Феррорезонанс в трансформаторах, устанавливаемых на фундаменте: что производитель трансформаторов, устанавливаемых на фундаменте, хочет, чтобы проектировщики знали

 

Как производитель трансформаторов в герметичном корпусе , мы постоянно сталкиваемся с одной и той же неисправностью в одном и том же порядке. Блок, установленный на подставке, заменяется в целях технического обслуживания. Ограничитель перенапряжения на опоре линии в конце кабеля выходит из строя. Бригада заменяет ограничитель, вводит блок в работу, и замена снова выходит из строя в течение нескольких месяцев — иногда даже в течение нескольких недель. Сам трансформатор при каждом плановом тестировании показывает исправное состояние. На табличке с техническими данными нет никаких ошибок. Причиной выхода из строя ограничителя является феррорезонанс, и почти никогда это не связано с дефектом самого ограничителя.

Что такое феррорезонанс на самом деле

 

Сердечник трансформатора не является линейным индуктивным элементом. При работе ниже точки насыщения его индуктивное сопротивление намагничивания велико. По мере приближения сердечника к состоянию насыщения это сопротивление резко падает. Если включить компонент с таким поведением в цепь, содержащую ёмкость — например, ёмкость оболочки подземного кабеля, ёмкость распределения напряжения в выключателе, ёмкость проходного изолятора или конденсаторной батареи — то коммутационное возмущение может вызвать в цепи колебания, которые ни один из этих элементов по отдельности не способен генерировать.

Это и есть полное определение, а также объяснение того, почему феррорезонанс в трансформаторах не является аккуратным резонансом, рассчитываемым по формуле XL = XC. В случае линейного индуктивного элемента существует лишь одна резонансная частота и одно установившееся состояние. В случае насыщаемого сердечника их несколько, и цепь может скачкообразно переходить между ними. IEEE Technology Navigator — Ferroresonance (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) описывает четыре основных режима колебаний: феррорезонанс на основной частоте — при частоте питающей сети; субгармонический феррорезонанс — при дробной части частоты питающей сети, чаще всего при одной трети этой частоты; квазипериодический феррорезонанс с нерегулярными формами волн; и хаотический феррорезонанс без какого-либо повторяющегося паттерна. Устойчивые перенапряжения в этих режимах могут достигать пяти–шести раз номинального линейного напряжения, что значительно превышает значения, заложенные в координации изоляции распределительной обмотки для длительного воздействия напряжения промышленной частоты.

Два устройства с одинаковыми табличками могут вести себя совершенно по-разному. Режим, в который переходит цепь, зависит от индуктивности, ёмкости, величины напряжения и начальных условий — а на практике это означает зависимость от точного момента замыкания выключателя. Именно поэтому исследование, выполненное на основе номинальных значений, не выявит данный эффект, и именно поэтому одна и та же операция коммутации может проходить без сбоев сто раз подряд и вызвать отказ при сотом первом выполнении.

Если вы сейчас работаете с техническим заданием на столбовую подстанцию, наша инженерная команда совместно с вами проанализирует первичную цепь до фиксации номинальных параметров. Направьте нам однолинейную схему, и мы вместе рассмотрим четыре условия.

Четыре условия, которые должны совпасть

 

Феррорезонанс — явление капризное. Для его возникновения одновременно требуются четыре условия: ненагруженная вторичная обмотка, высокая ёмкость первичной цепи, асимметричное однофазное переключение , а также магнитопровод, насыщающийся при умеренном превышении напряжения — именно поэтому феррорезонанс никогда не проявляется в расчётах потокораспределения и так трудно воспроизводится в испытательной лаборатории.

Состояние	Почему это важно	Где он проявляется на практике
Ненагруженная или слабо нагруженная вторичная обмотка	Сопротивление нагрузки подавляет колебания; пустая вторичная обмотка вообще не обеспечивает демпфирования	Новая жилая застройка до ввода в эксплуатацию, сезонное отключение производственного оборудования, резервный блок
Высокая ёмкость первичной цепи	Емкость кабельной оболочки на единицу длины значительно выше, чем у воздушной линии	Длинный подземный фидер, вертикальный кабель, распределительный колодец, промышленное энергоснабжение от кабеля
Асимметричное коммутирование	Оставляет одну или две фазы изолированными, но при этом по-прежнему ёмкостно связанными с источником	Однофазные разъединители, перегоревший предохранитель, однополюсные автоматические выключатели, операции с элбоу-разъёмами
Сердечник, насыщающийся при умеренном превышении напряжения	Индуктивность намагничивания резко падает, позволяя цепи скачкообразно переходить между рабочими точками	Современные малопотерйные сердечники и конструкции, работающие при более высокой плотности магнитного потока

 

Устраните любой из четырёх факторов — и явление, как правило, не возникнет. Это полезно, поскольку означает, что существует четыре независимых точки, где можно исключить данное явление; наиболее экономичным решением почти всегда является изменение схемы коммутирования. Именно на этом этапе обсуждение должно перейти от запроса коммерческого предложения к выбору решения, и это первый вопрос, который производитель трансформаторов в герметичном корпусе должен задать вам.

