Трансформатор для вентиляции тоннелей: технические требования к агрегатам для автомобильных тоннелей и подземных систем общественного транспорта

Отказ оборудования в автомобильном тоннеле почти никогда не начинается с цепи освещения. Он начинается с вентиляторов. Инженер по вводу в эксплуатацию описал нам эту последовательность простыми словами: первая группа струйных вентиляторов запускается без проблем, вторая группа тоже работает нормально, при включении третьей группы напряжение на шине 480 В проседает, преобразователь отключается из-за пониженного напряжения, и система вентиляции переходит в аварийный режим ещё до начала испытаний с дымом. трансформатор для вентиляции тоннелей был подобран по списку нагрузок. Никто не моделировал процесс пуска.

Вот в чём заключается сложность электропитания тоннелей. В большинстве случаев нагрузка умеренная — несколько сотен киловатт на освещение, несколько вентиляторов, несколько насосов. В течение нескольких секунд несколько раз в день она вовсе не является умеренной. И то же самое устройство, которое выдерживает пуск двигателя, должно также функционировать при Гармоники от ПЧ нагрузке на приводы вентиляции и продолжать работать, пока пожар горит в нескольких метрах от него.

 

Какие нагрузки фактически действуют на трансформаторную подстанцию тоннеля

Тоннель — это небольшой промышленный объект, протяжённый на километр бетона. Электрическая нагрузка определяется вентиляцией, однако она не единственная, и поведение различных нагрузок совершенно различно. Утверждение единого значения в кВА без разделения этих нагрузок — вот где возникает большинство ошибок при техническом задании.

Нагрузка	Типичный диапазон	Обязанность	Как это влияет на выбор мощности
Струйный вентилятор (осевой, с питанием привода)	22–250 кВт	Поэтапный пуск/останов, сотни циклов в год	Ток при заблокированном роторе и просадка напряжения на низковольтной шине
Вентилятор вентиляции тоннеля	200–1000 кВт	Постоянная, реверсивная для удаления дыма	Самый мощный отдельный двигатель; обычно определяет минимальный размер
Приводы и системы управления противодымными клапанами	менее 10 кВт	Только в аварийном режиме, должна удерживать положение	Небольшая нагрузка, но использует ту же распределительную панель и цепь ИБП
Светодиодное освещение тоннелей и аварийное освещение	30–350 кВт	Постоянная работа, 100%-ная продолжительность включения	Богатый гармониками; повышает ток нейтрали
Дренажные насосы для приямков	15–110 кВт	Периодический режим, влажная среда	Пуск против водяного столба; риск проникновения влаги
Вентиляция и осушители подстанций	10–60 кВт	Непрерывный	Повышает температуру окружающей среды, в которой находится сам трансформатор
Системы диспетчерского управления (SCADA), системы видеонаблюдения (CCTV), информационные таблички	менее 20 кВт	Непрерывный	Требование к проезду через тоннель во время пожара

Руководящие указания по проектированию уже рассматривают эти аспекты как отдельные дисциплины. Руководящие указания FHWA по проектированию дорожных тоннелей (https://www.fhwa.dot.gov/publications/focus/05nov/03.cfm) посвящают отдельные разделы вентиляции, освещению, противопожарным мерам и сейсмостойкому проектированию — однако все они сводятся к одному графику нагрузок, и один трансформатор обычно должен выдерживать суммарную нагрузку.

 

Пусковая нагрузка определяет минимальный размер оборудования, а не рабочая нагрузка

Рабочая нагрузка — это простое значение. Сложите мощность вентиляторов, освещения и насосов, примените коэффициент спроса, и блок мощностью 1500 кВА покажется избыточным по сравнению с тоннелем, требующим 900 кВА. Затем рассмотрите пусковые токи.

Стандартный асинхронный двигатель конструкции NEMA B потребляет при прямом пуске примерно в шесть раз больший ток, чем ток при номинальной нагрузке. Возьмём, к примеру, двигатель струйного вентилятора мощностью 250 кВт и напряжением 480 В: ток при номинальной нагрузке составляет около 300 А, следовательно, пусковой ток (ток при неподвижном роторе) достигает примерно 1800 А и сохраняется на этом уровне в течение двух–четырёх секунд — времени, необходимого для выхода вентилятора на рабочие обороты. Если запустить вторую группу двигателей спустя полсекунды, трансформатор окажется нагруженным так, как никогда не бывает в нормальном режиме эксплуатации. Именно это значение определяет номинальные параметры на табличке.

