Transzformátor alagút szellőztetéshez: egységek megadása közúti alagutakhoz és aluljárókhoz

Az útalagútban bekövetkező berendezéshibák majdnem soha nem a világítási ágban kezdődnek. A ventilátoroknál kezdődnek. Egy üzembe helyezési mérnök egyszerű szavakkal írta le nekünk a sorrendet: az első sugárfan csoport hibátlanul indul, a második csoport is rendben van, a harmadik csoport bekapcsolásakor a 480 V-os busz feszültsége leesik, a meghajtó alulfeszültség miatt leáll, és a szellőztetés hibába kerül, még mielőtt a füstteszt elkezdődne. A transzformátor alagút szellőztetéshez a terheléslistából lett méretezve. Senki nem modellezte a beindulást.

Ez az, ami kínos a csöves áramellátásnál. A terhelés legtöbbször mérsékelt — néhányszáz kilowatt világítás, néhány ventilátor, néhány szivattyú. Néhány másodpercre, napi többször, egyáltalán nem mérsékelt. És ugyanaz az egység, amely átvészeli egy motor indítását, ugyanakkor el kell viselnie VFD-harmonikusok a szellőztető meghajtókon és továbbra is működnie kell, miközben egy tűz néhány méterre ég.

 

Mi terheli valójában egy alagút alállomását

Egy alagút egy kis ipari üzem, amely egy kilométernyi beton mentén nyúlik el. A szellőztetés dominálja az elektromos terhelést, de nem az egyetlen, és a különböző terhelések teljesen eltérő módon viselkednek. Egyetlen kVA-érték jóváhagyása anélkül, hogy szétválasztanánk őket, az a pont, ahol a legtöbb specifikációs hiba keletkezik.

Teher	Tipikus Tartomány	Feladat	Mit jelent ez a méretezés szempontjából
Sugárfan (axiális, meghajtásról táplált)	22–250 kW	Fokozatos indítás/leállítás, évente százakat számító ciklus	Zártrotor-áram és feszültségesés az LV buszon
Alagút szellőztető ventillator	200–1000 kW	Folyamatos, füstelvezetéshez visszafordítható	Legnagyobb egyedi motor; általában meghatározza a minimális méretet
Füstcsappantyú-működtetők és vezérlők	10 kW alatt	Csak vészhelyzetben, helyzetét meg kell tartania	Kis terhelés, de ugyanazzal a táblával és UPS-körkörrel osztozik
LED-alagút- és vészvilágítás	30–350 kW	Folyamatos, 100%-os üzemmód	Harmonikus komponensekben gazdag; növeli a semleges áramot
Csatornázó szennyvízszivattyúk	15–110 kW	Időszakos, nedves környezet	Vízoszlop elleni indítás; nedvesség behatolásának kockázata
Alállomások szellőztetése és páratartalom-csökkentő berendezései	10–60 kW	Folyamatos	Növeli a transzformátor saját környezetének hőmérsékletét
SCADA, CCTV, tájékoztató táblák	20 kW alatt	Folyamatos	A menetelési követelmény tűzeset során

A tervezési irányelvek már most is különálló szakterületként kezelik ezeket. A FHWA út alatti alagút tervezési irányelvei (https://www.fhwa.dot.gov/publications/focus/05nov/03.cfm) külön fejezeteket szentelnek a szellőzésnek, a világításnak, a tűzvédelmi intézkedéseknek és a földrengésbiztos tervezésnek – de mindegyikük ugyanarra a terhelési ütemtervre épül, és általában egyetlen transzformátorra hárul az eredmény.

 

A motorindítás határozza meg az alsó határt, nem a folyamatos üzemi terhelés

A folyamatos üzemi terhelés kiszámítása egyszerű. Adjuk össze a ventilátorokat, a világítást és a szivattyúkat, alkalmazzunk egy sokszorosítási tényezőt, és egy 1500 kVA-os egység bőven elegendőnek tűnik egy 900 kVA-os alagúthoz. Ezután nézzük meg az indítást.

