Трансформатор для электрификации тепловых насосов: подбор мощности для коммерческих модернизаций с учётом пусковых токов и зимних пиковых нагрузок

Кампус школы в южной части Онтарио заменил газовые котлы на 420 кВт воздушных тепловых насосов летом 2026 года. Механический инженер правильно рассчитал компрессоры. Однако электрическая система всё равно вышла из строя в первую холодную утреннюю пору: пуск ведущего компрессора снизил напряжение на главной линии номиналом 1200 А до 398 В, и два частотных преобразователя на крыше отключились из-за пониженного напряжения ещё до включения второй ступени. трансформатор для электрификации тепловых насосов редко становится пунктом спора на чертежах модернизации, и именно поэтому его часто недооценивают при расчёте.

 

Модернизация с переходом на электричество нарушает принятые допущения при проектировании трансформаторов

Газовый котёл и тепловой насос обеспечивают одинаковое количество тепла. На электрической схеме у них нет ничего общего. Котёл потребляет несколько сотен ватт на циркуляционный насос и управление горелкой. Тепловой насос потребляет сотни киловатт через герметичные мотор-компрессоры, причём потребление происходит блоками: пуск, повышение мощности, оттаивание, снижение мощности.

Существующие электросети были рассчитаны исходя из летнего пикового потребления на охлаждение и диверсифицированной нагрузки освещения. Модернизация системы отопления смещает пиковую нагрузку на зимнее утро, когда нагрузка на освещение и розеточные устройства также близка к максимуму, а тепловая нагрузка преобразуется в нагрузку электродвигателей. Именно здесь трансформатор для электрификации тепловых насосов фактически начинается принятие решения — не в таблице выбора компрессора.

Существует третья поправка, которую обычно упускают при расчётах нагрузки. Первоначальный расчёт электроснабжения использовал коэффициенты спроса, утверждённые энергоснабжающей организацией для здания с газовым отоплением — с кратковременным зимним пиком и низким содержанием двигателей. Повторное применение тех же допущений о разновременности нагрузок к системе тепловых насосов приводит к занижению расчётной нагрузки, поскольку ступенчатые компрессоры не обладают тем же эффектом разновременности, что розеточные и осветительные нагрузки.

 

Расчёт нагрузки: какую реальную нагрузку создают тепловые насосы на систему электроснабжения

Исходите из расчётной мощности в день проектируемого режима, а не из номинальной мощности на табличке. Номинальная мощность воздушного теплового насоса 420 кВт в южной Онтарио может составлять 420 кВт при температуре +8,3 °C, но лишь около 68 % от этого значения при расчётной температуре −15 °C. В опубликованных таблицах мощности указано это снижение; менее очевидно, что одновременно потребляемая электрическая мощность возрастает, поскольку КПД падает примерно с 3,4 до 1,8.

Ниже приведены расчёты для вышеупомянутого кампуса — типичный пример модернизации среднего по размеру коммерческого объекта при напряжении 480 В:

• Тепловые насосы, 2 модуля по 210 кВт: 233 кВт электрической мощности при −15 °C, КПД 1,8
• Циркуляционные насосы, 4 шт. с постоянной скоростью: 22 кВт, непрерывный режим
• Системы управления и BMS: 4 кВт, непрерывный режим
• Резистивный резервный нагрев, 4 ступени: 120 кВт, только при температуре ниже проектной
• Проектная суммарная электрическая мощность: 379 кВт, примерно 407 кВА при коэффициенте мощности 0,93

 

 

Эти 407 кВА — это нагрузка. Это не размер трансформатора. Разница между этими двумя значениями — причина ошибок в бюджете модернизации как в сторону завышения, так и в сторону занижения; следующий раздел посвящён устранению этого расхождения без закупки на 40 % больше меди, чем когда-либо потребуется зданию.

