Transformators tunelā ventilācijai: specifikācijas vienības ceļu tuneliem un zemzemes satiksmes sistēmām

Iekārtu atteice ceļu tunelī gandrīz nekad neuzsākas apgaismojuma ķēdē. Tā sākas vēdekļos. Uzstādīšanas inženieris mums to aprakstīja vienkāršos vārdos: pirmais strūklas vēdekļu bloks ieslēdzas bez problēmām, otrajam blokam arī viss ir kārtībā, bet kad ieslēdzas trešais bloks, 480 V barošanas līnijas spriegums nokrīt, piedziņa izslēdzas zema sprieguma dēļ un ventilācija pāriet avārijas režīmā pat pirms dūmu testa var tikt uzsākts. transformators tunelā ventilācijai bija izvēlēts, pamatojoties uz slodzes sarakstu. Neviens nebija modelējis ieslēgšanos.

Tas ir neērts tunelī izmantojamās elektroenerģijas aspekts. Lielāko daļu laika slodze ir mērena — daži simti kilovatu apgaismojumam, daži ventilatori, dažas sūknis. Dažas sekundes vairākas reizes dienā tā vispār nav mērena. Un tas pats ierīces vienības tips, kas iztur elektromotoru palaišanu, arī jāiztur VFD harmonikas ventilācijas piedziņās un jāturpina darboties, kamēr uguns deg dažus metrus tālāk.

 

Kas patiesībā slodzī tunela transformatorstaciju

Tunelis ir maza rūpnieciska iekārta, kas izvietota kilometra garumā betona konstrukcijā. Elektroenerģijas patēriņu dominē ventilācija, taču tā nav vienīgā slodze, un dažādas slodzes uzvedas pilnīgi atšķirīgi. Vienīga kVA skaitļa apstiprināšana, neatdalot atsevišķās slodzes, ir vieta, kur rodas lielākā daļa specifikāciju kļūdu.

Slodze	Tipisks diapazons	Duties	Kā tas ietekmē izmēru noteikšanu
Jet ventilators (ass, piedziņas barots)	22–250 kW	Posmu veidā palaišana/novilkšana, simtiem ciklu gadā	Bloķētā rotora strāva un sprieguma kritums zemsprieguma barošanas līnijā
Tunela ventilācijas ventilators	200–1000 kW	Nepārtraukts, apgriežams dūmu izvadīšanai	Lielākais vienvirziena motors; parasti nosaka minimālo izmēru
Dūmu vārstu aktuatori un vadības sistēmas	zem 10 kW	Tikai avārijas gadījumā, jāsaglabā pozīcija	Maza slodze, bet koplieto tās pašas paneļa un UPS ķēdes
LED tuneļa un avārijas apgaismojums	30–350 kW	Nepārtraukts, 100 % ekspluatācijas režīms	Bagāts ar harmonikām; paaugstina neitrālās strāvas vērtību
Drenāžas sūkņi	15–110 kW	Periodisks darbības režīms, mitrs vides apstākļi	Starts pret ūdens kolonnu; mitruma iekļūšanas risks
Transformatoru apakšstaciju ventilācija un mitruma novēršanas ierīces	10–60 kW	Nepārtraukta	Paaugstina apkājējās vides temperatūru, kurā atrodas transformators
SCADA sistēmas, CCTV sistēmas, informācijas uzraksti	zem 20 kW	Nepārtraukta	Prasība nodrošināt nepārtrauktu darbību ugunsgrēka gadījumā

Projektēšanas norādījumi jau šos aspektus uzskata par atsevišķām disciplīnām. FHWA ceļu tunelu projektēšanas norādījumi (https://www.fhwa.dot.gov/publications/focus/05nov/03.cfm) veltījusi atsevišķas sadaļas ventilācijai, apgaismojumam, ugunsdrošības pasākumiem un seismiskajam projektēšanai — taču visi šie aspekti ietekmē vienu slodzes grafiku, un parasti viens transformators ir jāizvēlas, lai izturētu kopējo slodzi.