Что происходит с устройством до того, как кто-либо это заметит

 

Первым признаком неисправности, который обнаруживает бригада, обычно является повреждение ограничитель перенапряжения , а не внутри бака. Ограничитель перенапряжения на основе оксидов металлов — это резистор, который начинает проводить ток только при превышении номинального напряжения. Продолжительное феррорезонансное перенапряжение удерживает его в проводящем состоянии и преобразует колебания в тепло внутри керамического блока, рассчитанного на импульсы длительностью в микросекунды при заданном цикле нагрузки. В справочных данных Eaton по защите от перенапряжений для трансформаторов, устанавливаемых на опорах, этот предел указан чётко: ограничители снижают перенапряжения, но не устраняют их полностью; чем выше цикл нагрузки ограничителя, тем больше в нём проводящего материала и тем дольше он выдерживает перенапряжение до выхода из строя. Ограничитель распределительной сети лёгкого типа, вполне подходящий для защиты от грозовых импульсов, не рассчитан на минуты воздействия энергии промышленной частоты. Справочные данные Eaton TC202005EN — Защита от перенапряжений для трансформаторов, устанавливаемых на опорах (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)

За ограничителем перенапряжения повреждения проявляются менее выраженно и труднее обнаруживаются при рутинном тестировании. На поверхности проходных изоляторов видны следы поверхностного пробоя, возникшего при перекрытии. Изоляция обмоток пробивается в точке, где достигается пик колебаний; при этом пробой часто настолько мал, что тест коэффициента трансформации даёт удовлетворительные результаты. Сердечник перегревается, поскольку магнитный поток выходит далеко за пределы проектных значений, а именно перегрев сокращает срок службы изоляции. Отказ ограничителя перенапряжения обычно происходит первым — но не единственным.

Существует также симптом, не имеющий никакого отношения к электрическим параметрам. Устройство, работающее в режиме феррорезонанса, зачастую издаёт низкочастотный гул или дребезжание, звучащее иначе, чем обычный гул магнитострикции: неравномерно, хаотично и достаточно громко, чтобы бригады замечали его ещё до срабатывания какого-либо реле. Воспринимайте этот звук как сигнал тревоги, а не как помеху.

 

Однофазное переключение — это инициирующий фактор, который вы можете контролировать

 

Из четырёх условий асимметричное переключение — единственное, которое проектировщик может устранить, указав всего один пункт в спецификации. Однофазное переключение трёхфазного трансформаторного блока — будь то с помощью предохранителей-отключателей, одного перегоревшего предохранителя или однополюсной схемы автоматического повторного включения — оставляет блок частично под напряжением и ёмкостно связанным с источником питания, что является классическим механизмом возникновения аварийных явлений в распределительных системах с кабельными линиями.

Стандарт IEEE Std C57.105-2019, руководство по применению соединений трансформаторов в трёхфазных электрических системах, рассматривает взаимодействие между способами соединения трансформаторов и схемами их коммутации как вопрос проектирования, а не как случайность: IEEE Std C57.105-2019 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) . Данный стандарт существует именно потому, что взаимодействие между способом соединения трансформатора и окружающей его цепью определяет, будет ли система функционировать корректно или проявлять нежелательное поведение.

То, что работает на практике, выглядит непривлекательно. Всегда переключайте все три фазы одновременно с помощью устройства с групповым приводом вместо одиночных разъединителей там, где конфигурация это позволяет. Там, где применение одиночных устройств неизбежно, поддерживайте небольшую постоянную резистивную нагрузку на вторичной стороне во время коммутации, чтобы колебания имели возможность рассеяться. Следующий уровень защиты — демпфирующий резистор или цепь подавления феррорезонанса, подключённая параллельно обмотке, а ограничитель перенапряжения выбор ограничителя перенапряжения, рассчитанного на временные перенапряжения, а не только на грозовые импульсы, — это последняя мера.

Для всего этого не требуются экзотические компоненты. Необходимо согласовывать схему коммутации и рабочий цикл ограничителей перенапряжения одновременно с выбором мощности трансформатора — а не после того, как кабель уже проложен.

