A pad-mounthozott transzformátorokban fellépő ferrorezonancia: amit egy pad-mounthozott transzformátor gyártó szeretne, hogy a szakértők tudjanak

 

Mint egy padmount transzformátor-gyártó , ugyanazt a hibát ugyanabban a sorrendben tapasztaljuk újra és újra. Egy padra szerelt egységet karbantartás céljából kicserélnek. A kábel végén lévő emelőrúd-földelőkisülő készülék meghibásodik. A szakmunkások kicserélik a földelőkisülő készüléket, üzembe helyezik az egységet, majd a csere után néhány hónapon belül – néha akár néhány héten belül – ismét meghibásodik. A transzformátor maga minden szokásos ellenőrzésen hibátlanul működik. A típistolapon semmi nem hibás. A földelőkisülő készüléket a ferrorezonancia pusztítja el, és szinte soha nem a földelőkisülő készülék hibája.

A ferrorezonancia valójában mi

 

A transzformátor magja nem lineáris induktivitás. A telítés alatt a gerjesztő reaktancia értéke magas. Amint a mag közeledik a telítéshez, ez a reaktancia összeomlik. Ha egy ilyen viselkedésű komponenst egy olyan áramkörbe helyezünk, amelyben kapacitás is szerepel – például egy földalatti kábel burkolati kapacitása, egy megszakító feszültségelosztó kapacitása, egy csatlakozó vagy egy kondenzátorbank kapacitása –, akkor egy kapcsolási zavar olyan rezgést indíthat el az áramkörben, amelyet egyik elem sem tudna önállóan létrehozni.

Ez az egész definíció, és egyben magyarázatot is ad arra, hogy miért a transzformátorok ferrorezonanciája nem az a rendezett rezonancia, amelyet az XL = XC képletből számítunk ki. Egy lineáris induktornál csak egy rezonanciafrekvencia és egy állandósult állapot létezik. Egy telíthető maggal rendelkező esetben azonban több ilyen frekvencia és állapot is létezik, és az áramkör ugrálhat közöttük. IEEE Technology Navigator — Ferrorezonancia (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) négy fő rezgési módot ír le: az alapfrekvenciás ferrorezonanciát a tápfeszültség frekvenciáján; az alharmonikus ferrorezonanciát a tápfeszültség frekvenciájának tört részén, leggyakrabban egyharmadán; a kvázi-periodikus ferrorezonanciát szabálytalan hullámformákkal; és a kaotikus ferrorezonanciát, amelyben egyáltalán nincs ismétlődő minta. Ezen módokban fellépő hosszan tartó túlfeszültségek elérhetik a névleges vonali feszültség öt- vagy hatszorosát, ami messze meghaladja azt a feszültségszintet, amelyet egy elosztótekercs szigetelési koordinációja hosszan tartó teljesítményfrekvenciás terhelésre feltételez.

Két azonos típistáblával rendelkező egység teljesen eltérően viselkedhet. A kör által elfoglalt mód az induktivitástól, a kapacitástól, a feszültség nagyságától és a kezdeti feltételektől függ – ami gyakorlatilag azt jelenti, hogy attól függ, pontosan mikor záródik a kapcsoló. Ezért egy névleges értékeken alapuló tanulmány nem fogja észlelni, és ezért lehet ugyanaz a kapcsolási művelet százszor hibátlanul lefutni, majd a százegyedik alkalommal meghiúsulni.

Ha jelenleg egy pad mounted (talapzaton elhelyezett) szabvány szerint dolgozik, mérnöki csapatunk a feszültségérték véglegesítése előtt átnézi Önnel a primer áramkört. Küldjön nekünk egy vonaldiagramot, és együtt átnézzük az alábbi négy feltételt.