 

Elektromotoru palaišana nosaka minimālo jaudu, nevis darba slodzi

Darba slodze ir viegli aprēķināma vērtība. Pievienojiet ventilatorus, apgaismojumu un sūkņus, piemērojiet dažādības koeficientu, un 1500 kVA modulis šķiet pietiekami liels 900 kVA tunelim. Tomēr jāapsver palaišanas slodze.

Standarta NEMA dizaina B indukcijas motors pie tiešas pieslēgšanas pie tīkla patērē aptuveni sešas reizes lielāku strāvu nekā pilnas slodzes strāva. Ņemam 250 kW strūklas ventilatora motoru 480 V spriegumā: pilnas slodzes strāva ir aptuveni 300 A, tāpēc bloķētās rotorstrāvas vērtība ir apmēram 1800 A, un tā paliek nemainīga divas līdz četras sekundes — tik ilgi ventilatoram nepieciešams, lai sasniegtu darba ātrumu. Ja puse sekundes vēlāk ieslēdz otru strūklas ventilatoru grupu, transformators uzņems slodzi, kuru tas normālā darbībā vairs nekad neredzēs. Tieši šī vērtība nosaka transformatora plāksnītes parametrus.

Divi parametri nosaka, vai ieslēgšana ir pieļaujama: transformatora procentuālā pretestība un barošanas līnijas pretestība. 5,75 % pretestības transformators droši ierobežo avārijas strāvu, bet rada dziļāku sprieguma kritumu pie motora kontaktiem. 4 % pretestības transformators samazina sprieguma kritumu un palielina iespējamās īsslēguma strāvas vērtību, ko tad jāiztur zemsprieguma slēdža nominālajai strāvai un barošanas līnijas mehāniskajai izturībai. 700 m garā barošanas līnijā, kas ved uz tunelī iekārtoto ventilatoru telpu, kabeļa pretestība var radīt lielāku sprieguma kritumu nekā pats transformators.

Praktiska pieredze: mēs veicam sākuma aprēķinu pirms tuneļa piedāvājuma iziet no rūpnīcas, un, kad klients nosūta tikai slodzes sarakstu, mēs atbildam ar vienu jautājumu — kāds ir lielākais motors, kā tas tiek palaidis un cik gara ir kabeļa līnija līdz tam? Šī vienīgā atbilde ir mainījusi norādīto jaudas vērtību vairāk tuneļu projektos nekā jebkura cita pozīcija grafikā.

 

Frekvences pārveidotāju harmonikas maina transformatora slodzi tuneļu ventilācijai

Gandrīz katru jauno strūklas ventilatoru darbina mainīgās frekvences pārveidotājs, jo ventilators, kas darbojas 30 % no maksimālās ātruma nepiepildītās stundās, samaksā par savu pārveidotāju tikai enerģijas izmaksu dēļ. Pārveidotājs arī maina to, ko transformators redz pie savām sekundārajām kontaktligzdām.

Sešu impulsu vadības ierīce pie ieejas patērē nesinusoidālu strāvu ar kopējo harmonisko izkropļojumu, kas parasti ir robežās no 25 % līdz 45 %. IEEE 519 standarts ierobežo sprieguma izkropļojumu līdz 5 % barošanas sistēmās ar spriegumu zem 69 kV un stingrāk ierobežo strāvas izkropļojumu, ja pieejamā īsslēguma strāva samazinās. Tuneli atrodas šīs līknes neērtajā galā: garas barošanas līnijas, salīdzinoši vāji avoti un vairākas vadības ierīces, kas barojamas no vienas sekundārās barošanas sistēmas.

Tā rezultātā transformators, kas baro tunelu ventilācijas vadības ierīces, nevar tikt izvēlēts tikai pēc kVA vērtības. Harmoniskā strāva rada papildu vērpļstrāvu un izkliedētas zudumus, kas paaugstina tinumu karstākā punkta temperatūru virs tās, ko radītu sinusoidāla slodze ar to pašu redzamo jaudu. Tāpēc liešanas sveķu transformators tunelu projektā bieži pasūta transformatoru ar K-faktora reitingu, palielinātu neitrālo vadu vai delta tinumu, kas uztver trīskāršās harmoniskās komponentes, kā arī ar tinumu temperatūras klasi, kas nodrošina rezervi virs projektētās slodzes.

