Ferroresonantie in op de grond geplaatste transformatoren: wat een fabrikant van op de grond geplaatste transformatoren specificeerders wil laten weten

 

Als een fabrikant van op de grond gemonteerde transformatoren we blijven dezelfde storing in dezelfde volgorde tegenkomen. Een op de grond geplaatste eenheid wordt uitgeschakeld voor onderhoud. De afleider op de stijlpaal aan het uiteinde van de kabel faalt. Het team vervangt de afleider, schakelt de eenheid in en de vervanging faalt binnen enkele maanden opnieuw – soms zelfs binnen enkele weken. De transformator zelf blijkt bij elke routinecontrole onberispelijk. Er is niets verkeerd met de gegevens op het typeplaatje. Wat de afleider vernietigt, is ferroresonantie, en bijna nooit is de afleider zelf de oorzaak.

Wat ferroresonantie eigenlijk is

 

Een transformator-kern is geen lineaire spoel. Onder de verzadigingswaarde is de magnetiserende reactantie hoog. Naarmate de kern dichter bij verzadiging komt, daalt die reactantie sterk. Plaats een component met dat gedrag in een circuit dat ook capaciteit bevat — bijvoorbeeld de mantelcapaciteit van een ondergrondse kabel, de verdeelcapaciteit van een scheider, de capaciteit van een doorvoerisolator of een condensatorbank — en kan een schakelstoring het circuit in een trilling brengen die geen van beide elementen afzonderlijk zou kunnen opwekken.

Dat is de volledige definitie, en het verklaart ook waarom ferroresonantie in transformatoren niet de nette resonantie is die je berekent uit XL = XC. Bij een lineaire spoel is er één resonantiefrequentie en één stationaire toestand. Bij een verzadigbare kern zijn er meerdere, en het circuit kan spontaan tussen deze toestanden overspringen. IEEE Technology Navigator — Ferroresonance (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) beschrijft vier hoofdoscillatiemodi: ferroresonantie op de grondfrequentie bij de voedingsfrequentie; subharmonische ferroresonantie bij een fractie van de voedingsfrequentie, meestal één derde; quasi-periodieke ferroresonantie met onregelmatige golfvormen; en chaotische ferroresonantie zonder enig herhalend patroon. Duurzame overspanningen in deze modi kunnen vijf tot zes keer de nominale lijnspanning bereiken, wat ver buiten de grenzen ligt die de isolatiecoördinatie van een distributiewikkeling aanneemt voor duurzame netspanningsbelasting.

Twee eenheden met identieke typeplaten kunnen zich volkomen anders gedragen. De modus waarin een circuit zich instelt, hangt af van de inductantie, de capaciteit, de spanningsgrootte en de beginvoorwaarden — wat in de praktijk betekent dat het afhangt van het exacte tijdstip waarop de schakelaar sluit. Daarom zal een studie die is gebaseerd op nominale waarden dit verschijnsel over het hoofd zien, en daarom kan dezelfde schakeloperatie honderd keer probleemloos verlopen en bij de honderdeenste keer mislukken.

Als u momenteel werkt met een specificatie voor een op een voet gemonteerde transformator, zal ons technisch team de primaire stroomkring met u doornemen voordat de nominale waarde wordt vastgelegd. Stuur ons het eenvoudige schema en wij bespreken de vier voorwaarden met u.

De vier voorwaarden die op één lijn moeten liggen

 

Ferroresonantie is kieskeurig. Er zijn vier voorwaarden nodig die tegelijkertijd aanwezig moeten zijn: een onbelaste secundaire zijde, hoge primaire capaciteit, asymmetrisch enkelfasige schakeling en een kern die verzadigt bij een matige overspanning — wat precies verklaart waarom ferroresonantie nooit in een belastingsstroomstudie verschijnt en waarom het zo moeilijk is om te reproduceren in een testomgeving.

Voorwaarde	Waarom dit belangrijk is	Waar het in de praktijk optreedt
Onbelaste of licht belaste secundaire zijde	Lastweerstand dempt de trilling; een lege secundaire zijde biedt helemaal geen demping	Nieuwe wijk vóór bezetting, seizoensgebonden stilstand van een installatie, eenheid als reserve gehouden
Hoge primaire capaciteit	De kabelmantelcapaciteit per eenheidslengte is veel hoger dan die van een bovengrondse lijn	Lange ondergrondse voedingslijn, opgaande kabel, netwerkkelder, kabelgevoede industriële aansluiting
Asymmetrisch schakelen	Laat één of twee fasen geïsoleerd achter, maar ze blijven nog steeds capacitief gekoppeld aan de bron	Enkelfasige uitschakelaars, één doorgebrande zekering, enkelpolige herstelautomaten, elleboogbediening
Kern die verzadigt bij matige overspanning	De magnetiserende inductantie stort in, waardoor de schakeling kan ‘springen’ tussen werkingspunten	Moderne lage-verlieskernen en -ontwerpen die werken bij hogere magnetische fluxdichtheid

