Transformatory do oczyszczalni ścieków: doboru mocy z uwzględnieniem rozruchów pomp, harmonicznych falowników i powietrza korozyjnego

Dlaczego oczyszczalnia ścieków stanowi obciążenie dla transformatora

Dmuchawy aerationowe w jednej z oczyszczalni, której ofertę przygotowaliśmy w zeszłym roku, pracowały bez zarzutu przez dziewięć miesięcy, a następnie zaczęły co popołudnie wyłączać ten sam wyzwalacz. Problem nie dotyczył dmuchaw ani napędu. transformator do oczyszczalni ścieków zamówiono na podstawie aktualnego obciążenia oczyszczalni — 1250 kVA pomp i dmuchaw — bez uwzględnienia prądu harmonicznego generowanego przez napędy oraz bez uwzględnienia ponownego rozruchu trzech silników o mocy 250 KM na tym samym szynoprzewodzie.

Elektrownie wodne i oczyszczalnie ścieków należą do najbardziej wymagających miejsc na świecie pod kątem zastosowania transformatorów. Obciążenie jest cykliczne, napędzane silnikami indukcyjnymi, a połowa obciążenia znajduje się za przemiennikami częstotliwości; ponadto powietrze jest wilgotne, zawiera chlor lub siarkowodór. Błąd w zakresie którekolwiek z tych trzech czynników skutkuje nieplanowanym wyłączeniem, przegrzaniem uzwojenia lub zardzewiałą obudową, która nie przejdzie inspekcji w drugim roku eksploatacji.

 

Charakterystyki obciążenia decydujące o mocy znamionowej (kVA)

Trzy cechy charakteru pracy wpływają na specyfikację i działają w różnych kierunkach.

• Profil obciążenia ma charakter dwumodalny. Oczyszczalnia nie działa jak fabryka z ustalonym, stałym obciążeniem procesowym. Pracuje przy obciążeniu bazowym w nocy, następnie osiąga szczyt w ciągu dnia, a po zdarzeniu pogodowym z dużymi opadami deszczu ponownie uruchamia pompy, gdy przepływ dopływu podwaja się.
• Prawie wszystko to silnik. Pompy, dmuchawy, mieszadła, skraplacze osadu, kraty prętowe. Silniki pobierają prąd zablokowanego wirnika w chwili rozruchu, a transformator rejestruje spadek napięcia związany z tym zjawiskiem — który odczuwany jest w oczyszczalni jako miękki rozruch, drganie stycznika lub ponowne uruchomienie sterownika PLC.
• Połowa obciążenia ma charakter nieliniowy. Dmuchawy do napowietrzania, pompy główne i dozowanie środków chemicznych są zasilane falownikami. Gdy oczyszczalnię zaprojektowaną do pracy przy stałej prędkości przekształca się do sterowania za pomocą falowników — co stanowi większość prac modernizacyjnych, które wyceniamy — moc znamionowa transformatora pozostaje bez zmian, podczas gdy prąd harmoniczny rośnie.

Dodanie chloru, wilgoci i siarkowodoru do pomieszczenia urządzeń sprawia, że transformator ogólnego przeznaczenia przestaje być oczywistym rozwiązaniem. Poniżej przedstawiamy elementy, które sprawdzamy przed ustaleniem wartości kVA dla projektu oczyszczalni ścieków lub oczyszczalni wody, niezależnie od tego, czy jednostka jest przekształtnik umieszczony na podstawie umieszczona na zewnątrz, czy też typu suchego w pomieszczeniu szaf sterowniczych.

 

Do dobioru transformatora pod kątem rozruchu pomp: reguła sześciu–siedmiu razy

Rozruch silnika decyduje o wymaganej mocy pozornej (kVA) znacznie częściej niż obciążenie ciągłe. Silnik indukcyjny klatkowy pobiera prąd około sześciu do siedmiu razy przekraczający jego prąd znamionowy, gdy wirnik jest zablokowany , a jedynym elementem ograniczającym ten prąd względem napięcia w zakładzie są impedancja transformatora oraz sieć zasilająca położona wyżej w hierarchii. Skutki są odczuwane bezpośrednio: migoczą lub przygaszają lampy, napędy wyłączają się z powodu niedociśnienia napięcia, a sekwencja ponownego uruchomienia zostaje zablokowana.