 

Выбор трансформатора для электрификации тепловых насосов

Статья 440 Национального электротехнического кодекса (NEC) регулирует цепи двигателей-компрессоров и требует использования тока при номинальной нагрузке вместо тока на табличке для герметичных холодильных компрессоров. Итоговые значения для фидеров и вводов по-прежнему рассчитываются согласно Статье 220, и NFPA 70 именно этот текст инспектор действительно прочитает. На практике: размер трансформатора определяется расчётной нагрузкой, включающей токи при номинальной нагрузке компрессоров, ступенчатый резервный нагрев, входящий ток создаваемая при запуске этих компрессоров и остающаяся подключённой нагрузка здания.

В онтарийском случае оставшаяся после демонтажа котлов нагрузка здания составила 520 кВА. Общая нагрузка достигла 927 кВА. Существующий маслонаполненный трансформатор на 750 кВА, установленный на площадке, уже работал на пиковых летних днях с загрузкой около 98 %, поэтому его повторное использование не рассматривалось. Мы указали трансформатор мощностью 1500 кВА, напряжением 13,8 кВ (треугольник) / 480Y/277 В, с импедансом 5,75 % — это следующий стандартный номинал, обеспечивающий примерно 35 % резерва мощности для второго этапа реализации той же программы.

Следующие три значения напрямую определяют выбор последующего оборудования. Первичный ток — 62,8 А. Вторичный ток при полной нагрузке — 1804 А. Доступный вторичный ток короткого замыкания на выводах составляет около 31 кА; именно это значение определяет, будет ли распределительное устройство заказано с номинальным током отключения 42 кА или 65 кА. Именно этот параметр подрядчики чаще всего забывают запросить.

Одно предупреждение относительно нагрузки. трансформатор сухого типа не способен длительно выдерживать перегрузку так же, как маслонаполненный трансформатор. IEEE C57.12.01 сухие трансформаторы рассчитываются на среднюю температуру окружающей среды 30 °C и максимальную — 40 °C; при этом температура в крышном корпусе в июле значительно превышает эти значения. Эксплуатация сухого трансформатора на 100 % номинальной мощности внутри корпуса с температурой 50 °C — это решение, влияющее на срок службы, замаскированное под консервативный подход.

 

Бросок тока и просадка напряжения: именно здесь модернизации обычно терпят неудачу

Просадка напряжения при пуске двигателя через трансформатор приблизительно равна отношению кВА пусковой мощности к кВА трансформатора, умноженному на процентное значение его внутреннего сопротивления. Компрессор мощностью 90 кВт с номинальным током нагрузки 140 А и пусковым током в 6 раз выше номинального потребляет при пуске около 840 А при напряжении 480 В, что соответствует пусковой мощности примерно 698 кВА. При использовании трансформатора мощностью 1500 кВА с внутренним сопротивлением 5,75 % просадка составит приблизительно 2,7 % — значение, вполне укладывающееся в допустимый предел большинства энергоснабжающих организаций (10 %) в точке подключения.

Уменьшите мощность трансформатора до 1000 кВА, и при этом тот же компрессор вызовет провал напряжения на 4,0 %. Теперь подключите два компрессора к одной и той же ступенчатой команде — провал удвоится на долю секунды, что приведёт к отключению частотных преобразователей (VFD) и сбросу управляющих систем. Недорогие модернизированные последовательности управления как раз так и поступают, поскольку логика ступенчатого включения разрабатывается подрядчиком по механическим системам и никем со стороны электриков не проверяется.

Входящий ток пиковый ток при вводе в эксплуатацию — это отдельное и более масштабное явление. Холодный трансформатор мощностью 1500 кВА может потреблять в первые 0,1 с ток, в 8–12 раз превышающий номинальный; при напряжении 480 В это соответствует 14 000–21 000 А. Если оставить мгновенную уставку главного автоматического выключателя на заводе-изготовителе, то в день ввода в эксплуатацию произойдёт ложное отключение, за которым последует спор о том, не является ли трансформатор дефектным.