Egy szokásos NEMA Design B indukciós motor közvetlen hálózati indításkor kb. hatszoros névleges áramot vesz fel. Vegyük példaként egy 250 kW-os sugárfan motorját 480 V-on: a névleges áram kb. 300 A, így a rögzített forgórész-áram körülbelül 1800 A, és ezt az értéket a ventilátor sebesség eléréséig – két-tíz másodpercig – tartja. Ha fél másodperccel később indítunk egy második ventilátorcsoportot, a transzformátor olyan terhelést visel, amelyet normál üzem során soha többé nem fog látni. Ez az érték határozza meg a típustábla adatait.

Két paraméter dönti el, hogy az indítás elfogadható-e: a transzformátor százalékos impedanciája és a táplevezeték impedanciája. Egy 5,75%-os impedanciájú egység kényelmesen korlátozza a rövidzárási áramot, de mélyebb feszültségesést eredményez a motor csatlakozóinál. Egy 4%-os egység enyhíti az esést, de növeli a várható rövidzárási áramot, amelyet ezután az alacsonyfeszültségű megszakító névleges értéke és a sínrendszer mechanikai merevsége is el kell bírjon. Egy 700 m hosszú táplevezetéknél, amely egy alagút közepén lévő ventilátorhelyiségbe vezet, a kábel impedanciája nagyobb feszültségesést okozhat, mint maga a transzformátor.

Gyakorlati tapasztalat: a kezdőszámítást a gyárból kimenő alagút-költségvetés előtt végezzük el, és ha egy ügyfél csak egy terheléslistát küld, akkor egyetlen kérdést küldünk vissza – mi a legnagyobb motor, hogyan indul, és milyen hosszú a hozzá vezető kábel? Ez az egyetlen válasz több alagútprojektnél is megváltoztatta a megadott névleges teljesítményt, mint bármely más sor a tervben.

 

A frekvenciaváltók harmonikusai megváltoztatják a transzformátor terhelési körülményeit az alagút szellőzéséhez

Majdnem minden új sugárfan-típus frekvenciaváltóval működik, mert egy olyan ventilátor, amely csúcsidőn kívül 30%-os fordulatszámon üzemel, egyedül az energiafelhasználás csökkentéséből megtéríti a frekvenciaváltó költségét. A frekvenciaváltó emellett megváltoztatja azt is, amit a transzformátor a másodlagos kivezetéseinek pontján érzékel.

Egy hatfélhullámú meghajtó nem szinuszos áramot vesz fel, amelynek teljes harmonikus torzítása általában 25–45 % között mozog a bemenetnél. Az IEEE 519 szabvány 5 %-ra korlátozza a feszültség-torzítást 69 kV-nál alacsonyabb feszültségű buszon, és szigorítja az áram-torzítás korlátozását, ahogy a rendelkezésre álló rövidzárási áram csökken. A alagutak e görbe kényelmetlen végén helyezkednek el: hosszú táplálóvezetékek, viszonylag gyenge források és több meghajtó egyetlen szekunder buszról történő táplálása.

Ennek következménye, hogy egy alagút szellőztetési meghajtóit tápláló transzformátor nem határozható meg kizárólag kVA érték alapján. A harmonikus áram örvényáramos és szórt veszteségeket okoz, amelyek a tekercsek forrópontjának hőmérsékletét meghaladó értékre emelik a szinuszos terhelésnél ugyanazon látszólagos teljesítménynél elérhető értéknél. Ezért egy ápolt részszervel transzformátor alagútprojekthez gyakran K-tényezős minősítéssel, megnagyobbított nullvezetővel vagy triplaharmonikusokat elnyelő delta tekercseléssel, valamint a tervezési terhelés fölé nyúló tekercshőmérséklet-osztállyal rendelkező transzformátort rendelnek.