Пять пунктов, которые следует включить в запрос предложений (RFQ)

 

Соединение обмоток и заземление. Уточните, допустимо ли использование первичной обмотки в исполнении «звезда с заземлённой нейтралью». Первичная обмотка в исполнении «незаземлённый треугольник» при длинной кабельной линии представляет собой наиболее рискованную конфигурацию, и этот выбор полностью меняет картину перенапряжений.

Тип основного коммутационного устройства. Трехфазный разъединитель с групповым приводом, трехфазное автоматическое повторное включение или однолинейные предохранители. Если применение однолинейных устройств неизбежно, укажите это явно, поскольку это изменяет ограничитель перенапряжения обзор.

Класс ограничителя перенапряжения, режим его работы, максимальное длительно допустимое напряжение (MCOV) и способность выдерживать временные перенапряжения. фраза «ограничители перенапряжения включены» не является технической спецификацией. Требуйте ограничитель перенапряжения, рассчитанный на выдерживание временных перенапряжений, а не только грозовых импульсов.

Спецификация кабелей. Сечение, длина и тип изоляции проводника для каждого участка первичной цепи. Ёмкость оболочки составляет вторую половину резонансной цепи и не отражается в спецификации по табличке.

Вторичное демпфирование. Будет ли небольшая постоянная нагрузка или демпфирующий резистор оставаться подключённым ко вторичной обмотке во время коммутации и какому проценту номинальной мощности он соответствует.

Вопросы, которые задаёт производитель трансформаторов в бетонных основаниях перед приёмом заказа

 

На любом проекте с длинными основными кабельными линиями первым документом, который мы запрашиваем, не является график табличек. Это однолинейная схема с указанием длин кабелей и схемы коммутации, поскольку именно эти два параметра определяют, пренебрежим ли риск перенапряжения или он реален. производитель трансформаторов в герметичном корпусе тот, кто составляет коммерческое предложение исключительно на основе списка трансформаторов, предлагает единицу оборудования, а не решение.

Каждая единица проходит стандартную последовательность испытаний, при этом фиксируются потери холостого хода и ток намагничивания. Эти два значения являются входными данными, которые превращают вопрос о феррорезонансе из субъективного мнения в расчёт; по вашей просьбе мы передадим их вашему консультанту-инженеру до отгрузки.

Ryan Electric производит распределительные и силовые трансформаторы с 2007 года на производственной площадке площадью 120 000 м², оснащённой более чем 180 комплектами производственного и испытательного оборудования и имеющей 37 патентов. С 2023 года компания работает в качестве официального партнёра по совместному предприятию с Eaton, что является одной из причин, по которой мы рассматриваем координацию ограничителей перенапряжения и коммутационных устройств как часть области ответственности трансформатора, а не как чью-то иную проблему.

На проектах застройки жилых районов в Северной Америке мы неоднократно наблюдаем следующую ситуацию: небольшой трёхфазный трансформатор мощностью от 75 кВА до 500 кВА установлен в конце длинной подземной линии электропередачи и питается через однополюсные разъединители; он обслуживает нагрузку, которая ещё не будет существовать в течение года. Все условия из перечня присутствуют одновременно, а объект остаётся без нагрузки в течение месяцев. Когда проектировщик переходит к использованию группового коммутационного устройства и оставляет небольшую активную нагрузку на вторичной стороне в период ввода в эксплуатацию, отказы ограничителей перенапряжения прекращаются.

Если вы указываете блоки, устанавливаемые на основании, в кабельной системе, направьте нам однолинейную схему и расписание кабелей до размещения заказа. Мы проанализируем схему коммутации, технические требования к ограничителям перенапряжения и вторичное демпфирование применительно к вашей реальной цепи и сообщим вам, какое из четырёх условий имеет место — а также какое из них вы уже исключили при проектировании. Именно такой диалог производитель трансформаторов в герметичном корпусе должен происходить между вами и нами до размещения заказа, а не после того, как первый ограничитель перенапряжения выйдет из строя.

О авторе

Эту статью подготовила инженерная группа по трансформаторам компании Ryan Electric. Компания Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) проектирует и производит трансформаторы сухого типа с литой изоляцией и с пропиткой под вакуумом (VPI), масляные трансформаторы и блоки, устанавливаемые на основании, на своей производственной базе площадью 120 000 м², обслуживая проекты дата-центров, промышленных предприятий, энергосистем и инфраструктурные проекты в Северной Америке, Юго-Восточной Азии, на Ближнем Востоке и в Африке.