מהמר להנעת מנהרות: הגדרת יחידות למנהרות כבישים ותחבורה תת-קרקעית

תקלה בציוד במנרה כביש כמעט ולא מתחילה במעגל התאורה. היא מתחילה במפרiciים. מהנדס אחזקה תיאר לנו את הסדרה במילים פשוטות: הבנק הראשון של מפרiciי הסילון מתחיל ללא בעיות, הבנק השני בסדר, בבנק השלישי מופעלים המפרiciים והמתח על קו ה-480 וולט יורד, המתנע נוטרל בגלל חוסר מתח, וההנעה ירדה למצב תקלה עוד לפני שהבדיקה עם העשן החלה בכלל. ה מהמר להנעת מנהרות היה מוגדר לפי רשימת עומסים. אף אחד לא דגם את ההפעלה הראשונית.

זה הדבר המביך בנוגע לחשמל ב터מיות. ברוב הזמן העומס הוא מועט — כמה מאות קילוואט של תאורה, מספר מזחמים, כמה משאבות. למספר שניות, מספר פעמים ביום, העומס כלל אינו מועט. הרמוניות של VFD והאותו יחידת חשמל שעוברת דרך הפעלת מנוע חייבת גם לפעול בזמן שריפה נבערת בכמה מטרים ממנה.

 

מה באמת מעמיס את תחנת הכוח של הטרם

טרם הוא מפעל תעשייתי קטן שנמשך לאורך קילומטר של בטון. התע ventilation (השאיבה והניפוח) מהווים את העומס החשמלי העיקרי, אך לא היחיד, והתנהגות העומסים השונים שונה לחלוטין. אישור ערך אחד בלבד של kVA, ללא הפרדה בין העומסים השונים, הוא המקור העיקרי לשגיאות בהגדרת הדרישות.

עומס	טווח טיפוסי	חובה	השפעתו על קביעת הגודל
מזחמן גלגלתי (צירי, מוזן ישירות)	22–250 קילוואט	הפעלה והשהיה בשלבים, מאות מחזורים בשנה	זרם חסימה וירידת מתח ברשת הנמוכה
מזחמן לשאיבה והניפוח בטרם	200–1,000 קילוואט	רציף, הפיך ליציאת עשן	המנוע הגדול ביותר בודד; בדרך כלל קובע את התחום המינימלי לגודל
מפענלי מחסומים למניעת עשן ובקרותיהם	מתחת ל-10 קילוואט	למצב חירום בלבד, חייב לשמור על המיקום	עומס קטן, אך משתף את אותו הלוח והמעגל של UPS
תאורת מנהרות ואורות חירום LED	30–350 קילוואט	רציף, משימה של 100%	עשיר בהרמוניות; מגביה את הזרם הנייטרלי
משאבות קולחנות ניקוז	15–110 קילוואט	סביבה רטובה, בעלת פעילות מחזורית	הפעלה נגד עמוד מים; סיכון חדירה של לחות
שאיבת אוויר ומייבשים בתחנות משנה	10–60 קילוואט	רציף	גובר על הטמפרטורה הסביבתית שבה נמצא הטרנספורמטור עצמו
מערכות בקרה מרחוק, מערכות תצפית, שלטים	מתחת ל-20 קילוואט	רציף	דרישת נסיעה דרך במקרה של אירוע שריפה

הנחיות העיצוב כבר מתייחסות לתחומים אלו כאל תחומים נפרדים. ה הנחיות לעיצוב מנהרות דרכים של ה-FHWA (https://www.fhwa.dot.gov/publications/focus/05nov/03.cfm) מוקדשים סעיפים נפרדים להשקייה, תאורה, אמצעי בטיחות מפני שריפות ועיצוב סיסמי — אך כל אלה מתכנסים לתכנית עומסים אחת, וטרנספורמטור אחד בדרך כלל חייב לשאת את התוצאה.