Zgodnie z obowiązującą w Ameryce Północnej zasadą projektową moc transformatora dobiera się tak, aby spadek napięcia podczas rozruchu największego silnika nie przekroczył 10–15 procent na zaciskach silnika. Ta wartość to umowa projektowa stosowana powszechnie w wytycznych firm konsultingowych i operatorów sieci energetycznych, a nie pojedynczy, ujęty w normie wymóg; to właśnie tę wartość żądamy w ofercie wstępnej (RFQ). Prześlij nam harmonogram silników — moc w koniach mechanicznych, literę kodu, literę projektu zgodnie z normą NEMA oraz metodę rozruchu — a impedancja transformatora wynika z ustalonego limitu spadku napięcia, a nie z danych katalogowych.

Dwa praktyczne aspekty decydują, czy analiza przejściowa odpowiada rzeczywistej instalacji, którą budujesz.

• Sposób rozruchu zmienia odpowiedź. Bezpośredni rozruch wentylatora o mocy 300 KM może wykluczyć zastosowanie standardowego transformatora o impedancji 5,75% w małej instalacji; rozruch łagodny lub napęd z ograniczeniem prądu często umożliwia użycie tego samego transformatora. Sposób rozruchu należy umieścić w arkuszu danych transformatora, a nie tylko w harmonogramie silników.
• Generator jest częścią obliczeń. Gdy generator rezerwowy zasila instalację podczas utraty zasilania sieciowego, efektywna impedancja źródła gwałtownie wzrasta, a wentylator, który bez problemu rozruchuje się z sieci, może spowodować zatrzymanie się generatora. Instalacje, które muszą zapewniać pełną obróbkę ścieków podczas awarii, wymagają doboru zarówno generatora, jak i transformatora na ten sam przypadek rozruchowy.

Jeśli zakład jest w fazie projektowania, a harmonogram silników nadal podlega modyfikacjom, prześlij nam aktualną listę mocy wyjściowej w koniach mechanicznych oraz kombinację najbardziej niekorzystnego jednoczesnego rozruchu. Nasi inżynierowie przeprowadzą analizę spadku napięcia dla dwóch lub trzech dostępnych kroków mocy wyrażonych w kVA, dzięki czemu transformator zostanie zamówiony na tych samych założeniach, co Twoje badanie przebiegów przejściowych.

 

Obciążenia falownikowe i harmoniczne generowane przez falowniki: skąd pochodzi dodatkowe ciepło

Falownik sześciopulsowy pobiera prąd w krótkich impulsach zamiast w postaci fali sinusoidalnej, a ten prąd zawiera składowe harmoniczne, dla których transformator nie został zaprojektowany. Straty wywołane przez te harmoniczne nie są proporcjonalne do prądu podstawowego, który one zastępują. Rozproszona indukcja magnetyczna wynikająca ze składowych harmonicznych nagrzewa uzwojenia, uchwyty rdzenia, ściany zbiornika oraz przewód neutralny; w przypadku transformatora obciążonego już do 80 % jego mocy znamionowej efekt ten objawia się najpierw podwyższeniem temperatury oleju na szczycie zbiornika, a następnie wyzwoleniem zabezpieczenia termicznego.

Istnieją trzy sposoby określenia rozwiązania tego problemu – jednak nie są one równie skuteczne.