Mūsu pieredzes pamatā izveidotais noteikums vadības ierīcēm barotām tunelu barošanas sistēmām, kur VFD harmonikas dominēt: izmantot savienotās vadības jaudu, pievienot rezervi harmonisko zudumu kompensēšanai un norādīt vienu pakāpi augstāku apvijumu temperatūras paaugstinājuma klasi nekā minimālais prasītais. Papildu izmaksas iekļautas piedāvājumā. Kļūdas izmaksas parādās septītajā gadā.

 

 

Ugunsdrošība nosaka tehnoloģiju, nevis cenu

Jautājiet, kāpēc gandrīz katrs tunelī esošais apakšstacijas aprīkojums darbojas ar sauso tipu iekārtām, un atbilde nav efektivitāte. Atbilde ir ugunsdrošība. NFPA 502 (https://www.nfpa.org/codes-and-standards/nfpa-502-standard-development/502nosaka uguns aizsardzības un ugunsdzēsības drošības prasības ceļu tuneliem, tiltiem un citām ierobežotas piekļuves šosejām, un tajā ventilācija tiek uzskatīta par būtisku drošības funkciju, kas jāturpina darboties uguns laikā.

Šī prasība tieši ietekmē transformatoru. Šķidruma (eļļas) pildīts transformators, kas novietots tunelī, ievieš līdzi uzliesmojošu šķidrumu, notekas trauku, speciālu telpu un papildu uguns atdalījumu, tāpēc lielākā daļa projektētāju izvairās no šīs problēmas un norāda sausā tipa transformatoru liešanas sveķu transformators iekšpus cauruma vai blakus telpā. Produktu standarti skaidri norāda, ko šādam vienībai jāatbilst: IEEE C57.12.01 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.01/6775/) ietver vispārīgos prasības sauszemes izplatīšanas un enerģijas transformatoriem, bet IEC 60076-11 attiecas uz sauszemes enerģijas transformatoriem līdz 36 kV.

Viens sīkums tiek aizmirsts biežāk nekā jebkurš cits: transformators ir tikpat labs, cik labi ir barošanas vads. Tur, kur ārkārtas ventilācijas ķēdei ir jānodrošina ķēdes integritāte ugunsgrēka laikā, kabelim un savienojumiem ir jāiztur tie paši apstākļi. Pašnodzēšanās spējīgs litais smilšakmens transformators, kas pievienots ar standarta kabeli, ir izplatīts un dārgs neatbilstības piemērs.

 

Tunelis vide klusi ietekmē aprīkojumu

Tunelī gaisa mitrums ir augsts, tas ir putekļains un viegli korozīvs. Ventilācijas šahtā relatīvais mitrums pārsniedz 85 % ikdienišķi, bremžu un riepu putekļi nokrist uz katras horizontālās virsmas, bet piejūras tunelī pie maisījuma pievienojas hlorīdi. Vasarā šahtas apkārtējā temperatūra var sasniegt 40–45 °C, mērot to tieši pie transformatora novietojuma, nevis tunela ieejas vietā.

Smērvielas iekapsulēti vijumi to iztur labāk nekā apvīti sausie vijumi, jo liešanas sveķu transformators lietne noslēdz vijumus pret mitruma iekļūšanu. Specifikācijai joprojām jāatbilst videi: pretkondensācijas sildītāji, IP klasificēts termināla kastītes korpusa tips un projektētā apkārtējā temperatūra, kas ņemta no šahtas, nevis reģionālā vidējā laikapstākļu rādītāja.

