Fero-rezonanța în transformatoarele montate pe suport: Ce dorește un producător de transformatoare montate pe suport să știe specificatorii

 

Ca un producător de transformatoare montate pe soclu , continuăm să întâlnim aceeași defecțiune, în aceeași ordine. O unitate montată pe suport este înlocuită pentru întreținere. Limitatorul de supratensiune de pe stâlpul de ridicare, situat la capătul cablului, cedează. Echipa înlocuiește limitatorul de supratensiune, pune unitatea sub tensiune și înlocuirea cedează din nou în câteva luni – uneori chiar în câteva săptămâni. Transformatorul în sine este testat fără probleme la fiecare verificare rutinieră. Nimic de pe plăcuța indicatoare nu este incorect. Ceea ce distruge limitatorul de supratensiune este ferorezonanța, iar acest lucru se datorează aproape întotdeauna altor cauze, nu defectului limitatorului de supratensiune.

Ce este, de fapt, ferorezonanța

 

Nucleul unui transformator nu este o bobină liniară. Sub punctul de saturație, reactanța de magnetizare este ridicată. Pe măsură ce nucleul se apropie de saturație, această reactanță scade brusc. Introducând un astfel de element într-un circuit care conține și capacitate — de exemplu, capacitatea învelișului unui cablu subteran, capacitatea de egalizare a unui întrerupător, capacitatea unei treceri sau a unui banchet de condensatoare — o perturbație produsă la comutare poate determina apariția unei oscilații pe care niciunul dintre cele două elemente nu ar putea-o genera individual.

Aceasta este întreaga definiție și explică, de asemenea, de ce ferorezonanța în transformatoare nu este rezonanța ordonată pe care o calculăm din relația XL = XC. În cazul unei bobine liniare există o singură frecvență de rezonanță și o singură stare staționară. În cazul unui nucleu saturabil există mai multe frecvențe de rezonanță, iar circuitul poate trece brusc de la una la alta. IEEE Technology Navigator — Ferroresonance (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) descrie patru moduri principale de oscilație: ferorezonanță la frecvența fundamentală, la frecvența de alimentare; ferorezonanță subarmonică, la o fracțiune din frecvența de alimentare, cel mai des la o treime; ferorezonanță cu variație cuasi-perioadică, cu forme de undă neregulate; și ferorezonanță haotică, fără niciun model repetitiv. Supratensiunile persistente în aceste moduri pot atinge de cinci până la șase ori tensiunea nominală de linie, valoare mult mai mare decât cea presupusă de coordonarea izolării unei înfășurări de distribuție pentru solicitarea continuă la frecvența de rețea.

Două unități cu plăcuțe identice pot avea comportamente complet diferite. Modul în care se stabilizează un circuit depinde de inductanță, capacitate, mărimea tensiunii și condițiile inițiale — ceea ce, în practică, înseamnă că depinde de momentul exact în care se închide întrerupătorul. De aceea, un studiu bazat pe valori nominale nu va detecta acest fenomen, iar aceeași operațiune de comutare poate decurge fără probleme de o sută de ori și să eșueze la cea de-a suta una.

Dacă lucrați în prezent cu o specificație montată pe suport, echipa noastră de ingineri va analiza împreună cu dumneavoastră circuitul primar înainte ca valoarea nominală să fie fixată. Trimiteți-ne diagrama unifilară și vom parcurge împreună cele patru condiții.

Cele patru condiții care trebuie să coincidă

 

Ferrorezonanța este exigentă. Are nevoie de patru condiții simultane — o secundară descărcată, o capacitate primară ridicată, asimetrie comutarea pe o singură fază și un miez care se saturează la o supratensiune moderată — motiv pentru care nu apare niciodată într-un studiu de flux de sarcină și pentru care este atât de dificil de reprodus într-o bancă de încercări.

Stare	De ce este important	Unde apare în practică
Secundară descărcată sau ușor încărcată	Rezistența de sarcină amortizează oscilația; o secundară goală nu oferă deloc amortizare	Noi subdiviziuni înainte de ocupare, oprirea sezonieră a instalației, unități păstrate ca rezervă
Capacitate primară ridicată	Capacitatea învelișului cablului pe unitate de lungime este mult mai mare decât cea a unei linii aeriene	Alimentator subteran lung, cablu de ridicare, compartiment de rețea, serviciu industrial alimentat prin cablu
Comutare asimetrică	Lasează una sau două faze izolate, dar totuși cuplate capacitiv la sursă	Întreruptoare monofazate, o siguranță arsă, reînchizătoare monopolare, operare cu mufă tip cot
Nucleu care se saturează la supratensiuni modeste	Inductanța de magnetizare scade brusc, permițând circuitului să „sară” între punctele de funcționare	Nuclee moderne cu pierderi reduse și concepții care funcționează la densități mai mari de flux magnetic

 

Eliminați oricare dintre cele patru elemente și fenomenul, de obicei, nu va începe. Aceasta este partea utilă, deoarece înseamnă că există patru locuri distincte unde se poate elimina prin proiectare — iar soluția cea mai ieftină este, aproape întotdeauna, dispozitivul de comutare. Este, de asemenea, momentul în care discuția ar trebui să treacă de la ofertă la selecție, iar acesta este primul lucru pe care un producător de transformatoare montate pe soclu ar trebui să-l ridice cu dumneavoastră.