Два параметра определяют допустимость пуска: процентное значение внутреннего сопротивления трансформатора и сопротивление питающего кабеля. Устройство с внутренним сопротивлением 5,75 % надёжно ограничивает ток короткого замыкания, однако вызывает более глубокое падение напряжения на зажимах двигателя. Устройство с сопротивлением 4 % снижает глубину падения напряжения, но повышает расчётный ток короткого замыкания, который должны выдерживать автоматический выключатель низкого напряжения и шинная система. На питающем кабеле длиной 700 м, идущем к вентиляционному помещению в средней части тоннеля, падение напряжения из-за сопротивления кабеля может оказаться больше, чем от самого трансформатора.

Практический опыт: мы выполняем расчёт пусковых токов до того, как котировка на туннельный проект покидает завод; если заказчик направляет нам только перечень нагрузок, мы задаём один вопрос: каков наибольший двигатель, как он запускается и какой длины кабель подключён к нему? Единственный ответ на этот вопрос изменил номинальные параметры трансформаторов в большем числе туннельных проектов, чем любая другая строка в графике работ.

 

Гармоники от частотных преобразователей изменяют режим работы трансформатора для вентиляции туннелей

Почти каждый новый струйный вентилятор приводится в действие частотным преобразователем, поскольку вентилятор, работающий на 30 % номинальной скорости в часы минимальной нагрузки, окупает стоимость своего преобразователя исключительно за счёт экономии энергии. При этом преобразователь также изменяет характер нагрузки, воспринимаемой трансформатором на его вторичных выводах.

Шестипульсный привод потребляет несинусоидальный ток с общим коэффициентом гармонических искажений, который обычно находится в диапазоне от 25 % до 45 % на входе. Стандарт IEEE 519 ограничивает искажение напряжения на шине ниже 69 кВ значением 5 % и ужесточает пределы искажения тока по мере снижения доступного тока короткого замыкания. Тоннели находятся в неблагоприятной части этой кривой: длинные фидеры, относительно сл слабые источники питания и несколько приводов, питающихся от одной вторичной шины.

Следствием этого является то, что трансформатор, питающий приводы вентиляции тоннелей, нельзя выбирать только по номинальной мощности в кВА. Гармонические токи вызывают добавочные потери от вихревых токов и рассеяния, из-за чего температура «горячих точек» обмоток превышает ту, которая возникла бы при синусоидальной нагрузке той же полной мощности. Именно поэтому трансформатор на основе отливки смолой трансформатор для проекта тоннеля часто заказывают с рейтингом K-фактора, увеличенным нейтральным проводом или дельта-обмоткой, задерживающей тройные гармоники, а также с классом температурной стойкости обмоток, обеспечивающим запас по температуре сверх расчётной нагрузки.

Наше эмпирическое правило для распределительных щитов тоннелей с питанием от приводов, где Гармоники от ПЧ доминирующий подход: учитывайте мощность подключённого привода, добавьте запас на гармонические потери и укажите класс повышения температуры обмоток на одну ступень выше минимально требуемого. Дополнительные затраты отражены в коммерческом предложении. Стоимость ошибки проявится только на седьмом году эксплуатации.

 

 

Пожарная безопасность определяет технологию, а не цену

Спросите, почему почти каждая подстанция внутри туннеля использует сухие трансформаторы — ответ не в эффективности. Ответ — в пожарной безопасности. NFPA 502 (https://www.nfpa.org/codes-and-standards/nfpa-502-standard-development/502устанавливает требования к противопожарной защите и обеспечению пожарной безопасности жизни людей в автомобильных туннелях, мостах и других дорогах с ограниченным доступом; при этом вентиляция рассматривается как критически важная функция обеспечения безопасности жизни, которая должна оставаться работоспособной даже во время пожара.

Это требование напрямую распространяется и на трансформатор. Маслонаполненный трансформатор, размещённый внутри контура туннеля, влечёт за собой необходимость использования горючей жидкости, маслоприёмника, специального помещения и дополнительной противопожарной изоляции, поэтому большинство проектировщиков избегают этой сложности и указывают сухой трансформатор. трансформатор на основе отливки смолой внутри прохода или в смежном помещении. Стандарты на продукцию однозначно определяют требования, которым такое устройство должно соответствовать: IEEE C57.12.01 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.01/6775/) охватывает общие требования к маслонаполненным распределительным и силовым трансформаторам, а МЭК 60076-11 — к сухим силовым трансформаторам напряжением до 36 кВ.

Один нюанс упускают чаще всего: качество трансформатора определяется качеством питающего кабеля. Там, где аварийная вентиляционная цепь должна сохранять целостность во время пожара, кабель и соединения также должны выдерживать те же условия. Самозатухающий трансформатор с литой изоляцией, подключённый стандартным кабелем, — типичная и дорогостоящая несогласованность.