A négy feltétel, amelyeknek egyszerre kell teljesülniük

 

A ferrorezonancia kényes. Négy feltétel egyidejű fennállását igényli: terhelésmentes szekunder oldal, magas primer kapacitás, aszimmetrikus egyfázisú kapcsolás , valamint egy olyan mag, amely mérsékelt túlfeszültségnél is telítődik – éppen ezért soha nem jelenik meg terheléselosztási tanulmányban, és éppen ezért olyan nehéz reprodukálni próbateremben.

Állapot	Miért fontos ez	Gyakorlatban hol jelentkezik
Terhelésmentes vagy kis terhelésű szekunder oldal	A terhelés ellenállása csillapítja az ingadozást; egy üres szekunder oldal egyáltalán nem nyújt csillapítást	Új településrész bejárat előtt, szezonális gyártási leállás, tartalék egységként tartott berendezés
Magas primer kapacitás	A kábelbélés kapacitása egységnyi hosszon sokkal magasabb, mint egy felsővezetékes vonalé.	Hosszú alagútjáró táplálókábel, emelőkábel, hálózati szekrény, kábelről táplált ipari fogyasztó.
Aszimmetrikus kapcsolás.	Egy vagy két fázist izolálva hagy, de továbbra is kapacitívan csatolt marad a forráshoz.	Egyfázisú leválasztók, egy kiégett biztosíték, egypólusú újra bekapcsolók, könyökcsatlakozó kezelése.
Olyan mag, amely mérsékelt túlfeszültségnél telítődik.	A gerjesztési induktivitás összeomlik, így az áramkör ugrálhat a működési pontok között.	Modern, alacsony veszteségű magok és olyan tervek, amelyek magasabb fluxussűrűségen működnek.

 

Ha bármelyiket a négyből eltávolítják, a jelenség általában nem indul el. Ez hasznos, mert azt jelenti, hogy négy különálló helyen lehet kiküszöbölni – és a legolcsóbb megoldás majdnem mindig a kapcsolási elrendezés. Ez az a pont is, ahol a beszélgetésnek a megajánlásról a kiválasztásra kell áttérnie, és ez az első dolog, amit egy padmount transzformátor-gyártó kell felvetnie Ön előtt.

Mi történik az egységgel, mielőtt bárki észrevenné

 

A személyzet által elsőként észlelt hiba általában a túlfeszültség-védő , nem a tartály belsejében jelentkezik. A fém-oxidos túlfeszültségvédő egy ellenállás, amely csak a névleges feszültség fölött válik vezetővé. Egy tartós ferrorezonáns túlfeszültség vezetésbe kényszeríti, és az oszcillációt hővé alakítja egy kerámia blokk belsejében, amelyet mikroszekundumos impulzusokra és meghatározott üzemi ciklusra méreteztek. Az Eaton padmontált transzformátorok túlfeszültségvédelméről szóló referenciaadatai egyértelműen megadják a határt: a túlfeszültségvédők csökkentik a túlfeszültségeket, de nem szüntetik meg őket, és minél magasabb az üzemidő-ciklus, annál több vezető anyag van jelen, és annál hosszabb ideig bírja el a túlfeszültséget a meghibásodás előtt. Egy könnyű üzemi elosztó túlfeszültségvédő, amely tökéletesen megfelel a villámcsapások esetére, nem méretezett percekig tartó teljesítményfrekvenciás energiára. Eaton referenciaadat TC202005EN — Padmontált transzformátorok túlfeszültségvédelme (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)

Az levezető mögött a károsodás csendesebb és nehezebben észlelhető rutinpróba során. A csatlakozódoboz felületein látható a nyom, ahol átütés történt. A tekercsek szigetelése az oszcilláció csúcsánál szakad át, és a szakadás gyakran olyan kicsi, hogy a menetszám-arány teszt még mindig sikeres. A mag túlmelegszik, mert a mágneses fluxus kilép a tervezési tartományból, és a hő rövidíti le a szigetelés élettartamát. A levezető meghibásodása általában az első, de nem az egyetlen károsodás.

