Transformator pentru ventilarea tunelurilor: Specificarea unităților pentru tunelurile rutiere și sistemele de transport în subteran

Defecțiunea echipamentului într-un tunel rutier aproape niciodată nu începe pe circuitul de iluminat. Începe pe cel al ventilatoarelor. Un inginer de punere în funcțiune ne-a descris secvența în termeni simpli: prima bancă de ventilatoare jet pornește fără probleme, a doua bancă funcționează bine, dar când pornește a treia bancă, tensiunea pe bara de 480 V scade, variatorul de frecvență declanșează o protecție la subtensiune și ventilația intră în stare de defect chiar înainte ca testul cu fum să înceapă. „ transformator pentru ventilația în tunele fusese dimensionat pe baza unei liste de sarcini. Nimeni nu modelase pornirea.

Aceasta este partea neplăcută a alimentării tunelurilor. În majoritatea timpului, sarcina este modestă — câteva sute de kilowați pentru iluminat, câțiva ventilatori, câteva pompe. Pentru câteva secunde, de câteva ori pe zi, sarcina nu este deloc modestă. Și aceeași unitate care suportă pornirea unui motor trebuie, de asemenea, să funcționeze în continuare în prezența Armonici VFD a acționărilor de ventilație și să rămână operabilă în timp ce un incendiu arde la doar câțiva metri distanță.

 

Ce încarcă, de fapt, o substație de tunel

Un tunel este o mică uzină industrială întinsă de-a lungul unui kilometru de beton. Ventilația domină sarcina electrică, dar nu este singura; în plus, sarcinile diferite se comportă complet diferit. Aprobarea unui singur număr de kVA, fără separarea acestor sarcini, este locul în care apar cele mai multe erori de specificație.

Încărcare	Interval Tipic	Funcție	Cum influențează acest lucru dimensionarea
Ventilator jet (axial, cu alimentare directă)	22–250 kW	Pornire/oprire în etape, sute de cicluri pe an	Curent de blocare și cădere de tensiune pe bara de joasă tensiune
Ventilator de ventilație pentru tunel	200–1.000 kW	Continuu, reversibil pentru extragerea fumului	Cel mai mare motor individual; de obicei stabilește pragul minim de dimensionare
Actuatori și sisteme de comandă pentru clapetele de fum	sub 10 kW	Doar în regim de urgență, trebuie să mențină poziția	Sarcină mică, dar împarte aceeași tablă electrică și circuit UPS
Iluminat de urgență și iluminat pentru tunele cu LED	30–350 kW	Continuu, regim de funcționare 100%	Ric în armonici; crește curentul neutru
Pompe de scurgere	15–110 kW	Mediu intermitent și umed	Pornire împotriva unei coloane de apă; risc de pătrundere a umezelii
Ventilare și deumidificatoare pentru stații de transformare	10–60 kW	Continuă	Crește temperatura ambientală în care se află transformatorul însuși
SCADA, CCTV, panouri informative	sub 20 kW	Continuă	Cerința de funcționare continuă în timpul unui incendiu

Ghidurile de proiectare tratează deja aceste aspecte ca discipline distincte. Ghidurile FHWA privind proiectarea tunelurilor rutiere (https://www.fhwa.dot.gov/publications/focus/05nov/03.cfm) dedica secțiuni separate ventilației, iluminatului, măsurilor de prevenire a incendiilor și proiectării antiseismice — dar toate se bazează pe un singur program de încărcare, iar un singur transformator trebuie, de obicei, să suporte rezultatul.

 

Pornirea motoarelor stabilește pragul minim, nu sarcina de funcționare

Sarcina de funcționare este ușor de calculat. Se adună consumul ventilatoarelor, al sistemelor de iluminat și al pompelor, se aplică un factor de diversitate și un grup de 1.500 kVA pare generos comparativ cu un tunel de 900 kVA. Apoi se analizează pornirea.

Un motor de inducție standard conform normei NEMA Design B consumă aproximativ de șase ori curentul nominal în timpul pornirii directe pe rețea. Luați, de exemplu, un motor de ventilator cu jet de 250 kW la 480 V: curentul nominal este de aproximativ 300 A, astfel încât curentul de blocare este de circa 1.800 A și se menține la această valoare timp de două până la patru secunde, perioadă în care ventilatorul ajunge la viteza de regim. Dacă se pornește o a doua grupă cu jumătate de secundă mai târziu, transformatorul suportă o sarcină pe care nu o va mai întâlni niciodată în funcționarea normală. Aceasta este valoarea care determină datele de pe plăcuța indicatoare.