Ce face cu unitatea înainte ca oricine să observe

 

Defecțiunea pe care o observă prima dată echipajul se manifestă de obicei la dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor , nu în interiorul rezervorului. Un limitator de tensiune cu oxid metalic este un rezistor care devine conductiv doar peste tensiunea nominală. O supratensiune ferorezonantă prelungită îl menține în stare de conducție și transformă oscilația în căldură, într-un bloc ceramic dimensionat pentru impulsuri de microsecunde, la un ciclu de funcționare definit. Datele de referință Eaton privind protecția împotriva supratensiunilor pentru transformatoarele montate pe suport indică clar limita: limitatoarele reduc supratensiunile, dar nu le elimină; cu cât ciclul de funcționare al limitatorului este mai intens, cu atât mai mult material conductiv este prezent și cu atât mai mult timp rezistă limitatorul unei supratensiuni înainte de a ceda. Un limitator de uz ușor, destinat distribuției, perfect adecvat pentru descărcările atmosferice, nu este dimensionat pentru minute întregi de energie la frecvența rețelei. Date de referință Eaton TC202005EN — Protecția împotriva supratensiunilor pentru transformatoarele montate pe suport (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)

În spatele paratrăsnetului, deteriorarea este mai puțin vizibilă și mai greu de detectat într-un test rutinier. Suprafețele izolatorilor prezintă urme de urmărire acolo unde a avut loc descărcarea prin străpungere. Izolația înfășurărilor se străpunge în punctul în care oscilația atinge valoarea maximă, iar gaura este adesea suficient de mică încât un test de raport de transformare să dea rezultat pozitiv. Inima transformatorului se încălzește excesiv, deoarece excursia fluxului depășește în mod semnificativ valoarea proiectată, iar căldura este ceea ce scurtează durata de viață a izolației. Defecțiunea paratrăsnetului este, de obicei, prima consecință, nu singura.

Există, de asemenea, un simptom care nu este deloc de natură electrică. Un echipament aflat în ferorezonanță produce frecvent un zumzet sau un zgomot de vibrație de joasă frecvență, care sună diferit față de zumzetul normal cauzat de magnetostricțiune — este neregulat, neuniform și suficient de puternic încât echipajele îl observă înainte ca orice releu să declanșeze. Tratați-l ca pe un semnal, nu ca pe o nesuferință.

 

Comutarea pe o singură fază este declanșatorul pe care îl puteți controla

 

Dintre cele patru condiții, comutarea asimetrică este cea pe care un specificator o poate elimina cu un singur element în specificații. Comutarea pe o singură fază a unui grup de transformatoare trifazat — fie din cauza întrerupătorilor de siguranță, a unei siguranțe arse sau a unui sistem de reînchidere monopolară — lasă grupul parțial alimentat și cuplat capacitiv la sursă, ceea ce reprezintă declanșatorul clasic în sistemele de distribuție alimentate prin cablu.

IEEE Std C57.105-2019, ghidul pentru aplicarea conexiunilor de transformator în sistemele electrice trifazate, tratează aceste interacțiuni legate de conexiuni și comutare ca pe o considerație de proiectare, nu ca pe un accident: IEEE Std C57.105-2019 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) . Standardul există exact pentru că interacțiunea dintre o conexiune de transformator și circuitul din jurul său determină dacă un sistem funcționează corect sau nu.

Ceea ce funcționează în teren nu este spectaculos. Comutați simultan toate cele trei faze cu un dispozitiv acționat în grup, în locul deconectoarelor monofazate, ori de câte ori configurația o permite. Acolo unde dispozitivele monofazate sunt inevitabile, mențineți o mică sarcină rezistivă permanentă pe secundar în timpul comutării, astfel încât oscilația să aibă ceva în care să se disipeze. Un rezistor de amortizare sau un circuit de suprimare a ferorezonanței montat în paralel pe înfășurare reprezintă următorul nivel de protecție, iar un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor ales pentru supratensiuni temporare, nu doar pentru fulgere, este ultimul nivel.