• Zmniejsz moc znamionową standardowego urządzenia. Narzędzie tępe: przewymiarowanie o 15–25 procent w stosunku do obciążenia napędu i akceptacja dodatkowych strat jałowych przez cały okres eksploatacji elektrowni. Działa to skutecznie i często wiąże się z najniższym początkowym kosztem.
• Zamów jednostkę zaprojektowaną z uwzględnieniem harmonicznych. Konstrukcja o współczynniku K lub przeznaczona do zastosowań z napędami wykorzystuje rdzeń i uzwojenia zaprojektowane tak, aby przenosić dodatkowe straty wirowe i rozproszone, przy czym przewód neutralny jest odpowiednio dobrany pod kątem harmonicznych trzeciego rzędu tam, gdzie występują obciążenia jednofazowe. Wymagaj pisemnego określenia podstaw obciążenia, ponieważ współczynnik K podany bez podania konkretnej wartości współczynnika K oraz profilu obciążenia stanowi jedynie etykietę, a nie rzeczywisty projekt.
• Zlikwiduj harmoniczne w górę linii zasilającej. Reaktory sieciowe, filtry pasywne lub filtr aktywny zmniejszają ilość harmonicznych docierających w ogóle do transformatora i są właściwym rozwiązaniem, gdy zakład musi zgłaszać zniekształcenia w punkcie wspólnego połączenia. Norma IEEE Std 519-2022 stanowi odniesienie, którego będzie się domagać dostawca energii, a praktycznym celem, który większość amerykańskich dostawców energii wymusza, jest limit całkowitego zniekształcenia napięcia wynoszący 5 procent, określony w tej normie dla systemów o napięciu do 69 kV.

Niezależnie od wybranej trasy, wartość zniekształceń należy umieścić w specyfikacji. A Harmoniczne VFD klauzula stwierdzająca „zgodność z normą IEEE 519” i nic więcej pozostawia dostawcę transformatora w niepewności, czy ma zakupić dodatkową miedź, czy Ty zakupisz filtr.

 

Powietrze korozyjne: H2S, chlor i decyzja dotycząca obudowy

Pomieszczenie sprzętowe na oczyszczalni ścieków stanowi agresywną środowisko, które łatwo jest zaniżyć pod względem jego szkodliwości. Budynki przedsionkowe, studnie mokre oraz obszary fermentorów zawierają siarkowodór, który atakuje miedź, srebro oraz lut na przewodach sterowania nawet przy stężeniach, których nikt nie jest w stanie wyczuć zapachem. Pomieszczenia do chlorowania oraz do przechowywania hipochloranu tworzą drugą ścieżkę korozji. Dodaj do tego wilgotność bliską nasyceniu, a mechanizm uszkodzenia nie polega na uszkodzeniu powłoki — lecz na utracie połączenia po dwóch lub trzech latach eksploatacji.

Trzy decyzje dotyczące specyfikacji wiążą się z największym ryzykiem.

• Stopień ochrony obudowy. Dla obszarów procesowych w środowisku ścieków minimalne wymagania dotyczące obudów, określone w przewodnikach projektowania elektrycznego dla jednostek samorządowych, to obudowy zgodne ze standardem NEMA 4X — odporność na korozję, a nie tylko na wodę — zamiast obudów zgodnych ze standardem NEMA 3R, stosowanych zwykle w przypadku zwykłych transformatorów rozdzielczych przeznaczonych do zastosowania na zewnątrz. Oznacza to użycie obudowy ze stali nierdzewnej lub odpowiednio powlekanej, z uszczelnionymi drzwiami oraz elementami zabezpieczającymi odpornymi na korozję, a nie malowanej skrzyni z blachy.
• System powłok ochronnych. Narażenie na warunki przybrzeżne i chemiczne określa się zwykle jako kategorię korozji zgodnie ze standardem ISO 12944, a nie jako kolor farby; kategoria C5-M stanowi odniesienie dla usług o wysokim stopniu narażenia na korozję w warunkach morskich. W przypadku budowy urządzeń spełniających te wymagania dokumentuje się odporność powłoki poprzez test wytrzymania w roztworze solnym (test „salt-spray”) wykonany na warstwie powłoki ochronnej, a harmonogram wykończenia jest częścią zamówienia, a nie domyślną konfiguracją fabryczną.
• Zabezpieczenie przed cieczami oraz dostęp. W przypadku urządzeń z olejem izolacyjnym system zachowawczy oleju oraz uszczelnienie zbiornika decydują o tym, czy wilgoć będzie przenikać w ciągu pięciu lat; położenie zaworu pobierania próbek decyduje o tym, czy zespół konserwacyjny będzie mógł pobrać próbkę bez otwierania obudowy. Zapytaj, gdzie znajduje się ten zawór; jeśli odpowiedź brzmi „wewnątrz, za drzwiami”, przygotuj się na to, że próbka nigdy nie zostanie pobrana.