Это часть комплекта, которую покупатели редко видят в коммерческом предложении. Каждая единица, отправляемая нами на модернизацию, сопровождается рассчитанным графиком пускового тока, прикреплённым к отчёту о стандартных испытаниях, чтобы подрядчик мог установить задержку срабатывания защиты от короткого замыкания или указать момент включения по фазе до прибытия грузовика на объект. В проекте школы штата Вермонт в технической спецификации указаны значения тока при заблокированном роторе для компрессоров, однако представленные технические листы содержали лишь значения тока при номинальной нагрузке. Проверка представленных материалов выявила несоответствие за три недели до поставки, а не в 6 утра в январе — во время пусконаладочных работ.

 

Высшие гармоники от инверторных компрессоров и их влияние на обмотку

Инверторные спиральные и винтовые компрессоры ведут себя иначе, чем двигатели прямого подключения к сети. Их входные цепи потребляют несинусоидальный ток: коэффициент полного гармонического искажения тока обычно составляет от 25 % до 40 % при частичной нагрузке; этот спектр гармоник вызывает дополнительные потери на вихревые токи и локальный нагрев в обмотке. A трансформатор сухого типа выбранный исключительно по кВА будет работать при более высокой температуре, чем указано на его табличке, именно в те часы, когда мощность завода составляет 30 %.

Существует два рабочих решения: указать устройство с коэффициентом K (K-4 — при наличии небольшого количества преобразователей частоты и K-13 — при преобладании наружных блоков VRF или крупных комплектов ЧПУ), либо понизить номинальную мощность обычного устройства с использованием метода коэффициента потерь на гармоники. Оба подхода корректны; игнорировать данный вопрос недопустимо, особенно в системах VRF, где двадцать небольших инверторных устройств одновременно вносят искажения в одну и ту же распределительную точку.

Вторичный эффект — опережающий коэффициент мощности при малой нагрузке. Конденсаторы цепи постоянного тока подают ток раньше напряжения, когда завод работает на холостом ходу при 20 % мощности в умеренный день, поэтому трансформатор для электрификации тепловых насосов устройство, указанное при cos φ = 0,93 (отстающий), теперь работает при cos φ = 0,85 (опережающий). Немедленного отказа не происходит, однако учёт электроэнергии со стороны энергоснабжающей организации, конденсаторные батареи и системы управления параллельной работой генераторов начинают функционировать нестабильно. Сообщите об этом инженеру энергоснабжающей организации до того, как он обнаружит проблему при снятии показаний счётчика.

 

Холодный климат, резервное отопление и проблема ступенчатого включения

При температуре ниже −12 °C стандартные агрегаты с воздушным источником тепла обеспечивают 55–65 % номинальной мощности. Агрегаты для холодного климата сохраняют 70–80 % мощности и поддерживают КПД около 1,8. Каким бы ни был разрыв, его компенсирует резистивный нагрев, который включается ступенчато по мере роста нагрузки. Резервный блок мощностью 120 кВт, разделённый на четыре ступени по 30 кВт каждая, добавляет по 36 А на ступень при напряжении 480 В. По отдельности это ничтожно. Однако одновременное включение всех четырёх ступеней за один запрос приводит к скачку нагрузки на 120 кВт менее чем за одну секунду — и трансформатор, рассчитанный строго по расчётной нагрузке, не способен справиться с этим.

Размораживание — скрытый пик нагрузки. При размораживании по обратному циклу тепло извлекается из контура здания, в то время как компрессоры продолжают работать; на влажном утре с температурой +2 °C установка из восьми модулей может размораживаться последовательно. Проектируйте систему исходя из совпадающего случая размораживания, а не из таблицы стационарных значений мощности, и включите пусковые токи повторного запуска в тот же расчёт.

Корпус и окружающая среда заслуживают большего внимания, чем обычно уделяется им в спецификациях для холодного климата. Конденсация на обесточенной сухой обмотке при −25 °C, за которой следует быстрый утренний рост нагрузки, представляет собой реальный путь отказа; нагревательные элементы и термостат, действительно функционирующий, не являются дополнительными опциями. Для маслонаполненных наземных трансформаторов в тех же климатических условиях температура застывания масла и вязкость при холодном пуске должны быть указаны в основной спецификации, а не в сноске.