Niciuna dintre aceste măsuri nu necesită echipamente exotice. Este necesar ca schema de comutare și ciclul de funcționare al parafurtunelor să fie stabilite simultan cu alegerea puterii transformatorului, nu după ce cablul a fost deja tras.

Cinci elemente de inclus în cererea de ofertă (RFQ)

 

Tipul de conexiune al înfășurărilor și modul de legare la pământ. Indicați dacă este acceptabilă o conexiune primară în stea cu neutrul legat la pământ. O conexiune primară în triunghi nelegată la pământ pe o traseu lung de cablu este cea mai riscantă configurație posibilă, iar răspunsul modifică întreaga imagine privind supratensiunile.

Tipul dispozitivului principal de comutare. Comutator de sarcină trifazat cu acționare simultană, reînchidere trifazată sau siguranțe monofazate. Dacă utilizarea dispozitivelor monofazate este inevitabilă, specificați-o, deoarece aceasta modifică dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor selecție.

Clasa parafudrului, ciclul de funcționare, tensiunea maximă continuă de funcționare (MCOV) și capacitatea de rezistență la supratensiunile temporare. expresia «parafudre incluse» nu constituie o specificație. Solicitați un parafudru dimensionat pentru supratensiunile temporare, nu doar pentru trăsnet.

Tabelul cablurilor. Secțiunea conductorului, lungimea și tipul izolației pentru fiecare segment primar. Capacitatea învelișului reprezintă cealaltă jumătate a circuitului rezonant și nu apare pe tabelul de date de pe plăcuța indicatoare.

Amortizarea secundară. Dacă o sarcină permanentă mică sau o rezistență de amortizare va rămâne conectată pe partea secundară în timpul comutării și ce procent din puterea nominală reprezintă aceasta.

Ce întreabă un producător de transformatoare în blocuri înainte de comandă

 

La orice proiect cu trasee lungi de cabluri principale, primul document pe care îl solicităm nu este fișa tehnică. Este schema unifilară cu lungimile cablurilor și configurația comutării, deoarece aceste două elemente determină dacă riscul de supratensiune este neglijabil sau real. A producător de transformatoare montate pe soclu cine ofertează doar pe baza listei transformatoarelor ofertează o unitate, nu o soluție.

Fiecare unitate este supusă unei secvențe rutiniere de teste, iar pierderile în gol și curentul de magnetizare sunt înregistrate în acest proces. Aceste două valori reprezintă datele de intrare care transformă o întrebare privind ferorezonanța dintr-o opinie într-un calcul, iar noi le vom transmite inginerului dumneavoastră consultant înainte de livrare, la cerere.

Ryan Electric produce transformatori de distribuție și de putere începând din 2007, dintr-o bază de producție de 120.000 m² dotată cu peste 180 de seturi de echipamente pentru producție și testare, precum și cu 37 de brevete. Începând din 2023, compania funcționează ca partener oficial în cadrul unei întreprinderi comune cu Eaton, motiv pentru care abordăm coordonarea parafurtunilor și a întrerupătoarelor ca parte integrantă a domeniului de aplicare al transformatorului, nu ca o problemă aparte.

Un model pe care îl observăm în mod repetat în lucrările de subdivizare din America de Nord este un mic grup trifazat — de la 75 kVA până la 500 kVA — amplasat la capătul unui traseu subteran lung, alimentat prin întrerupătoare monofazate și destinat unei sarcini care nu va exista nici măcar peste un an. Toate condițiile enumerate sunt prezente simultan, iar amplasamentul rămâne neîncărcat luni întregi. Când proiectantul trece la un întrerupător cu comandă simultană (gang-operated) și menține o sarcină rezistivă mică pe partea secundară în timpul punerii în funcțiune, defectele parafurtunilor încetează.

Dacă specificați unități montate pe platformă pentru un sistem alimentat prin cablu, trimiteți-ne diagrama unifilară și programul cablurilor înainte de plasarea comenzii. Vom analiza dispozitivul de comutare, specificația parafurtunelor și amortizarea secundară în funcție de circuitul dumneavoastră real și vă vom indica care dintre cele patru condiții aveți — și care dintre acestea au fost deja eliminate din proiectare. Aceasta este conversația pe care o producător de transformatoare montate pe soclu ar trebui să o aibă cu dumneavoastră înainte de plasarea comenzii, nu după ce primul parafurtun a eșuat.

Despre autor

Acest articol a fost pregătit de echipa de inginerie pentru transformatoare Ryan Electric. Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) proiectează și produce transformatoare uscate din rășină turnată și VPI, transformatoare imersate în ulei și unități montate pe platformă la baza sa de producție de 120.000 m², servind proiecte de centre de date, industriale, de utilități și de infrastructură din America de Nord, Asia de Sud-Est, Orientul Mijlociu și Africa.