 

Туннельная среда оказывает скрытое воздействие на оборудование

Воздух в туннеле влажный, пыльный и слабо агрессивный. Относительная влажность выше 85 % в вентиляционном стволе — обычное явление; пыль от тормозов и шин оседает на всех горизонтальных поверхностях, а прибрежный туннель добавляет в смесь хлориды. Температура окружающей среды в стволе летом может достигать 40–45 °C — измеряется она непосредственно в месте установки трансформатора, а не у входа в туннель.

Заливной обмотке с эпоксидной смолой это удается лучше, чем у сухой обмотки с обмоткой из изоляционной ленты, поскольку трансформатор на основе отливки смолой литой корпус герметизирует обмотку, предотвращая проникновение влаги. При этом технические требования всё равно должны соответствовать условиям эксплуатации: подогреватели для предотвращения конденсации, клеммная коробка со степенью защиты IP и расчётная температура окружающей среды, определённая по данным ствола, а не по средним региональным метеоданным.

Имеет значение также и высота над уровнем моря. На высоте 1500 м плотность воздуха, доступного для конвективного охлаждения трансформатора, снижается почти на 9 %; поэтому устройство, прошедшее испытание на нагрев на уровне моря, автоматически не считается пригодным для эксплуатации на горных участках. Попросите поставщика указать коэффициент снижения номинальных параметров, применимый для условий окружающей среды и высоты вашего объекта, а также привести расчёт — а не общую типовую кривую. Именно такую проверку мы проводим для каждого трансформатор для вентиляции тоннелей мы выставляем цену.

 

Что мы запрашиваем до подготовки коммерческого предложения

Пять пунктов определяют номинальные параметры, цену и срок поставки при заказе трансформатора для тоннеля. Если они чётко указаны в запросе, коммерческое предложение, как правило, поступает с первого раза без необходимости уточнений:

• График нагрузки с выделением самого мощного электродвигателя. Укажите способ его пуска и длину кабеля от подстанции. Всё остальное следует из этого единственного параметра.
• Тип привода и их количество. Шестипульсный, двенадцатипульсный или активный входной каскад, а также доступный ток короткого замыкания на низковольтной шине — это определяет запас по гармоникам.
• Спроектировано с учетом строгих международных нормативных требований; данная промышленная система использует полностью сертифицированные клеммные колодки и высококачественные внутренние компоненты защиты питания для обеспечения полной безопасности оборудования. Проектирование окружающей среды, высоты над уровнем моря, влажности и сейсмической категории, применимой к трассе.
• Стратегия противопожарной защиты. Расположение оборудования — внутри тоннельного контура, в специализированной подстанции или удалённо; ответ определяет выбор между сухими и маслонаполненными трансформаторами.
• Сертификация и целевой показатель КПД. Испытательные отчёты по стандартам UL, CSA или IEC, а также требуемый уровень КПД в стране назначения.

Ryan Electric производит сухие и масляные трансформаторы для инфраструктурных и промышленных проектов в Северной Америке, на Ближнем Востоке и в Юго-Восточной Азии. Наш завод в Цзянсу занимает площадь 120 000 м² и оснащён более чем 180 комплектами производственного и испытательного оборудования; сертификаты включают UL, CSA, IEEE, DEKRA и CNAS. С 2023 года мы действуем как партнёр Eaton по совместному предприятию, что означает, что наши испытания и документация по качеству проходят внешний аудит вместо самодекларации. Заказ на трансформаторы для тоннеля обрабатывается так же, как заказ для центра обработки данных: данные рутинных испытаний, протоколы повышения температуры и сертификационные файлы поставляются вместе с оборудованием.

 

Направьте график нагрузки, а не только значение кВА

Число, которое определяет трансформатор для вентиляции тоннелей редко является первым числом в списке нагрузок. Отправьте нашим инженерам график нагрузок, самый мощный двигатель, тип привода и условия эксплуатации на объекте, и вы получите рейтинг, запас по гармоникам и расчёт понижающего коэффициента, который можно будет обосновать на этапе технического аудита проекта, а не просто табличку, выбранную на основе приближённых оценок.

Об авторе: Эту статью подготовила инженерная команда компании Ryan Electric — производителя трансформаторов из Цзянсу (Китай) и партнёра Eaton по совместному предприятию с 2023 года; компания поставляет сухие и масляные трансформаторы, сертифицированные по стандартам UL, CSA и IEC, для проектов в сфере строительства тоннелей, метрополитенов, центров обработки данных и энергетических систем в Северной Америке, на Ближнем Востоке и в Юго-Восточной Азии.