Van egy másik tünet is, amely egyáltalán nem elektromos jellegű. Egy ferrorezonancia állapotban lévő egység gyakran alacsony frekvenciás zümmögést vagy rezgést produkál, amely eltér a normális magnetostrukturációs zümmögéstől – egyenetlen, szabálytalan és elég hangos ahhoz, hogy a személyzet észrevegye még bármely relé működése előtt. Tekintsük ezt egy jelzésnek, ne zavarónak.

 

Az egyfázisú kapcsolás az az indító tényező, amelyet Ön irányíthat

 

A négy feltétel közül az aszimmetrikus kapcsolás az egyetlen, amelyet a tervező egyetlen tétellel eltávolíthat. Egyfázisú kapcsolás egy háromfázisú transzformátorcsoportnál – legyen szó kiválasztókapcsolókról, egy kiégett biztosítékról vagy egyetlen pólusú újra-záró rendszerről – részben energizált állapotot hagy a csoportban, és kapacitív csatolást hoz létre a forrással, ami a klasszikus indító mechanizmus kábelhálózatos elosztórendszerekben.

Az IEEE Std C57.105-2019 szabvány, amely a transzformátorok háromfázisú villamos rendszerekben történő alkalmazásának útmutatója, ezen kapcsolódási és kapcsolási kölcsönhatásokat tervezési szempontként kezeli, nem pedig baleseti eseményként: IEEE Std C57.105-2019 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) ez a szabvány éppen azért létezik, mert a transzformátor kapcsolódása és a körülötte lévő áramkör kölcsönhatása dönti el, hogy a rendszer megfelelően vagy hibásan működik.

A mezőn működő megoldások nem feltűnőek. A konfiguráció engedélyezi, akkor mindhárom fázist együtt kapcsolja be és ki egy többfázisú, közös működtetésű készülékkel, ne pedig egyszerű fáziskapcsolókkal. Ott, ahol az egyszerű fáziskapcsolók elkerülhetetlenek, a kapcsolás idejére kis állandó ellenállási terhelést tartsunk a másodlagos oldalon, hogy az ingadozásnak legyen hová elszóródnia. A következő szint a csillapító ellenállás vagy a ferrorezonancia-ellenszabályozó áramkör a tekercsre kapcsolva, és egy túlfeszültség-védő a villámcsapásokon túli ideiglenes túlfeszültségre kiválasztott levezetőkészülék a legutolsó szint.

Ezekhez egyáltalán nem szükséges exotikus hardver. Ehelyett a kapcsolási séma és a túlfeszültség-levezetők üzemideje ugyanolyan időben dőljön el, mint a transzformátor névleges teljesítménye – nem pedig utólag, miután a kábel már be van fektetve.

Öt dolog, amit fel kell venni az ajánlatkérésbe

 

Tekercselési kapcsolás és földelés. Jelölje, hogy elfogadható-e a földelt csillagkapcsolású primer oldal. Egy hosszú kábelvezetékkel ellátott földelés nélküli delta kapcsolású primer oldal a legnagyobb kockázatot jelentő elrendezés, és a válasz teljesen megváltoztatja a túlfeszültségi képet.

Elsődleges kapcsolóberendezés típusa. Csoportosan működtetett háromfázisú terhelésalállító kapcsoló, háromfázisú újra-zárás vagy egyszerű fázisú leválasztók. Ha az egyszerű fázisú eszközök elkerülhetetlenek, jelezni kell, mert ez megváltoztatja a túlfeszültség-védő a tökéletes választást.

Földelő osztályát, üzemi ciklusát, a legnagyobb folyamatos üzemfeszültségét (MCOV) és az átmeneti túlfeszültséggel szembeni ellenállását. „Földelők beépítve” nem specifikáció. Kérjen földelőt, amelyet az átmeneti túlfeszültségre méreteztek, nem csupán a villámcsapásra.

