Ferrorezonans w transformatorach typu pad-mounted: co producent transformatorów typu pad-mounted chce, aby projektanci wiedzieli

 

Jako producent transformatorów typu pad-mounted , nadal występuje ten sam błąd w tej samej kolejności. Jednostka montowana na podstawie jest wymieniana w celu konserwacji. Zabezpieczenie na słupie wznoszącym na końcu kabla ulega awarii. Załoga wymienia zabezpieczenie, włącza jednostkę i zastępcze zabezpieczenie ulega awarii ponownie w ciągu kilku miesięcy – czasem nawet w ciągu kilku tygodni. Transformator sam w sobie przejdzie każdy rutynowy test bez zarzutu. Żadne dane na tabliczce znamionowej nie są błędne. To zjawisko ferrorezonansu niszczy zabezpieczenie, a prawie nigdy nie jest to wina samego zabezpieczenia.

Czym tak naprawdę jest ferrorezonans

 

Serce transformatora nie jest liniowym induktorem. Poniżej nasycenia jego reaktancja magnesująca jest wysoka. Gdy serce zbliża się do stanu nasycenia, ta reaktancja gwałtownie spada. Wprowadzenie elementu o takim zachowaniu do obwodu zawierającego pojemność — np. pojemność powłoki kabla podziemnego, pojemność wyważającą przerywacza, pojemność izolatora lub baterii kondensatorów — może spowodować, że zakłócenie przełączeniowe wprowadzi obwód w drgania, których żaden z tych elementów nie byłby w stanie wytworzyć samodzielnie.

To jest cała definicja oraz wyjaśnienie, dlaczego ferorezonans w transformatorach nie jest uporządkowanym rezonansem, który oblicza się ze wzoru XL = XC. W przypadku liniowego induktora istnieje jedna częstotliwość rezonansowa i jedno stacjonarne stany ustalone. W przypadku rdzenia nasycalnego występuje kilka takich częstotliwości, a obwód może „skakać” między nimi. IEEE Technology Navigator — Ferroresonance (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) opisuje cztery główne tryby drgań: ferrorezonans podstawowej częstotliwości przy częstotliwości zasilania; ferrorezonans subharmoniczny przy ułamku częstotliwości zasilania, najczęściej jednej trzeciej; ferrorezonans quasi-okresowy z nieregularnymi przebiegami; oraz ferrorezonans chaotyczny bez jakiegokolwiek powtarzającego się wzoru. Utrzymane przepięcia w tych trybach mogą osiągać pięciokrotność–sześciokrotność nominalnego napięcia sieciowego, co znacznie przekracza założenia koordynacji izolacji uzwojenia rozdzielczego dotyczące długotrwałego obciążenia prądem o częstotliwości sieciowej.

Dwie jednostki o identycznych tabliczkach znamionowych mogą zachowywać się całkowicie inaczej. Tryb, w którym ustala się obwód, zależy od indukcyjności, pojemności, wartości napięcia oraz warunków początkowych – co w praktyce oznacza zależność od dokładnego momentu zamknięcia wyłącznika. Dlatego analiza oparta na wartościach znamionowych nie wykryje tego zjawiska, a ta sama operacja załączania może przebiegać bez zarzutu sto razy i zawieść za sto pierwszym razem.

Jeśli obecnie pracujesz z dokumentacją techniczną dla transformatora umieszczonego na podstawie, nasz zespół inżynierów przeanalizuje obwód pierwotny razem z tobą przed ustaleniem ostatecznych parametrów. Wyślij nam schemat jednoliniowy, a wspólnie przeanalizujemy cztery warunki.

Cztery warunki, które muszą się pokrywać

 

Zjawisko ferorezonansu jest wymagające. Wymaga jednoczesnego wystąpienia czterech warunków: obciążenia wtórnego, dużej pojemności obwodu pierwotnego, asymetrycznego przełączanie jednofazowe oraz rdzenia ulegającego nasyceniu przy umiarkowanym przekroczeniu napięcia — dlatego właśnie nigdy nie pojawia się w analizie przepływu mocy i dlatego tak trudno go odtworzyć w warunkach laboratoryjnych.