 

От спецификации до отгрузки: что мы производим и что тестируем

Ryan Electric — это UL listed transformer supplier производитель трансформаторов класса 1500 кВА, подобных этому, на заводе площадью 120 000 м² в Цзянсу, оснащённом более чем 180 комплектами производственного и испытательного оборудования и имеющем 37 патентов. Будучи партнёром Eaton по совместному предприятию с 2023 года, мы соблюдаем те же требования к потерям и импедансу, что и крупные североамериканские производители оригинального оборудования, и публикуем полные данные рутинных испытаний вместо их краткого резюме.

Каждый агрегат проходит стандартную последовательность испытаний по стандарту IEEE C57.12.90: измерение сопротивления обмоток, коэффициента трансформации, полярности, потерь холостого хода, потерь короткого замыкания, импеданса, испытание при приложении напряжения и испытание при индуцированном напряжении, а также типовое испытание на нагрев для данной конструкции. Допуск на импеданс составляет ±7,5 % от указанного значения — это критически важно при расчётах аварийного тока, проводимых энергоснабжающей организацией перед одобрением модернизации сети. Именно этот расчёт также обуславливает необходимость явно указывать значение импеданса в коммерческом предложении, а не полагаться на заводское значение по умолчанию. трансформатор сухого типа коммерческое предложение должно чётко указывать значение импеданса, а не оставлять его на усмотрение завода.

Сертификация — это вопрос наличия или отсутствия соответствующих документов. Для сухих трансформаторов общего назначения применяется стандарт UL 1561, для Канады — CSA C22.2 No. 66, а при совместном применении в обеих странах — маркировка cULus. UL listed transformer supplier на кампусе в Онтарио энергоснабжающая организация потребовала, чтобы знак CSA был чётко виден на табличке с техническими данными, а отчёт об испытаниях содержал прямую привязку к серийному номеру. Оба документа были вложены в конверт с грузом, и проверка прошла успешно при первом визите.

 

 

Поставка заняла 16 недель с момента утверждения чертежей; представитель независимой инспекционной организации заказчика присутствовал при проведении регулярных испытаний. После нашей записки по вводу в эксплуатацию ступенчатый резистивный нагрев был переделан на двухступенчатое управление, и измеренное падение напряжения в сети при подключении резервного источника снизилось с 3,9 % до 1,8 %. Эта модификация потребовала одного контактора и двух часов работы электрика.

 

Следующий шаг

Если вы переводите здание с газовым отоплением, направьте четыре документа: расчётную тепловую нагрузку для расчётного дня с прилагаемой таблицей мощности, номинальный ток компрессора и ток блокировки ротора, оставшуюся тепловую нагрузку здания и температуру окружающей среды в оболочке здания. Мы направляем вам лист расчёта мощности с указанием расчётной мощности в кВА, прогнозируемого падения напряжения, доступного тока короткого замыкания и рекомендации по коэффициенту K — обычно в течение двух рабочих дней.

Запросить UL listed transformer supplier комплект документов предоставляется одновременно: отчёт о регулярных испытаниях, ссылка на сертификат соответствия UL или CSA и заявление о допустимом отклонении импеданса. Энергоснабжающие организации запрашивают именно эти три документа, и их готовность сокращает сроки согласования модернизации электроснабжения значительно сильнее, чем любые переговоры по цене.

О авторе — Эта статья написана группой инженеров-трансформаторщиков компании Ryan Electric, производителя, сертифицированного по стандартам UL/CSA, и партнёра Eaton по совместному предприятию, базирующегося в Цзянсу, Китай; компания поставляет сухие трансформаторы, масляные трансформаторы и трансформаторы в блок-модулях для проектов в сфере центров обработки данных, накопителей энергии, возобновляемых источников энергии, здравоохранения и коммунальных услуг в Северной Америке, на Ближнем Востоке, в Юго-Восточной Азии и Африке.