 

התנעה של המנוע קובעת את התחתית, לא עומס ההפעלה

עומס ההפעלה הוא המספר הקל. נוסיף את המפוחים, התאורה והמשאבות, נפעיל גורם מגוון, ויחידת 1,500 קילו-ואט-אמפר נראית généreuse לעומת מנהרה של 900 קילו-ואט-אמפר. לאחר מכן נבדוק את ההתנעה.

מנוע אינדוקציה סטנדרטי מסוג NEMA B מושך כ־6 פעמים את זרם הטעינה המלאה במהלך הפעלה ישירה על הרשת. לדוגמה, מנוע מאווררジェט של 250 קילוואט ב־480 וולט: זרם הטעינה המלא נמוך במעט מ־300 אמפר, ולכן זרם הנעילה הוא כ־1,800 אמפר, והוא נשאר ברמה זו במשך שניים עד ארבעה שניות שהמאוורר דורש כדי להגיע למהירות מלאה. אם מפעילים גוש נוסף חצי שניות מאוחר יותר, הטרנספורמטור נושא עומס שלא יראה שוב במהלך הפעלה רגילה. זהו המספר שמכתיב את הסימון על הלוחית.

שני פרמטרים קובעים האם ההפעלה מתקבלת: אחוז ההתנגדות הפנימית של הטרנספורמטור וההתנגדות של הקווים המזינים. יחידה באחוז התנגדות של 5.75% מגבילה את זרם הפגיעות בצורה נוחה, אך יוצרת שקיעה גדולה יותר במתח בקצות המנוע. יחידה באחוז התנגדות של 4% מחליקה את השקיעה ומעלת את זרם הפגיעות הצפוי, מה שדורש מהמתג התחתון (LV) ומהחיזוק של האוטו-בוס לספוג אותו. לאורך קו מזין באורך 700 מטר שמגיע לחדר מאווררים במרכז המנהרה, ההתנגדות של הכבל עשויה לתרום יותר לשקיעת המתח מאשר הטרנספורמטור עצמו.

חוות מעשית: אנו מבצעים את חישוב ההפעלה הראשוני לפני שציטוט התוואי יוצאת מהמפעל, וכשמלקוח שולח רק רשימת עומסים אנו שואלים שאלה אחת — מהו המנוע הגדול ביותר, כיצד הוא מופעל, ומהו אורך הכבל אליו? תשובת אחת זו שינתה את הדירוג המצוין בתוכנית של יותר פרויקטים של תוואי מאשר כל שורה אחרת בתוכנית.

 

הרמוניות של VFD משנות את הטעינה של טרנספורמטור להנעת תוואי

כמעט כל מאוורר גלגל-ジェט חדש מונע על ידי VFD, מאחר שמאוורר שפועל במהירות של 30% בשעות לא עמוסות משלם את עלות ה-VFD שלו בלחוד על ידי חיסכון באנרגיה. ה-VFD משנה גם את מה שהטרנספורמטור 'רואה' בטרמינלים המשניים שלו.

מונע שש-פעימות מושך זרם שאינו סינוסואידלי עם עיוות הרמוני כולל שמתווך בדרך כלל בין 25% ל-45% בכניסה. תקן IEEE 519 מגביל את עיוות המתח ל-5% על קו מתח נמוך מ-69 קילו-וואט, ומחמיר את הגבול העליון לעיוות הזרם ככל שזרם הסhort-circuit הזמין קטן. מנהרות נמצאות בקצה המביך של העקומה הזו: קווי אספקה ארוכים, מקורות יחסית חלשים, ומספר מנועים שמזינה אותם אותו קו משני.

התוצאה היא שלא ניתן לקבוע את טרנספורמטור שמזין מנועי ונטילציה במנהרה רק לפי הקילו-ולט-אמפר שלו. זרם הרמוני מוסיף אובדן זרמי מערבולת ואובדן פיזוז שמעלים את טמפרטורת נקודת החום המקסימלית של הליפוף מעבר למה שהטעינה הסינוסואידלית תיצור באותה הספק מדומה. לכן שנפרס פסולת רזינית טרנספורמטור בפרויקט מנהרה נבחר לעיתים קרובות עם דירוג K-팩טור, נייטרלי מוגדל, או ליפוף דלתא שיאסר הרמוניות מסדר שלוש, יחד עם דירוג טמפרטורה של הליפוף שנותן שדה בטיחות מעל הטעינה המתוכננת.