A meghajtókkal táplált alagút-elosztópanelek esetében irányelvünk az, hogy ahol VFD-harmonikusok uralkodó: vegye figyelembe a kapcsolt hajtási teljesítményt, adjon hozzá egy tartalékot a harmonikus veszteségekhez, és adja meg a tekercsek hőmérséklet-emelkedési osztályát egy fokozattal magasabb szinten, mint amit a minimális követelmény előír. Az extra költség a közbeszerzési ajánlatban szerepel. A hibás döntés költsége a hetedik évben jelentkezik.

 

 

Tűzbiztonság dönti el a technológiát, nem az ár

Kérdezze meg, miért üzemel majdnem minden alagútbeli alállomás száraz típusú berendezéssel – a válasz nem a hatékonyság. A válasz a tűzbiztonság. NFPA 502 (https://www.nfpa.org/codes-and-standards/nfpa-502-standard-development/502) meghatározza a tűzvédelmi és tűzvédelmi életbiztonsági követelményeket közúti alagutakhoz, hidakhoz és egyéb korlátozott hozzáférésű autópályákhoz, és a szellőzést kritikus életbiztonsági funkcióként kezeli, amelynek működnie kell egy tűz idején is.

Ez a követelmény közvetlenül a transzformátorra is kiterjed. Egy olajjal töltött egység elhelyezése az alagút burkolata belső térében gyúlékony folyadékot, olajfogó rendszert, védett helyiséget és további tűzszigetelést igényel, ezért a legtöbb tervező elkerüli ezt a vitát, és száraz típusú egységet ír elő ápolt részszervel transzformátor a furat belsejében vagy egy szomszédos helyiségben. A termék szabványok egyértelműen meghatározzák, hogy ilyen egységnek milyen követelményeket kell teljesítenie: IEEE C57.12.01 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.01/6775/) általános követelményeket állapít meg a száraz típusú elosztó- és erőtranszformátorokra, az IEC 60076-11 pedig a 36 kV-ig terjedő száraz típusú erőtranszformátorokra vonatkozik.

Egy részletet gyakrabban hagy el az ember, mint bármely másikat: a transzformátor annyira jó, amennyire jó a tápellátása. Ott, ahol a vészhelyzeti szellőzési áramkörnek tűz esetén is meg kell őriznie áramköri integritását, a kábelnek és a csatlakozásnak ugyanazokat a feltételeket is ki kell bírniuk. Egy önmagától eloltó öntött gyanta típusú egység szokványos kábellel történő bekötése gyakori és drága ellentmondás.

 

A alagút környezete csendesen hat az eszközökre

A tunnelban a levegő nedves, poros és enyhén korrózív. A páratartalom 85%-nál magasabb értéke a szellőzőaknában általános jelenség, a fék- és gumiabroncs-por minden vízszintes felületre leülepszik, és egy tengerparti tunnelban a keverékhez kloridok is hozzáadódnak. Az aknában uralkodó környezeti hőmérséklet nyáron 40–45 °C között mozoghat, a mért érték a transzformátor tényleges helyén, nem a bejáratnál van meghatározva.

A gyantával tömített tekercsek jobban bírják ezt, mint a burkolt száraz típusú tekercsek, mert a ápolt részszervel transzformátor öntés vízszigetelést biztosít a tekercseknek. A specifikációnak továbbra is figyelembe kell vennie a környezeti feltételeket: kondenzáció elleni fűtőelemek, IP-védettségű csatlakozódoboz és a környezeti hőmérséklet megadása az aknából, nem a régió átlagos időjárási adataiból.