Două parametri stabilesc dacă pornirea este acceptabilă: impedanța procentuală a transformatorului și impedanța alimentării. Un transformator cu impedanță de 5,75 % limitează confortabil curentul de scurtcircuit, dar provoacă o cădere de tensiune mai accentuată la bornele motorului. Un transformator cu impedanță de 4 % reduce această cădere de tensiune, dar mărește curentul de scurtcircuit previzibil, pe care trebuie să-l suporte atât valoarea nominală a întrerupătorului de joasă tensiune, cât și rezistența la solicitări mecanice a barelor colectoare. Pe o linie de alimentare de 700 m care duce la o cameră de ventilatori situată în mijlocul unui tunel, impedanța cablului poate cauza o cădere de tensiune mai mare decât cea produsă de transformator.

Experiență practică: efectuăm calculul pornirii înainte ca o ofertă pentru un tunel să părăsească fabrica, iar atunci când un client trimite doar o listă de sarcini, îi adresăm o singură întrebare: care este cel mai mare motor, cum se pornește acesta și care este lungimea cablului către el? Răspunsul unic la această întrebare a modificat valoarea nominală specificată în mai multe proiecte de tunel decât orice alt rând din program.

 

Armonicile VFD modifică regimul de funcționare al unui transformator pentru ventilarea tunelurilor

Aproape fiecare ventilator cu jet nou este acționat de un variator de frecvență (VFD), deoarece un ventilator care funcționează la 30 % din viteză în orele de nevârf își amortizează costul variatorului doar prin economiile de energie. Variatorul modifică, de asemenea, ceea ce transformatorul „vede” la bornele sale secundare.

Un convertizor cu șase impulsuri absoarbe un curent nesinusoidal, a cărui distorsiune armonică totală se situează de obicei între 25 % și 45 % la intrare. Standardul IEEE 519 limitează distorsiunea de tensiune la 5 % pe o bară colectoare sub 69 kV și strânge limita de distorsiune a curentului pe măsură ce curentul de scurtcircuit disponibil scade. Tunelele se află la capătul mai puțin avantajos al acestei curbe: alimentare pe distanțe lungi, surse relativ slabe și mai multe convertizoare alimentate de pe aceeași bară colectoare secundară.

Consecința este că un transformator care alimentează motoarele de ventilare pentru tunele nu poate fi dimensionat doar pe baza puterii aparente exprimate în kVA. Curentul armonic adaugă pierderi prin curenți parazitari și pierderi împrăștiate, determinând creșterea temperaturii punctului fierbinte al înfășurărilor peste nivelul generat de o sarcină sinusoidală la aceeași putere aparentă. De aceea, un transformator cu rezină injectată transformator pentru un proiect de tunel este adesea comandat cu o clasă K, cu un conductor neutru supradimensionat sau cu o înfășurare în triunghi care blochează armonicile de ordin multiplu de trei, împreună cu o clasă de temperatură a înfășurărilor care asigură un joc termic suplimentar față de sarcina de proiectare.

Regula noastră practică pentru tablourile de distribuție alimentate de convertizoare în proiectele de tunele, unde Armonici VFD domină: luați capacitatea de antrenare conectată, adăugați un coeficient de siguranță pentru pierderile armonice și specificați clasa de creștere a temperaturii înfășurărilor cu o treaptă mai mare decât cerința minimă. Costul suplimentar este inclus în ofertă. Costul unei decizii greșite apare în anul șapte.

 

 

Siguranța la incendiu determină tehnologia, nu prețul

Întrebați-vă de ce aproape fiecare substație din interiorul tunelurilor utilizează echipamente de tip uscat și răspunsul nu este eficiența. Este siguranța la incendiu. NFPA 502 (https://www.nfpa.org/codes-and-standards/nfpa-502-standard-development/502stabilește cerințele privind protecția împotriva incendiilor și siguranța vieții în caz de incendiu pentru tuneluri rutiere, poduri și alte autostrăzi cu acces limitat, tratând ventilarea ca o funcție critică de siguranță a vieții care trebuie să rămână în funcțiune în timpul unui incendiu.

Această cerință se transmite direct și la transformator. Un transformator umplut cu ulei, amplasat în interiorul conturului tunelului, implică utilizarea unui lichid inflamabil, a unui bazin de retenție, a unei camere blindate și a unei separări suplimentare împotriva incendiilor; astfel, majoritatea proiectanților evită această problemă și specifică un transformator cu rezină injectată în interiorul găurii sau într-o încăpere adiacentă. Standardele de produs sunt clare cu privire la cerințele pe care o astfel de unitate trebuie să le îndeplinească: IEEE C57.12.01 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.01/6775/) acoperă cerințele generale pentru transformatoarele de distribuție și de putere de tip uscat, iar IEC 60076-11 acoperă transformatoarele de putere de tip uscat până la 36 kV.

Un detaliu este omis mai des decât oricare altul: transformatorul este la fel de bun ca și alimentarea sa. Acolo unde circuitul de ventilație de urgență este obligatoriu pentru menținerea integrității circuitului în timpul unui eveniment de incendiu, cablul și racordurile trebuie să reziste acelorași condiții. O unitate autoextinguibilă din rășină turnată, conectată cu cablu standard, reprezintă o incoerență frecventă și costisitoare.