Kondycji	Dlaczego to ważne?	Miejsca, w których zjawisko to występuje w praktyce
Nieobciążony lub słabo obciążony obwód wtórny	Opór obciążenia tłumi drgania; pusty obwód wtórny w ogóle nie zapewnia tłumienia	Nowy osiedlowy obszar przed wprowadzeniem do użytku, sezonowe wyłączenie zakładu, jednostka przechowywana jako rezerwa
Duża pojemność obwodu pierwotnego	Pojemność powłoki kabla na jednostkę długości jest znacznie wyższa niż linii napowietrznej	Długi podziemny przewód zasilający, przewód wstępujący, szafa sieciowa, przemysłowe zasilanie kablowe
Przełączanie niesymetryczne	Pozostawia jedną lub dwie fazy odizolowane, ale nadal połączone pojemnościowo ze źródłem	Wyłączniki jednofazowe, przepalony bezpiecznik, ponownie zamykane wyłączniki jednobiegunowe, operacja łokciowa
Serdce rdzenia nasycające się przy umiarkowanym przekroczeniu napięcia	Indukcyjność magnesująca ulega załamaniu, co pozwala obwodowi skakać między punktami pracy	Nowoczesne rdzenie o niskich stratach oraz konstrukcje pracujące przy wyższej gęstości strumienia magnetycznego

 

Usunięcie dowolnego z tych czterech czynników zwykle zapobiega wystąpieniu zjawiska. To istotna informacja, ponieważ oznacza, że istnieją cztery osobne miejsca, w których można je zaprojektować – a najtańszym rozwiązaniem jest niemal zawsze układ przełączania. Jest to również moment, w którym rozmowa powinna przesunąć się od oferty cenowej do wyboru rozwiązania, a także pierwsza rzecz, którą producent transformatorów typu pad-mounted powinien poruszyć z Państwem.

Co to robi z urządzeniem, zanim ktokolwiek to zauważy

 

Awaria, którą załoga zauważa najpierw, zwykle występuje w ogranicznik przepięć , a nie wewnątrz zbiornika. Ogranicznik tlenkowy metalu to rezystor, który staje się przewodzący jedynie powyżej swojego napięcia znamionowego. Utrzymane przepięcie ferrorezonansowe utrzymuje go w stanie przewodzenia i przekształca drgania w ciepło w bloku ceramiki zaprojektowanym do impulsów o czasie trwania mikrosekund przy określonym cyklu obciążenia. Dane referencyjne Eaton dotyczące ochrony przed przepięciami transformatorów umieszczanych na podstawie podają granicę wyraźnie: ograniczniki zmniejszają przepięcia, ale nie eliminują ich całkowicie; im wyższy cykl obciążenia ogranicznika, tym więcej materiału przewodzącego jest obecne i tym dłużej ogranicznik wytrzymuje przepięcie przed awarią. Ogranicznik rozdzielczy o niskim obciążeniu, który jest w pełni odpowiedni do ochrony przed piorunem, nie jest zaprojektowany na minuty energii o częstotliwości sieciowej. Dane referencyjne Eaton TC202005EN — Ochrona przed przepięciami transformatorów umieszczanych na podstawie (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)

Za ogranicznikiem uszkodzenia są mniej wyraźne i trudniejsze do wykrycia podczas rutynowego testu. Powierzchnie izolatorów pokazują ślady śladów przeskoku, gdzie doszło do przepięcia. Izolacja uzwojeń przebija się w miejscu, w którym osiągane są szczyty drgań, a przebicie jest często na tyle małe, że pomiar stosunku przekładni nadal daje wynik pozytywny. Rdzeń nagrzewa się intensywnie, ponieważ wychylenie strumienia magnetycznego znacznie przekracza wartości projektowe, a ciepło to czynnik skracający żywotność izolacji. Awaria ogranicznika to zazwyczaj pierwsza, ale nie jedyna awaria.

