Velka	Miten se vaikuttaa mitoituksen tekoon
Pakopuhallin (akselityyppinen, moottorikäyttöinen)	22–250 kW	Vaiheittainen käynnistys/ pysäytys, satoja käynnistyskertoja vuodessa	Lukkiutuneen roottorin virta ja jännitepudotus alajänniteverkossa
Tunnelin ilmanvaihtopuhallin	200–1 000 kW	Jatkuva, kääntävä savunpoistoa varten	Suurin yksittäinen moottori; määrittää yleensä pienimmän sallitun koon
Savunestimen toimilaitteet ja ohjausjärjestelmät	alle 10 kW	Vain hätätilanteisiin, on pysyttävä asennossaan	Pieni kuorma, mutta jakaa saman kytkinpaneelin ja UPS-piirin
LED-tunneli- ja varo-valaistus	30–350 kW	Jatkuva, 100 %:n käyttöaste	Rikas harmoniikoissa; nostaa nollavirtaa
Tyhjennyskäymäläpumput	15–110 kW	Epäsäännöllinen, kostea ympäristö	Käynnistys vesisarakkeen vastaisesti; kosteuden tunkeutumisvaara
Muuntamojen ilmanvaihto ja ilmankosteutta alentavat laitteet	10–60 kW	Jatkuva	Nostaa muuntajan itse sijaitsemaa ympäristön lämpötilaa
SCADA, CCTV, viitat	alle 20 kW	Jatkuva	Ajokelpoisuusvaatimus tulotilanteessa

Suunnittelun ohjeet käsittelevät jo nyt näitä erillisinä osa-alueina. FHWA:n tieputkien suunnittelun ohjeet (https://www.fhwa.dot.gov/publications/focus/05nov/03.cfm) omistavat erilliset luvut ilmanvaihdolle, valaistukselle, tulensuojaukselle ja maanjäristysvarmuudelle – mutta kaikki ne perustuvat yhteen kuormitusaikatauluun, ja yksi muuntaja joutuu yleensä kantamaan kokonaiskuorman.

 

Moottorin käynnistys määrittää alarajan, ei käyntikuorma

Käyntikuorma on helppolukuinen arvo. Lisää tuuletinjärjestelmän, valaistuksen ja pumppujen tehot, sovella jakokerrointa, ja 1 500 kVA:n laite vaikuttaa runsaskokoiselta verrattuna 900 kVA:n tunneliin. Tarkastele sitten käynnistystä.

Tavallinen NEMA Design B -käyrän mukainen induktiomoottori ottaa suoraan verkkoon kytkettäessä noin kuusinkertaisen nimellisvirran. Otetaan esimerkiksi 250 kW:n lentokoneen siipipyörämoottori, joka on kytketty 480 V:n jännitteeseen: nimellisvirta on noin 300 A, joten lukittu-rotorivirta on noin 1 800 A, ja se säilyy tällä tasolla kaksi–neljä sekuntia, kunnes pyörä saavuttaa käyttönopeutensa. Jos toinen moottoriryhmä käynnistetään puoli sekuntia myöhemmin, muuntaja kantaa kuormaa, jota se ei koskaan koe normaalissa käytössä. Tämä luku määrittää nimikkeen.

Kahden parametrin perusteella päätetään, onko käynnistys hyväksyttävissä: muuntajan prosenttimainen impedanssi ja syöttöjohtimen impedanssi. 5,75 %:n impedanssilla varustettu muuntaja rajoittaa oikosulkuvirtaa turvallisesti, mutta aiheuttaa syvemman jännitepudotuksen moottorin napojen välillä. 4 %:n impedanssilla varustettu muuntaja tasoittaa jännitepudotusta ja nostaa mahdollista oikosulkuvirtaa, mikä vaatii alajännitemuuntajan katkaisimen sallitun virran ja väylän mekaanisen kestävyyden ottamaan tämä lisäkuorma vastaan. Esimerkiksi 700 metrin mittaisessa syöttöjohtimessa, joka kulkee keskitunnelin tuuletustilalle, kaapelin impedanssi voi aiheuttaa suuremman jännitepudotuksen kuin muuntaja itse.

Käytännön kokemus: suoritamme käynnistyslaskelman ennen kuin tunnelin tarjous lähtee tehtaasta, ja kun asiakas lähettää vain kuormaluettelon, lähetämme yhden kysymyksen takaisin – mikä on suurin moottori, miten se käynnistetään ja kuinka pitkä on sen kaapeli? Yksi vastaus tähän kysymykseen on muuttanut määriteltyä tehoa useammissa tunneliprojekteissa kuin mikään muu rivi aikataulussa.

 

TAJ:n harmoniset yliaallot muuttavat muuntajan kuormitusta tunnelin ilmanvaihdossa

Lähes jokainen uusi suihkutuuletin käyttää taajuusmuuttajaa, koska tuuletin, joka pyörii 30 %:n nopeudella hiljaisina aikoina, maksaa omat taajuusmuuttajansa energiakustannuksillaan. Taajuusmuuttaja muuttaa myös sitä, mitä muuntaja havaitsee toissijaisissa napoissaan.