Umieszczenie na zewnątrz dla przekształtnik umieszczony na podstawie rozwiązuje problem braku pomieszczenia, ale nie rozwiązuje problemu korozji. Urządzenie typu pad-mounted w stacji podnoszeniowej znajduje się w tej samej chlorkowej, wilgotnej atmosferze co pompy, które zasila, dlatego jakość wykończenia obudowy i uszczelek ma większe znaczenie niż lokalizacja.

 

Redundancja i zasilanie rezerwowe: pytanie dotyczące konfiguracji

Oczyszczalnie ścieków zwykle muszą kontynuować proces oczyszczania podczas awarii sieci zasilającej, a to wymaganie dotyczy układu transformatorów tak samo jak układu generatora.

Typowym układem jest układ główny–połączeniowy–główny z dwustronnym zasilaniem i normalnie otwartym łącznikiem: dwa transformatory, dwie tablice rozdzielcze oraz jeden łącznik połączeniowy. Każdy transformator zasila własną połowę zakładu, a łącznik pozwala, aby którykolwiek z transformatorów mógł zasilać obciążenia niezbędne w przypadku wyłączenia drugiego. Kompromisem jest impedancja. Praca równoległa lub praca przy zamkniętym łączniku wymaga dopasowanej impedancji oraz identycznych pozycji uzwojenia pierwotnego (strefy przestawiania), w przeciwnym razie oba jednostki nie będą dzielić obciążenia zgodnie z założeniami schematu jednoliniowego. Dlatego prosimy o podanie zakresu impedancji przed przygotowaniem oferty na parę, a nie po jej przygotowaniu.

Gdy pojedynczy transformator zasila zakład, sytuacja zapasowa zwykle wygląda następująco: generator przy wejściu usługowym, przełącznik transferowy oraz decyzja dotycząca obciążeń, które mogą automatycznie ponownie uruchomić się. Problemem są dmuchawy i napędy. Duże napędy z długim czasem rozruchu są łagodniejsze dla generatora niż bezpośrednie włączenie pod napięcie, a transformator o niskim impedancji, określony dla przypadku zasilania sieciowego, może pogorszyć sytuację w przypadku zasilania generatorem. Oba przypadki należy sprawdzić przy użyciu tego samego harmonogramu silników.

 

Co umieścić w specyfikacji

Pozycje specyfikacji decydujące, czy dostarczona jednostka odpowiada zamierzeniom projektowym:

Pozycja specyfikacji	Co należy określić	Co warto zapytać
Harmonogram silników	Moc pozorna przy zaklinowanym wirniku (kVA), litera kodu, litera projektu NEMA, metoda rozruchu	Wymagać ograniczenia spadku napięcia: 10–15% to przyjęta praktyka w Ameryce Północnej
Jednoczesne rozruchy	Najgorsza kombinacja, jaką zakład rzeczywiście będzie obsługiwał	Rozruch po deszczowej pogodzie — trzy dmuchawy plus pompa osadów wymagają innego transformatora niż rozruch jednej pompy naraz
Obciążenie napędowe	Całkowita moc znamionowa przemienników częstotliwości wyrażona w koniach mechanicznych oraz informacja, czy dostarczany jest filtr czy reaktor	Określić poziom zniekształceń napięcia w punkcie wspólnego połączenia; odniesieniem jest norma IEEE Std 519-2022, której będzie się domagać dostawca energii elektrycznej
Zakres impedancji	Wartość procentowa impedancji i jej dopuszczalne odchylenie, pobrane z analizy przejściowej	Wymagane do przypadku rozruchowego oraz – w układzie dwustronnym – do równoległego rozdziału obciążenia
Obudowa i wykończenie powierzchni	Stopień ochrony NEMA 4X dla obszarów produkcyjnych; kategoria korozji zgodna z normą ISO 12944	Wskazać kategorię (np. C5-M dla morskich warunków wysokiej korozji) zamiast opisywać kolor farby
Konfiguracja zapasowa	Układ główny–łącznik–główny, zasilanie awaryjne z generatora lub układ jednostronny	Korpus generatora stawia inne wymagania dotyczące impedancji niż sieć zasilająca
Zakres testów	Testy rutynowe na każdej jednostce; testy typowe na konstrukcji; wyładowania częściowe w przypadku transformatorów suchych	Zapytaj, który standard testowy jest stosowany oraz czy obejmuje on obecność przedstawiciela agencji certyfikującej