Arī augstums ir svarīgs. 1500 m augstumā transformatoram zūd aptuveni 9 % gaisa blīvuma, kas nepieciešams konvektīvai dzesēšanai, tāpēc vienība, kas iztur temperatūras pieauguma testu jūras līmenī, nav automātiski pieņemama kalnu trases izvietojumā. Lūdziet piegādātāju norādīt jūsu objekta vides temperatūrai un augstumam piemēroto jaudas samazinājumu un parādīt aprēķinu, nevis vispārīgu līkni — to pašu pārbaudi mēs veicam katram transformators tunelā ventilācijai mūsu piedāvājumam.

 

Ko mēs prasām pirms piedāvājuma sagatavošanas

Pieci punkti nosaka jaudu, cenu un piegādes datumu tunelī izmantojamā transformatora pasūtījumā. Ja tie ir skaidri norādīti vaicājumā, piedāvājums parasti tiek atgriezts pareizi jau pirmajā reizē:

• Slodzes grafiks ar lielākā motora izcelšanu. Norādiet tā startēšanas metodi un kabeļa garumu no transformatoru apakšstacijas. Viss pārējais izriet no šī viena ieraksta.
• Dzinēja tips un skaits. Sešu impulsu, divpadsmit impulsu vai aktīvā priekšgala (active front end) sistēma, kā arī pieejamā īsslēguma strāva zemsprieguma barošanas sistēmā — tas nosaka harmonisko komponentu rezervi.
• Objekta apstākļi. Projektējiet apvidus, augstumu, mitrumu un seismisko kategoriju, kas attiecas uz līnijas novietojumu.
• Ugunsdrošības stratēģija. Iekārtas tuneļa ietvaros, specializētā transformatoru stacijā vai no tās attālināti — atbilde nosaka sauso vai šķidruma pildījuma transformatoru izvēli.
• Sertifikācija un efektivitātes mērķis. UL, CSA vai IEC testu ziņojumi un efektivitātes līmenis, ko prasa galamērķa valsts.

Ryan Electric ražo sausās un eļļas pildītās transformatorus infrastruktūras un rūpnieciskajiem projektiem visā Ziemeļamerikā, Vidusrietumu reģionā un Dienvidaustrumāzijā. Mūsu Dzjanšu rūpnīca aizņem 120 000 m² un aprīkota ar vairāk nekā 180 ražošanas un testēšanas iekārtu komplektiem; sertifikāciju portfelis ietver UL, CSA, IEEE, DEKRA un CNAS. Kopš 2023. gada mēs darbojamies kā Eaton kopuzņēmuma partneris, kas nozīmē, ka mūsu testēšanas un kvalitātes dokumentācija tiek pakļauta ārējai auditēšanai, nevis pašdeklarācijai. Tunelis pasūtījums tiek apstrādāts tāpat kā datu centra pasūtījums: ikdienas testu dati, temperatūras pieauguma reģistrācijas un sertifikāciju faili tiek nosūtīti kopā ar vienību.

 

Nosūtiet slodzes grafiku, ne tikai kVA vērtību

Skaitlis, kas izlemj transformators tunelā ventilācijai reti bieži ir pirmais skaitlis slodzes sarakstā. Nosūtiet mūsu inženieriem slodzes grafiku, lielāko motoru, piedziņas veidu un vietnes apstākļus, un jūs saņemsiet vērtējumu, harmonisko komponentu rezervi un atbilstošu jaudas samazināšanas aprēķinu, ko var aizstāvēt projektēšanas pārskatīšanā, nevis vienkārši uzspiestu vērtību, kas izvēlēta pēc pieredzes.

Par autoru: Šo rakstu sagatavoja inženieru komanda uzņēmumā Ryan Electric — transformatoru ražotājs Dzjanšu provincē, Ķīnā, un Eaton kopuzņēmuma partneris kopš 2023. gada, kas piegādā UL, CSA un IEC sertificētus sausos un eļļas pildītos transformatorus tuneliem, metro sistēmām, datu centriem un enerģētikas projektiem visā Ziemeļamerikā, Vidusrietumu reģionā un Dienvidaustrumāzijā.