כלל האצבע שלנו עבור לוחות מנהרה שמוזנים על ידי מנועים הוא הרמוניות של VFD לשלוט: לקחת את קיבולת הפעולה המחוברת, להוסיף שולי בטחון לאובדן הרמוני ולציין את מחלקת העלייה בחום של הلفים בדרגה אחת מעל הדרישה המינימלית. העלות הנוספת מופיעה בהצעת המחיר. עלות הטעות מגיעה בשנה השביעית.

 

 

בטיחות מפני שריפות קובעת את הטכנולוגיה, לא המחיר

שאלו למה כמעט כל תחנת משנה בתוך מנהרה משתמשת בציוד יבש והתשובה איננה יעילות. היא ביטחון מפני שריפות. NFPA 502 (https://www.nfpa.org/codes-and-standards/nfpa-502-standard-development/502מגדיר את דרישות הגנת השריפה ובטיחות החיים מפני שריפות במנהרות כבישים, גשרים וכבישים אחרים בעלי גישה מוגבלת, ומעריך את הוורידציה כתפקוד קריטי לביטחון חיים שחייב לפעול גם בזמן שריפה.

הדרישה הזו מתפשטת ישירות למש(transformer). יחידה ממולאת שמן המוצבת בתוך גבולות המנהרה מביאה עמה נוזל דליק, בריכה לאגירת דליפות, תא מבודד ופריזות נוספות נגד שריפה, ולכן רוב המעצבים מעדיפים להימנע מהוויכוח וקובעים ציוד יבש. שנפרס פסולת רזינית בתוך החריץ או בחדר סמוך. תקני המוצרים מבהירים בבירור את הדרישות שאותו יחידה חייבת לקיים: IEEE C57.12.01 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.01/6775/) מכסה דרישות כלליות למשנות חלוקה ועוצמה מסוג יבש, ו-IEC 60076-11 מכסה משנות עוצמה מסוג יבש עד 36 קילו-וולט.

פרט אחד נדחה יותר מאשר כל שאר הפרטים: איכות המשנה תלויה באיכות הקו המזין אותה. כאשר מעגל הالتهרה החירום נדרש לשמור על שלמות החיבור במהלך אירוע שריפה, הכבל והחיבורים חייבים לשרוד את אותם התנאים. יחידה עצמאית מדליקה מסוג רזין יצוק, המחוברת בכבל סטנדרטי, היא אי-התאמה שכיחה ויקרה.

 

סביבת המנהרה פועלת על הציוד בשקט

אוויר התונל רטוב, מוער ומעט קורוזיבי. יחס הלחות היחסי מעבר ל-85% הוא מצב רגיל בתוך צינור אוורור, אבק של בלמים וטיפוסים שוקע על כל משטח אופקי, ותונל חוף מוסיף כלורידים לתערובת. הטמפרטורה הסביבתית בצינור יכולה להגיע ל-40–45°צ בקיץ, נמדדת במקום בו הטרנספורמטור נמצא באמת, ולא בפתח התונל.

לסלילים המוקפים ברזין יש עמידות טובה יותר לכך מאשר סלילים יבשים מלופפים, משום שבעריכת הרזין שנפרס פסולת רזינית הזרקה אוטמת את הסליל בפני חדירת לחות. עם זאת, הדרישות הטכניות חייבות להתחשב בסביבה: מחממי חלל למניעת הקפאה, קופסת ממשק עם דרגת הגנה IP, וטמפרטורת סביבה מוצעת המתבססת על הצינור – לא על ממוצע מזג האוויר האזורי.