Istnieje także objaw, który w ogóle nie ma charakteru elektrycznego. Jednostka znajdującą się w stanie fererezonansu często generuje niskoczęstotliwościowy dźwięk grzmotu lub drżenie, który brzmi inaczej niż normalny dźwięk magnetostrykcji — nieregularnie, niestabilnie i na tyle głośno, że załogi zauważają go jeszcze przed zadziałaniem jakiegokolwiek przekaźnika. Traktuj go jako sygnał ostrzegawczy, a nie jako uciążliwość.

 

Przełączanie jednofazowe to wyzwalacz, który można kontrolować

 

Spośród czterech warunków przełączanie niesymetryczne to jedyny, który projektant może wyeliminować za pomocą pojedynczego pozycji w specyfikacji. Przełączanie jednofazowe trójfazowego banku transformatorów — niezależnie od tego, czy wynika ono z użycia odcięć, przepalenia się jednej bezpieczki czy zastosowania jednofazowego układu ponownego załączenia — powoduje częściowe zasilanie banku oraz połączenie pojemnościowe z źródłem zasilania, co stanowi klasyczny mechanizm inicjujący w systemach rozdzielczych zasilanych kablowo.

Norma IEEE Std C57.105-2019, będąca wytyczną dotyczącą zastosowania połączeń transformatorów w trójfazowych systemach elektrycznych, traktuje te interakcje związane z połączeniami i przełączaniem jako aspekt projektowania, a nie jako zdarzenie przypadkowe: IEEE Std C57.105-2019 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) . Norma ta istnieje właśnie dlatego, że sposób, w jaki połączenie transformatora oddziałuje z otaczającym go obwodem, decyduje o tym, czy system zachowuje się poprawnie, czy nie.

To, co działa w praktyce, nie jest widowiskowe. Przełączaj wszystkie trzy fazy jednocześnie za pomocą urządzenia wielofazowego zamiast pojedynczych wyzwalaczy fazowych wszędzie tam, gdzie konfiguracja pozwala. Tam, gdzie użycie urządzeń jednofazowych jest nieuniknione, pozostaw niewielki stały obciążenie rezystancyjne na stronie wtórnej podczas przełączania, aby drgania mogły się w nim rozproszyć. Następnym stopniem ochrony jest rezystor tłumiący lub obwód zapobiegający ferrorezonansowi przyłożony do uzwojenia, a ogranicznik przepięć wybrany pod kątem chwilowych przepięć, a nie tylko wyładowań atmosferycznych, stanowi ostatni poziom ochrony.

Żadne z tych rozwiązań nie wymaga egzotycznego sprzętu. Wymaga natomiast, by schemat przełączania i cykl pracy ograniczników przepięć ustalano równolegle z doborem mocy transformatora, a nie dopiero po położeniu kabla.

Pięć elementów do umieszczenia w zapytaniu ofertowym

 

Połączenie uzwojeń i uziemienie. Określ, czy dopuszczalne jest uziemione połączenie gwiazdą strony pierwotnej. Nieuziemione połączenie trójkątem strony pierwotnej przy długim odcinku kabla stanowi najbardziej ryzykowną konfigurację, a odpowiedź na to pytanie zmienia całą analizę przepięć.

Typ podstawowego urządzenia przełączającego. Trójfazowy wyłącznik obciążeniowy działający zespołowo, trójfazowe ponowne załączenie lub jednofazowe odłączniki. Jeśli konieczne są urządzenia jednofazowe, należy to wyraźnie zaznaczyć, ponieważ wpływa to na ogranicznik przepięć wybory.

Klasę ograniczników przepięć, cykl roboczy, maksymalne napięcie ciągłe (MCOV) oraz zdolność do wytrzymywania chwilowych przepięć. „Ograniczniki przepięć w zestawie” nie stanowi specyfikacji. Wymagaj ograniczników dobranych pod kątem chwilowych przepięć, a nie tylko wyładowań atmosferycznych.