Kuusipulssinen ajuri ottaa epäsinimuotoista virtaa, jonka kokonaisharmoninen vääristymä on tyypillisesti 25–45 prosenttia syötteessä. IEEE 519 -standardi asettaa jännitevääristymälle ylärajan 5 prosenttiin 69 kV:aa alemmalla väylällä ja tiukentaa virran vääristymän rajaa, kun saatavilla oleva oikosulkuvirta pienenee. Tunnelit sijaitsevat tämän käyrän hankalassa päässä: pitkät syöttöjohtimet, suhteellisen heikot lähteet ja useat ajurit, jotka on kytketty yhdestä toissijaisesta väylästä.

Seurauksena on, että tunnelin ilmanvaihtoajureita syöttävän muuntajan määrittely ei voi perustua pelkästään kVA-arvoon. Harmoninen virta lisää pyörrevirtahäviöitä ja hajaantuneita häviöitä, mikä nostaa käämien kuumimman pisteen lämpötilaa korkeammalle kuin sinimuotoinen kuorma aiheuttaisi samalla näennäisteholla. Siksi tuotettu resiinillä trafo tunneliprojektissa tilattava muuntaja on usein varustettu K-tekijän arvolla, liian suurella neutraalijohtimella tai delta-käämillä, joka sieppaa kolminkertaiset harmoniset taajuudet, sekä käämien lämpöluokalla, joka tarjoaa turvamarginaalia suunnittelukuorman yläpuolelle.

Ajurilla syötettyjen tunnelipaneelien kohdalla käytämme käytäntönä VFD-harmoniset taajuudet hallitse: Ota käyttöön kytketty ajokyky, lisää marginaali harmonisille tappioille ja määritä käämityksen lämpötilan nousuluokka yhtä luokkaa korkeammaksi kuin vähimmäisvaatimus. Lisäkustannus sisältyy tarjoukseen. Väärän ratkaisun kustannukset ilmenevät vasta seitsemäntenä vuonna.

 

 

Tuliturvallisuus määrittää teknologian, ei hintaa

Kysy, miksi lähes jokainen tunnelissa sijaitseva alajaakaista käyttää kuivatyypistä laitteistoa, ja vastaus ei ole tehokkuus. Vastaus on tuliturvallisuus. NFPA 502 (https://www.nfpa.org/codes-and-standards/nfpa-502-standard-development/502määrittelee tulonsuojelun ja tuliturvallisuuden vaatimukset tie­tun­ne­leihin, siltoihin ja muihin rajoitetun pääsyn moottoritieihin, ja se pitää ilmanvaihtoa elintärkeänä turvallisuustoimintona, joka on säilytettävä toiminnassa myös palon aikana.

Tämä vaatimus vaikuttaa suoraan muuntajaan. Öljyllä täytetty yksikkö, joka asennetaan tunnelin sisälle, tuo mukanaan syttyvän nesteen, öljynkeräysalueen, erillisen tilan ja lisäisiä tulieristystä vaativia ratkaisuja, joten useimmat suunnittelijat välttävät keskustelun ja määrittelevät tuotettu resiinillä trafo sisällä porausta tai viereisessä huoneessa. Tuotestandardit ovat yksiselitteisiä siitä, mitä tällaisen laitteen on täytettävä: IEEE C57.12.01 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.01/6775/) kattaa yleiset vaatimukset kuivatyypisille jakelu- ja tehomuuntajille, ja IEC 60076-11 kattaa kuivatyypiset tehomuuntajat jännitteelle enintään 36 kV.

Yksi yksityiskohta jää huomioimatta useammin kuin mikä tahansa muu: muuntaja on yhtä hyvä kuin sen syöttöjohto. Siellä, missä hätäilmanvaihtopiiri vaaditaan säilyttämään piirin toimintakyky tulitapahtuman aikana, kaapeli ja liitokset on kestettävä samat olosuhteet. Itsesammuttava valurésinämuuntaja, joka on kytketty tavallisella kaapelilla, on yleinen ja kallis ristiriita.

 

Putkimaailma vaikuttaa laitteisiin hiljaa

Tunnelin ilmasto on kostea, pölyinen ja lievästi syövyttävä. Suhteellinen kosteus yli 85 % on tavallista ilmanvaihtokanavassa, jarru- ja renkaanpöly laskeutuu kaikille vaakasuorille pinnoille, ja rannikolla sijaitseva tunneli lisää seokseen klorideja. Kanavan ympäristön lämpötila voi olla kesällä 40–45 °C, mitattuna muuntajan todellisen sijainnin kohdalla eikä tunnelin suuntauksessa.