Kábelütemterv. Minden elsődleges szakasz vezetőméretének, hosszának és szigetelésének típusának megadása. A köpenykapacitás a rezonáns kör másik fele, és nem látható a névplackos ütemterven.

Másodlagos csillapítás. Az, hogy a kapcsolás idején állandó kis terhelés vagy csillapító ellenállás marad-e a másodlagos oldalon, és hogy ez hány százaléka a névleges értéknek.

Mit kér egy padmount transzformátor-gyártó, mielőtt megrendelné

 

Bármely olyan projekt esetében, ahol hosszú főkábel-hosszak szerepelnek, az első dokumentum, amit kérünk, nem a névplaca-szabályzat. Hanem az egyvonalas rajz kábeltávolságokkal és kapcsolási elrendezéssel, mert ez a két tényező dönti el, hogy az túlfeszültség-kockázat elhanyagolható vagy valós. A padmount transzformátor-gyártó aki csak a transzformátorlista alapján idéz, egy egységet idéz, nem pedig egy megoldást.

Minden egység egy szokásos tesztelési sorozaton megy keresztül, és a terhelésmentes veszteség és a gerjesztőáram értékeket rögzítik a folyamat során. Ez a két adat az a bemeneti információ, amely egy ferrorezonancia-kérdést véleményből számítássá alakítja, és szállítás előtt – kérésre – továbbítjuk azokat a tanácsadó mérnöknek.

A Ryan Electric cég 2007 óta gyárt elosztó- és teljesítménytranszformátorokat egy 120 000 m²-es gyártótelepről, ahol 180-nál több gyártási és tesztelési berendezés és 37 szabadalom található. 2023 óta a cég hivatalos közös vállalkozási partnere az Eaton cégnek, ez egyik oka annak, hogy a túlfeszültség-védelem és a kapcsolási koordináció kérdéseit a transzformátor hatáskörébe tartozónak tekintjük, nem pedig mások problémájának.

Észak-amerikai elővárosi területeken gyakran előforduló jelenség, hogy egy kis háromfázisú egység – 75 kVA-tól 500 kVA-ig – helyezkedik el egy hosszú, földalatti mellékvezeték végén, amelyet egyszerű fázisvezetékes biztosítók táplálnak, és egy olyan terhelést lát el, amely egy év múlva jelenik meg csak. Az összes felsorolt feltétel egyszerre áll fenn, és a telephely hónapokon át terhelésmentes. Amikor a tervező egy csoportosan működtethető kapcsolóra tér át, és a beüzemelés ideje alatt kis ellenállási terhelést hagy a másodlagos oldalon, a túlfeszültség-védelem meghibásodásai megszűnnek.

Ha padmount egységeket ad meg kábelhálózatra csatlakoztatott rendszerhez, küldje el nekünk a fővonalas diagramot és a kábeltervet a megrendelés leadása előtt. Átnézzük a kapcsolási elrendezést, a túlfeszültség-védelem (arrester) műszaki leírását és a másodlagos csillapítást az Ön tényleges áramkörének megfelelően, majd tájékoztatjuk, melyiket a négy feltétel közül teljesít – és melyiket tervezte ki már korábban. Ez az a párbeszéd, amit egy padmount transzformátor-gyártó kellene folytatnia Önnel a megrendelés leadása előtt, nem pedig az első túlfeszültség-védelem (arrester) meghibásodása után.

A szerzőről

Ezt a cikket a Ryan Electric transzformátor-mérnöki csapata készítette. A Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) öntött gyanta- és VPI száraz típusú transzformátorokat, olajtöltésű transzformátorokat és padmount egységeket tervez és gyárt 120 000 m²-es gyártótelepén, és így szolgálja az adatközpontokat, ipari létesítményeket, közműveket és infrastrukturális projekteket Észak-Amerikában, Délkelet-Ázsiában, a Közel-Keleten és Afrikában.