Harmonogram kabli. Przekrój, długość i typ izolacji przewodnika dla każdego odcinka sieci średniego napięcia. Pojemność powłoki stanowi drugą połowę obwodu rezonansowego i nie jest widoczna w harmonogramie umieszczonym na tabliczce znamionowej.

Tłumienie wtórne. Czy ma być stałe, niewielkie obciążenie lub opornik tłumiący pozostawiony na stronie wtórnej podczas przełączania oraz jaki procent mocy znamionowej reprezentuje.

Co producent transformatorów w obudowie betonowej pyta przed złożeniem zamówienia

 

W przypadku każdego projektu z długimi głównymi przewodami pierwszym dokumentem, którego żądamy, nie jest wykaz tabliczek znamionowych. Jest to schemat jednoliniowy z długościami kabli i układem przełączania, ponieważ te dwa elementy decydują, czy ryzyko przepięć jest pomijalne czy rzeczywiste. A producent transformatorów typu pad-mounted osoba, która wycenia wyłącznie na podstawie wykazu transformatorów, wycenia jednostkę, a nie rozwiązanie.

Każda jednostka przechodzi standardowy ciąg testów, a straty jałowe i prąd magnesujący są rejestrowane w trakcie tych testów. Te dwie wartości stanowią dane wejściowe, które przekształcają pytanie o fererezonans z opinii w obliczenie, a na żądanie przekażemy je Państwa inżynierowi konsultingowemu przed wysyłką.

Ryan Electric produkuje transformatory rozdzielcze i mocy od 2007 roku w zakładzie produkcyjnym o powierzchni 120 000 m², wyposażonym w ponad 180 zestawów urządzeń produkcyjnych i testowych oraz posiadającym 37 patentów. Od 2023 roku firma działa jako oficjalny partner przedsiębiorstwa Eaton w ramach spółki joint venture; jednym z powodów, dla których traktujemy koordynację ograniczników przepięć i wyzwalaczy przełączników jako część zakresu dostawy transformatora, a nie jako problem innej strony, jest właśnie to partnerstwo.

W pracy nad podziałem terenów na północnoamerykańskich osiedlach wielokrotnie obserwujemy ten sam schemat: mała jednostka trójfazowa — o mocy od 75 kVA do 500 kVA — umieszczona na końcu długiego, podziemnego przewodu bocznego, zasilana przez jednofazowe wyzwalacze przeciążeniowe i obsługująca obciążenie, które pojawi się dopiero za rok. Wszystkie warunki z tej listy występują jednocześnie, a plac budowy pozostaje bez obciążenia przez miesiące. Gdy projektant przechodzi na przełącznik sterowany zespołowo i pozostawia niewielkie obciążenie rezystancyjne na stronie wtórnej podczas uruchamiania, awarie ograniczników przepięć ustają.

Jeśli określasz jednostki umieszczone na podstawie w systemie zasilanym kablem, prześlij nam schemat jednoliniowy oraz harmonogram kabli przed złożeniem zamówienia. Przeanalizujemy układ przełączania, specyfikację ograniczników przepięć oraz tłumienie wtórne w odniesieniu do Twojego rzeczywistego obwodu i poinformujemy Cię, który z czterech warunków występuje w Twoim przypadku — oraz który z nich został już przez Ciebie zaprojektowany poza układem. To właśnie taka rozmowa producent transformatorów typu pad-mounted powinna odbyć się między Tobą a nami przed złożeniem zamówienia, a nie po pierwszym uszkodzeniu ogranicznika przepięć.

O autorze

Artykuł przygotował zespół inżynierów ds. transformatorów firmy Ryan Electric. Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) projektuje i wytwarza transformatory suchego typu z żywicy odlewanej oraz z przesyconych olejem uzwojeń (VPI), transformatory olejowe oraz jednostki umieszczone na podstawie w swojej fabryce o powierzchni 120 000 m², obsługując projekty centrów danych, przemysłu, sieci energetycznych oraz infrastruktury w Ameryce Północnej, Azji Południowo-Wschodniej, na Bliskim Wschodzie i w Afryce.