גם הגובה משפיע. בגובה של 1,500 מטר צפיפות האוויר הזמינה להטיה קוניוקטיבית יורד בקרוב ל־9%, ולכן יחידה שמעבירה את בדיקת העלייה בטמפרטורה ברמה הימית איננה נחשבת אוטומטית כמתאימה למיקום בהר. יש לבקש מהספק לציין את הפחתת הקapasיטי התחומה עבור הטמפרטורה הסביבתית והגובה במיקום שלכם, ולהציג את החישוב ולא עקומה כללית — זהו אותו בדיקה שאנו מבצעים על כל מהמר להנעת מנהרות אנו מציגים הצעת מחיר.

 

מה שאנו שואלים לפני שנותנים הצעת מחיר

חמשה פריטים קובעים את ההספק, את המחיר ואת תאריך האספקה בהזמנת טרנספורמטור למעבר תחתי־קרקעי. אם הם ברורים בבקשת הצעת המחיר, בדרך כלל אנו שולחים את הצעת המחיר הנכונה כבר בפעם הראשונה:

• לוח זמנים של העומס, עם המנוע הגדול ביותר מסומן. סיפרו לנו על שיטת ההפעלה שלו ואורך הכבל מהתחנה המשנית. כל השאר נגזר מהרשומה הזו.
• סוג הנהג ומספרם. שש-פולסי, שתים־עשרה-פולסי או קצה חזק פעיל, בנוסף לזרם קצר זמין באוטו-בוס נמוך — זה קובע את שולי ההרמוניות.
• תנאי האתר. עיצוב הסביבה, הגובה, הרטיבות והקטגוריה הסיסמית שחלות על הקו
• אסטרטגית האש הציוד בתוך מעטפת המנהרה, בתחנת משנה מוקדשת או מרוחקת — התשובה קובעת האם להשתמש בטרנספורמטור יבש או מלא נוזל
• אישורים ויעד היעילות דוחות בדיקות של UL, CSA או IEC והרמה הנדרשת של יעילות במדינה היעד

ריינן אלקטריק בונה ממירים מסוג יבש ומשתף שמן לפרויקטים תשתיתיים ותעשייתיים בצפון אמריקה, במזרח התיכון ובאסיית דרום-מזרח. מפעל ג'יאנגסו שלנו משתרע על שטח של 120,000 מטר רבוע, וכולל יותר מ־180 סטים של ציוד לייצור ולבדיקה; תיק הاعتمדות שלנו כולל את UL, CSA, IEEE, DEKRA ו־CNAS. מאז 2023 פועלים אנו כשותף פעולה במשותף עם איטון, מה שהכניס את מסמכי הבדיקות והאיכות שלנו לתהליך ביקורת חיצוני במקום להצהרה עצמית. הזמנת מנהרה נعاملת באותה צורה כמו הזמנת מרכז נתונים: נתוני בדיקות רגילות, רשומות עליית הטמפרטורה ומסמכים מאושרים נשלחים יחד עם היחידה.

 

שלחו את לוח העומסים, לא רק את ה־kVA

המספר שמחליט את זה מהמר להנעת מנהרות זוהי לעיתים נדירות המספר הראשון ברשימת העומסים. שלחו למפתחינו את לוחות העומסים, את המנוע הגדול ביותר, את סוג הנהגה ואת תנאי האתר, ותקבלו בחזרה דירוג, שדה הרמוני וحساب ירידה בקיבולת שניתן להגן עליו בעת סקירת התכנון, במקום תווית שם שנבחרה על-פי כלל אצבע.

על המחבר: מאמר זה נכתב על ידי צוות ההנדסה של Ryan Electric, יצרנית טרנספורמטורים בג'יאנגסו, סין, ושותפה משותפת של Eaton מאז 2023, אשר מספקת טרנספורמטורים יבשים ומשומרים בשמן, מאושרות לפי תקני UL, CSA ו-IEC, לפרויקטים של מנהרות, רכבות תחת קרקעית, מרכזי נתונים ותשתית חשמל באמריקה הצפונית, במזרח התיכון ובדרום מזרח אסיה.