 

Mediul din tunele afectează echipamentele în mod discret

Aerul din tunel este umed, prăfos și ușor coroziv. Umiditatea relativă de peste 85% este obișnuită în interiorul unui shaft de ventilare, iar praful provenit de la frâne și anvelope se depune pe fiecare suprafață orizontală; în plus, un tunel de coastă adaugă cloruri în această combinație. Temperatura ambientală în shaft poate ajunge la 40–45 °C în perioada estivală, măsurată în locul efectiv unde este amplasat transformatorul, nu la intrarea în tunel.

Înfășurarea encapsulată în rășină rezistă mai bine decât o înfășurare uscată învelită, deoarece, în cazul unei transformator cu rezină injectată turnări, înfășurarea este etanșată împotriva pătrunderii umidității. Totuși, specificația trebuie să țină cont de mediul respectiv: încălzitoare spațiale anti-condens, o cutie de borne cu grad de protecție IP și o temperatură ambientală de proiectare luată din valoarea din shaft, nu din media climatică regională.

Altitudinea contează, de asemenea. La 1.500 m, un transformator pierde aproape 9% din densitatea aerului disponibilă pentru răcirea prin convecție, astfel încât un aparat care trece testul de creștere a temperaturii la nivelul mării nu este automat acceptabil pe o traseu montan. Solicitați furnizorului să specifice reducerea de putere aplicabilă în condițiile ambientale și la altitudinea site-ului dumneavoastră și să prezinte calculul respectiv, nu o curbă generică — aceasta este verificarea pe care o aplicăm noi în fiecare caz. transformator pentru ventilația în tunele vă facem ofertă.

 

Ce cerem înainte de a oferi o ofertă

Cinci elemente determină puterea nominală, prețul și termenul de livrare pentru o comandă de transformator pentru tunel. Dacă acestea sunt clar specificate în cerere, oferta se întoarce, de obicei, corectă din prima încercare:

• Programul de sarcină, cu cel mai mare motor evidențiat. Indicați-ne metoda de pornire și lungimea cablului de la substație. Toate celelalte date decurg din această informație.
• Tipul și numărul variatoarelor de viteză. Redresor cu 6 pulsiuni, cu 12 pulsiuni sau cu front activ, plus curentul de scurtcircuit disponibil la bara de joasă tensiune — acestea stabilesc marja pentru armonici.
• O bandă continuă din cauciuc etanșează perfect perimetrul interior al ușii, asigurând o protecție sigură și etanșă împotriva particulelor fine de praf, pătrunderii umidității și a condensului ambiental în condiții variabile de amplasament. Parametrii mediului ambiant, altitudinea, umiditatea și categoria seismică aplicabilă aliniamentului.
• Strategia de prevenire și stingere a incendiilor. Echipamentele din interiorul tunelului, într-o substație dedicată sau la distanță — răspunsul determină tipul transformatorului: uscat sau cu ulei.
• Certificarea și ținta de eficiență. Rapoartele de testare UL, CSA sau IEC și nivelul de eficiență cerut de țara de destinație.

Ryan Electric produce transformatori de tip uscat și transformatori cu ulei pentru proiecte de infrastructură și industriale în America de Nord, Orientul Mijlociu și Asia de Sud-Est. Fabrica noastră din Jiangsu acoperă o suprafață de 120.000 m² și este dotată cu peste 180 de seturi de echipamente pentru producție și testare; portofoliul nostru de certificate include UL, CSA, IEEE, DEKRA și CNAS. Din 2023 operăm ca partener într-o întreprindere comună cu Eaton, ceea ce a dus la supunerea documentației noastre privind testele și calitatea unui proces de audit extern, în locul unei declarații proprii. O comandă pentru tunel este tratată la fel ca o comandă pentru centru de date: datele testelor de rutină, înregistrările creșterii temperaturii și fișierele de certificare sunt expediate împreună cu unitatea.

 

Trimiteți programul de sarcină, nu doar valoarea kVA

Numărul care decide un transformator pentru ventilația în tunele nu este de obicei primul număr de pe lista de încărcare. Trimiteți inginerilor noștri programul de încărcare, cel mai mare motor, tipul de acționare și condițiile de la locul de instalare, iar veți primi în schimb o clasificare, un coeficient de siguranță pentru armonice și un calcul de reducere a puterii pe care îl puteți susține în cadrul revizuirii proiectului, nu o placă indicatoare aleasă pe baza unor reguli empirice.

Despre autor: Acest articol a fost scris de echipa de inginerie a Ryan Electric, un producător de transformatoare din Jiangsu, China, și partener de joint venture al Eaton din 2023, furnizând transformatoare uscate și cu ulei certificate UL, CSA și IEC pentru proiecte de tuneluri, metrou, centre de date și rețele electrice în America de Nord, Orientul Mijlociu și Asia de Sud-Est.