 

W zakresie testów warto wyraźnie określić podział. Testy rutynowe przeprowadzane są na każdej jednostce i zgodne są z kodem testowym dla danej konstrukcji: IEEE C57.12.90 dla jednostek zanurzanych w cieczy w Ameryce Północnej oraz ogólne wymagania zawarte w IEC 60076-1 dla projektów zgodnych z normami IEC, przy czym konstrukcje suche podlegają IEC 60076-11 . Testy typowe — podwyższenie temperatury, wytrzymałość na impulsy i zwarciowe — dotyczą konstrukcji i powinny być śledzone w odniesieniu do dostarczanej jednostki. W przypadku zakładu przeznaczonego do współpracy z przemiennikami częstotliwości poproś o pisemne potwierdzenie sprawdzenia strat harmonicznych, ponieważ to właśnie ten obliczeniowy wynik decyduje, czy jednostka będzie pracować chłodno czy gorąco.

 

Jak budujemy urządzenia do projektów w zakresie wody i ścieków

Ryan Electric produkuje transformatory od 2007 roku w zakładzie o powierzchni 120 000 m² w prowincji Jiangsu, wyposażonym w ponad 180 zestawów sprzętu produkcyjnego i badawczego oraz posiadającym 37 patentów; od 2023 roku działamy jako oficjalny partner przedsiębiorstwa typu joint-venture z Eatonem. Jednostki są dostarczane z certyfikatami UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS oraz CE – zgodnie z wymogami rynku docelowego, co ma szczególne znaczenie przy pracach miejskich, gdzie inspektor sprawdza tabliczkę znamionową jeszcze przed podłączeniem urządzenia do zasilania. W przypadku projektów objętych certyfikacją testy są przeprowadzane pod nadzorem agencji certyfikującej, a nie wewnętrznie – na przykład poprzez UL Solutions w celu uzyskania certyfikatów dla rynku północnoamerykańskiego.

Różnica inżynierska w projektach związanych z wodą dotyczy pytań, które zadajemy już przed przygotowaniem oferty: harmonogram silników z literami kodowymi, sposób rozruchu, przypadek jednoczesnego rozruchu, moc napędowa falownika oraz informacja, czy filtr jest dostarczany, klasa obudowy dla strefy procesowej, kategoria korozji oraz konfiguracja trybu rezerwowego. Gdy te dane zostaną przekazane razem, to przekształtnik umieszczony na podstawie lub jednostka suchego typu, która jest dobrane do warunków eksploatacji elektrowni zamiast do całkowitej mocy zainstalowanej wyrażonej w koniach mechanicznych.

Wyślij nam harmonogram silników, dane dotyczące ekspozycji obiektu oraz wymagania dotyczące obudowy dla Twojej elektrowni lub stacji pompowni. Nasi inżynierowie przeprowadzą weryfikację doboru urządzenia pod kątem warunków rozruchu i obciążenia harmonicznego oraz przedstawią system powłok ochronnych i zakres badań w formie szczegółowej listy punktowej. Odpowiedź techniczna w ciągu 48 godzin.

O autorze: Niniejszy przewodnik przygotował zespół inżynieryjny i eksportowy Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd., producenta transformatorów założonego w 2007 roku, oficjalnego partnera joint-venture Eaton od 2023 roku oraz dostawcy produktów transformatorowych suchego typu, olejowych, montowanych na betonowych fundamentach oraz kompaktowych stacji transformatorowych przeznaczonych dla projektów energetycznych, przemysłowych, centrów danych i infrastrukturalnych. Zespół wspiera projekty wodociągowe i kanalizacyjne dla administracji lokalnej oraz przemysłu – od przeglądu specyfikacji po testy fabryczne.