 

Verwijder één van de vier en het verschijnsel begint meestal niet. Dat is het nuttige deel, omdat het betekent dat er vier afzonderlijke plaatsen zijn waar het ontwerp het verschijnsel kan uitsluiten — en de goedkoopste is bijna altijd de schakelopstelling. Het is ook het punt waarop het gesprek moet overgaan van een offerte naar een keuze, en het is het eerste waar een fabrikant van op de grond gemonteerde transformatoren dit met u zou moeten bespreken.

Wat het met de eenheid doet voordat iemand het opmerkt

 

De storing die een ploeg als eerste ziet, is meestal aan de overspanningsbeveiliging , niet binnen de tank. Een metaaloxide-afleider is een weerstand die alleen geleidend wordt boven zijn nominale spanning. Een aanhoudende ferroresonante overspanning brengt hem in geleidende toestand en zet de trilling om in warmte binnen een keramiekblok dat is ontworpen voor microsecondenlange stootbelastingen bij een gedefinieerde bedrijfsduur. Eaton’s referentiegegevens over overspanningsbeveiliging voor op de grond geplaatste transformatoren vermelden de limiet duidelijk: afleiders verminderen overspanningen, maar elimineren ze niet, en hoe hoger de bedrijfsduur van de afleider, hoe meer geleidend materiaal aanwezig is en hoe langer hij een overspanning kan doorstaan voordat hij uitvalt. Een lichtbelaste distributieafleider die volkomen geschikt is voor blikseminslag, is niet ontworpen voor minutenlang energieverbruik bij netspanningsfrequentie. Eaton-referentiegegevens TC202005EN — Overspanningsbeveiliging voor op de grond geplaatste transformatoren (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)

Achter de afleider is de schade stiller en moeilijker te vinden bij een routine-test. De oppervlakken van de doorvoerisolatoren tonen sporen van kruipstromen waar de doorslag plaatsvond. De wikkelingsisolatie wordt doorboord op het punt waar de oscillatie piekt, en de doorbooring is vaak zo klein dat een wikkelverhoudingstest nog steeds slagt. De kern wordt heet, omdat de magnetische flux ver buiten het ontwerpgebied uitwijkt en warmte is wat de levensduur van de isolatie verkort. Afleiderfalen is meestal het eerste slachtoffer, niet het enige.

Er is ook een symptoom dat helemaal niet elektrisch is. Een apparaat in ferroresonantie produceert vaak een lage-frequentiedrone of -geratel dat anders klinkt dan de normale magnetostrictiezoem — ongelijkmatig, onregelmatig en luid genoeg om door monteurs opgemerkt te worden voordat een relais aanslaat. Behandel het als een signaal, niet als een overlast.

 

Enkelfasige schakeling is de trigger die u kunt beheersen

 

Van de vier voorwaarden is asymmetrische schakeling de enige die een specificatie-expert kan elimineren met één enkel specificatie-item. Enkelfasige schakeling van een driefasige transformatorbank — of dit nu gebeurt via uitschakelaars, één doorgebrande zekering of een enkelpolige herstelschakelingsmethode — laat de bank gedeeltelijk onder spanning staan en capacitief gekoppeld aan de bron, wat de klassieke oorzaak is in kabelgevoede distributiesystemen.

IEEE Std C57.105-2019, de richtlijn voor toepassing van transformatoraansluitingen in driefasige elektrische systemen, behandelt deze aansluitings- en schakelinteracties als een ontwerpoverweging in plaats van als een ongeluk: IEEE Std C57.105-2019 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) . De norm bestaat juist omdat de interactie tussen een transformatoraansluiting en de omringende stroomkring bepaalt of een systeem zich gedraagt of zich misdraagt.

Wat in de praktijk werkt, is onopvallend. Schakel alle drie de fasen tegelijk met een groepsbediend apparaat in plaats van met enkel-fase-uitschakelaars, waarbij de configuratie dat toelaat. Waar enkel-fase-apparaten onvermijdelijk zijn, houd dan een kleine permanente resistieve belasting op de secundaire zijde tijdens het schakelen, zodat de oscillatie iets heeft om zich in te dissiperen. Een dempweerstand of een ferroresonantieonderdrukkingscircuit over de wikkeling vormt de volgende laag, en een overspanningsbeveiliging die is geselecteerd voor tijdelijke overspanning in plaats van uitsluitend voor blikseminslag, is de laatste maatregel.