Harjakäämitys kestää sitä paremmin kuin käämitty kuivamuuntaja, koska tuotettu resiinillä trafo valugynttyritys suojaan käämityksen kosteudelta. Määrittelyt täytyy silti ottaa huomioon ympäristö: kondenssinestämislämmittimet, IP-luokituksella varustettu liitintila ja suunnitteluympäristölämpötila, joka perustuu kanavan olosuhteisiin eikä alueelliseen keskimääräiseen säätietoon.

Korkeus vaikuttaa myös. 1 500 metrin korkeudessa muuntaja menettää lähes 9 % ilman tiukkuudesta, joka on käytettävissä konvektiiviseen jäähdytykseen, joten yksikkö, joka läpäisee lämpötilan nousutestinsä merenpinnan tasolla, ei ole automaattisesti hyväksyttävissä vuoristossa sijaitsevaan asennukseen. Pyydä toimittajaa ilmoittamaan tehoalennus, joka koskee paikallista ympäristölämpötilaa ja korkeutta, sekä esittämään laskelma – ei yleistä käyrää. Tämä on sama tarkistus, jonka teemme kaikille muuntaja tunnelin ilmanvaihtoon tarjoamme.

 

Mitä kysymme ennen tarjouksen antamista

Viisi kohtaa määrittävät tehon, hinnan ja toimituspäivän tunnelimuuntajatilauksessa. Jos ne ovat selvästi ilmoitettu pyynnössä, tarjous tulee yleensä oikein ensimmäisellä kerralla:

• Kuormitusaikataulu, jossa suurin moottori on eritellysti merkitty. Ilmoita sen käynnistystapa ja kaapelin pituus alalta. Kaikki muu seuraa tästä yhdestä tiedosta.
• Moottorin ohjaustyyppi ja lukumäärä. Kuusipulssinen, kaksitoistapulssinen tai aktiivinen etupää, sekä saatavilla oleva oikosulkuvirta alavännityksen (LV) väylällä – tämä määrittää harmonisten yliaaltojen varan.
• Jatkuvat kumitiivisteet peittävät sisäoven reunan tiukasti muodostaen turvallisen ja ilmatiukan ympäristösuojan hienojen pölyhiukkasten, kosteuden tunkeutumisen ja ympäristön kondenssiveden varalta erilaisissa paikallisissa olosuhteissa. Suunnitteluympäristö, korkeus, ilmankosteus ja maanjäristysluokka, jotka koskevat linjausta.
• Paloturvallisuusstrategia. Laitteet tunnelin kotelossa, erillisessä muuntamoissa tai kaukana — vastaus määrittää kuivatyypin vai nestetyn muuntajan.
• Sertifiointi ja hyötysuhdetavoite. UL-, CSA- tai IEC-testiraportit sekä kohdemaan vaatima hyötysuhdetaso.

Ryan Electric rakentaa kuivatyypisiä ja öljyimmersioituja muuntajia infrastruktuuri- ja teollisuusprojekteihin Pohjois-Amerikassa, Lähi-idässä ja Kaakkois-Aasiassa. Jiangsun tehtaan pinta-ala on 120 000 m², ja siellä on yli 180 tuotanto- ja testilaitetta. Sertifiointiportfolioon kuuluvat UL, CSA, IEEE, DEKRA ja CNAS. Vuodesta 2023 lähtien olemme toimineet Eatonin yhteisyrityskumppanina, mikä on siirtänyt testaus- ja laatuasiakirjamme ulkoisen tarkastuksen piiriin itseilmoituksen sijaan. Tunnelitilaus käsitellään samalla tavoin kuin tietokeskustilaus: rutinitestidatat, lämpötilan nousurekordit ja sertifiointi-asiakirjat lähetetään yksikön mukana.

 

Lähetä kuormitusaikataulu, ei vain kVA-lukua

Luku, joka ratkaisee muuntaja tunnelin ilmanvaihtoon ei ole yleensä kuormalistan ensimmäinen numero. Lähetä insinööreillemme kuormitusaikataulu, suurin moottori, käyttömuoto ja paikan olosuhteet, jolloin saat takaisin arvioinnin, harmonisten värähtelyjen varmennuksen ja tehon alentamislaskelman, jonka voit puolustaa suunnittelutarkistuksessa – ei pelkkää nimikilven arviota, joka perustuu kokeelliseen sääntöön.

Tekijästä: Tämän artikkelin ovat kirjoittaneet Ryan Electricin insinööritiimi, joka on muuntajavalmistaja Jiangsun provinssissa Kiinassa ja Eatonin yhteisyrityskumppani vuodesta 2023 lähtien. Ryan Electric toimittaa UL-, CSA- ja IEC-todistettuja kuivamuuntajia ja öljyimmersiomuuntajia tunneli-, metro-, tietokeskus- ja energiayhtiöprojekteihin Pohjois-Amerikassa, Lähi-idässä ja Kaakkois-Aasiassa.