A magasság is számít. 1500 méteren a hűtéshez szükséges levegő sűrűsége közel 9%-kal csökken a konvektív hűtéshez, így egy tenger szintjén sikeres hőfok-emelkedési vizsgálatot átment egység nem feltétlenül megfelelő hegyvidéki pályaszakaszon. Kérje meg a szállítót, hogy jelezze a helyszínre vonatkozó környezeti hőmérséklet és magasság mellett alkalmazandó teljesítménycsökkentést, és mutassa be a számítást – ne egy általános görbét; ezt a vizsgálatot mi is minden transzformátor alagút szellőztetéshez ajánlatot adunk.

 

Amire kérünk, mielőtt árajánlatot adnánk

Öt tényező határozza meg a teljesítményt, az árat és a szállítási időpontot egy alagúttranszformátor-megrendelés esetében. Ha ezek egyértelműek a megkeresésben, az árajánlat általában elsőre helyesen érkezik vissza:

• Terhelési ütemterv, a legnagyobb motor kiemelésével. Adja meg indítási módját és a kábelhosszt a transzformátorállomástól. Minden más ebből az egy bejegyzésből következik.
• Hajtás típusa és darabszáma. Hatimpulzusos, tizenkét impulzusos vagy aktív bemeneti oldal, valamint a kisfeszültségű buszra rendelkezésre álló rövidzárási áram – ez határozza meg a harmonikus tartalékot.
• A folyamatos gumitömítés tökéletesen lefedi az ajtó belső peremét, így megbízható, levegőt nem átengedő környezeti védelmet biztosít finom por részecskék, nedvesség behatolás és környezeti kondenzáció ellen változó helyszíni körülmények mellett. A tervezési környezet, a tengerszint feletti magasság, a páratartalom és a vonalvezetésre vonatkozó földrengés-kategória.
• Tűzvédelmi stratégia. A felszerelés a csővezeték burkolatán belül, egy különálló alállomáson vagy távolról – a válasz határozza meg, hogy szárazfokozatú vagy folyadékkal töltött transzformátor szükséges.
• Tanúsítás és hatásfok-cél. UL-, CSA- vagy IEC-mérési jelentések, valamint a célország által előírt hatásfokszint.

A Ryan Electric száraz- és olajtöltésű transzformátorokat gyárt infrastrukturális és ipari projektekhez Észak-Amerikában, a Közel-Keleten és Délkelet-Ázsiában. A jiangsui gyárunk 120 000 m²-es területet foglal el, több mint 180 darab gyártó- és tesztelőberendezéssel, és tanúsítványaink között szerepelnek az UL, a CSA, az IEEE, a DEKRA és a CNAS tanúsítások. 2023 óta Eaton közös vállalati partnereként működünk, amely lépés a tesztelési és minőségirányítási dokumentációinkat külső audit folyamathoz kötötte, nem pedig önmagunk általi nyilatkozatra. Egy alagútprojekt megrendelése ugyanúgy kezelődik, mint egy adatközpont-megrendelés: a rutin teszteredmények, a hőmérséklet-emelkedési feljegyzések és a tanúsítási dokumentumok a készülékkel együtt kerülnek szállításra.

 

Küldje el a terhelési ütemtervet, ne csak a kVA értéket

Az a szám, amely dönti el transzformátor alagút szellőztetéshez ritkán szerepel az első szám a terhelési listán. Küldje el mérnökeinknek a terhelési ütemtervet, a legnagyobb motort, a meghajtás típusát és a helyszín körülményeit, és egy értékelést, egy harmonikus tartalékot és egy lefokozási számítást kap vissza, amelyet a tervezési felülvizsgálaton meg tud védeni – nem pedig egy tapasztalati szabály alapján kiválasztott névplátként.

A szerzőről: Ezt a cikket a Ryan Electric mérnöki csapata írta, egy jiangsui kínai transzformátor-gyártó vállalat, amely 2023 óta az Eaton közös vállalkozási partnere, és UL-, CSA- és IEC-tanúsított száraz- és olajtöltésű transzformátorokat szállít alagút-, metró-, adatközpont- és közműprojektekhez Észak-Amerikában, a Közel-Keleten és Délkelet-Ázsiában.