Niets hiervan vereist exotische hardware. Wel moet het schakelschema en de afleidersbelastingsslag tegelijkertijd worden bepaald als de transformatorvermoeidheid, in plaats van pas nadat de kabel al is aangelegd.

Vijf punten om op te nemen in het verzoek om offerte

 

Wikkelingsaansluiting en aarding. Geef aan of een geaarde-wye-primairwikkeling aanvaardbaar is. Een niet-geaarde-delta-primairwikkeling bij een lange kabelaanleg is de risicovolste opstelling die er bestaat, en het antwoord verandert het gehele beeld van overspanning.

Type primaire schakelapparatuur. Driefasige belastingschakelaar met gangbediening, driefasige herstelautomatiek of enkelvoudige afschakelaars. Indien enkelvoudige apparaten onvermijdelijk zijn, dient dit te worden vermeld, aangezien dit de overspanningsbeveiliging selectie.

Afleidersklasse, bedrijfscyclus, maximale continu bedrijfsspanning (MCOV) en vermogen om tijdelijke overspanningen te weerstaan wijzigt. "Afleiders inbegrepen" is geen specificatie. Vraag om een afleider die is uitgelegd op tijdelijke overspanning, niet alleen op bliksem.

Kabelschema. Geleiderdoorsnede, lengte en isolatietype voor elk primaire segment. De mantelcapaciteit vormt de andere helft van de resonantiekring en is niet zichtbaar op een naamplaatenschema.

Secundaire demping. Of er een kleine permanente belasting of dempweerstand op de secundaire zijde blijft aangesloten tijdens het schakelen, en welk percentage van de nominaalwaarde dit vertegenwoordigt.

Wat een fabrikant van kasttransformatoren vraagt voordat u bestelt

 

Bij elk project met lange primaire kabeltrajecten vragen we als eerste document niet de naamplaatgegevens, maar het eenvoudig schema met kabelafstanden en de schakelopstelling, omdat deze twee items bepalen of het overspanningsrisico verwaarloosbaar of reëel is. A fabrikant van op de grond gemonteerde transformatoren wie uitsluitend op basis van de transformatorlijst offerteert, offerteert een eenheid, geen oplossing.

Elke eenheid ondergaat een standaardtestreeks, waarbij leegloopverliezen en magnetiseringsstroom worden geregistreerd. Deze twee waarden zijn de invoergegevens die een vraag over ferroresonantie omzetten van een mening in een berekening; op verzoek verstrekken we ze aan uw adviesingenieur vóór verzending.

Ryan Electric produceert sinds 2007 distributie- en vermogenstransformatoren vanuit een productiefaciliteit van 120.000 m² met meer dan 180 sets productie- en testapparatuur en 37 octrooien. Sinds 2023 werkt het bedrijf als officiële joint-venturepartner van Eaton, wat onder andere de reden is dat wij de coördinatie van afleiders en schakelapparatuur beschouwen als onderdeel van de transformatortaak, in plaats van als iemands ander probleem.

Een patroon dat wij herhaaldelijk tegenkomen bij wijkprojecten in Noord-Amerika is een kleine driefasentransformator — van 75 kVA tot 500 kVA — aan het einde van een lange ondergrondse zijtak, gevoed via enkelfasige zekeringen, die een belasting moet leveren die pas over een jaar zal bestaan. Alle omstandigheden op de lijst zijn tegelijkertijd aanwezig, en de locatie blijft maandenlang onbelast. Wanneer de specificatie wordt aangepast naar een groepsgestuurde schakelaar en er tijdens de inbedrijfstelling een kleine resistieve belasting op de secundaire zijde blijft staan, houden de afleiderstoringen op.

Als u op kabelvoeding afgestemde eenheden specificeert, stuur ons dan de eenlijnschema en het kabelschema voordat de bestelling wordt geplaatst. Wij analyseren de schakelopstelling, de specificatie van de overspanningsafleiders en de secundaire demping op basis van uw werkelijke circuit, en wij geven aan welke van de vier voorwaarden van toepassing zijn — en welke u reeds heeft uitgeschakeld. Dat is het gesprek dat een fabrikant van op de grond gemonteerde transformatoren met u dient te voeren vóór de bestelling wordt geplaatst, niet nadat de eerste overspanningsafleider is uitgevallen.

Over de auteur

Dit artikel is opgesteld door het transformatortechnisch team van Ryan Electric. Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) ontwerpt en produceert gegoten hars- en VPI-droogtransformatoren, oliegevulde transformatoren en op palen gemonteerde eenheden in zijn productiefaciliteit van 120.000 m², en levert aan datacenters, industriële projecten, nutsbedrijven en infrastructuurprojecten in Noord-Amerika, Zuidoost-Azië, het Midden-Oosten en Afrika.