EN
Подрядчик из Техаса позвонил нам во вторник утром в прошлом году с проблемой, которая уже обошлась ему в два выезда на объект. Каждый раз, когда его бригада подавала напряжение на новый трансформатор мощностью 1000 кВ·А в наземном исполнении, срабатывал автоматический выключатель фидера на стороне высокого напряжения (12,47 кВ). Сам трансформатор прошёл испытания без замечаний. Кабель также прошёл испытания. Сам выключатель был новым. Подрядчик уже собирался отправить трансформатор нам обратно как неисправный.
Мы задали ему один вопрос: каково значение мгновенной уставки этого фидерного выключателя?
Он проверил файл настроек реле. Ответ объяснил всё — и это история, которую мы неоднократно рассказываем покупателям, поскольку почти никогда виноват не трансформатор.
Что такое пусковой ток трансформатора
Когда вы замыкаете выключатель на ненагруженный трансформатор, магнитопровод не сразу переходит в установившийся режим магнитного потока. Напряжение подаётся в тот момент, когда синусоида находится в произвольной точке, а магнитопровод начинает работу с того остаточного магнитного потока, который остался в нём после последнего отключения трансформатора. Если угол включения и остаточный поток совпадают неблагоприятным образом, магнитопровод насыщается уже в течение первого полупериода.
Насыщенный магнитопровод перестаёт вести себя как индуктивность и начинает вести себя как катушка без сердечника. Ток намагничивания, составлявший несколько процентов от номинального тока, может возрасти до в 8–12 раз ток полной нагрузки трансформатора в первом пике. Ток спадает в течение следующих десятков циклов по мере затухания постоянной составляющей и переходного процесса магнитного потока, однако первый полупериод представляет собой реальную механическую и электрическую нагрузку для всего оборудования, расположенного выше по схеме.
Для блока мощностью 1000 кВА в Техасе ток полной нагрузки на стороне высокого напряжения составляет примерно 46 А при напряжении 12,47 кВ. Пиковый ток включения, зафиксированный позже с помощью портативного регистратора, превысил 400 А — примерно в 9 раз больше номинального значения. Это не аварийный режим. Такое поведение является нормальным при намагничивании. Однако реле, настроенное на отключение при любом токе, превышающем умеренный множитель тока полной нагрузки, без дополнительной помощи не способно различить эти два случая.
Воздействие тока включения на выключатели, предохранители и реле
Ущерб от ток включения трансформатора редко имеет тепловую природу. Почти всегда это проблема согласования защит. Ниже описано, что происходит на каждом уровне защиты:
- Предохранители. Предохранитель распределительной сети должен выдерживать бросок тока при включении. При координации номиналы предохранителей первичной обмотки трансформатора подбирают так, чтобы они могли выдерживать примерно в 12 раз больший ток по сравнению с номинальным в течение 0,1 секунды — это классическое эмпирическое правило «12x / 0,1 с», применяемое при включении трансформаторов. Если предохранитель выбран с недостаточным номиналом, он перегорает при первом включении, и кто-то должен подняться на опору для его замены.
- Реле перегрузки по току. Реле перегрузки по току линии электропередачи с мгновенным элементом, уставкой которого задано значение, слишком близкое к току полной нагрузки, воспринимает бросок тока при включении как аварийный режим. Классическое решение — установить уставку мгновенного элемента выше максимального возможного броска тока или добавить небольшую выдержку времени, чтобы бросок успел затухнуть до срабатывания элемента.
- Дифференциальные реле. На более крупных устройствах с дифференциальной защитой реле сталкивается с более сложной задачей: ток броска при включении протекает только со стороны включения, поэтому при простом дифференциальном сравнении он выглядит точно так же, как внутреннее повреждение. Современные реле решают эту проблему с помощью ограничения по второй гармонике — бросок тока при включении содержит значительную долю второй гармоники, и если эта составляющая превышает примерно 15–20 % основной частоты, реле блокирует срабатывание и интерпретирует событие как включение, а не как аварию.
Реальная проблема заключается в том, что ни один из этих параметров не указан на табличке трансформатора. Инженеру по защите необходимо заранее знать характеристики броска тока при включении конкретного устройства для правильной настройки реле. Именно на этом этапе процесс технического задания обычно нарушается: покупатель заказывает трансформатор, подрядчик — выключатель, и никто не сверяет эти два документа до самого дня ввода в эксплуатацию.
Параметры, которые необходимо учитывать при разработке технического задания
Несколько параметров определяют интенсивность события включения. Их понимание позволяет составить техническое задание вместо того, чтобы полагаться на удачу:
| Параметр | Что это значит | Ожидаемый типовой диапазон |
|---|---|---|
| Множитель пикового броска тока | Пик первого полупериода относительно тока номинальной нагрузки | 8–12× для распределительных трансформаторов; зависит от марки стали сердечника, угла включения и импеданса системы |
| Содержание второй гармоники | % основной составляющей, используемой реле-ограничителем | Обычно превышает 15 % при включениях; близко к нулю при внутренних повреждениях |
| Время затухания | Продолжительность переходного процесса | От нескольких периодов у небольших сухих трансформаторов до примерно одной секунды у крупных маслонаполненных устройств |
| Остаточный магнитный поток | Магнитный поток, остающийся в сердечнике после последнего отключения | Может достигать значительной доли номинального потока; наихудший случай — когда выключатель замыкается при нулевом напряжении и остаточный поток направлен в ту же сторону |
Наихудшее включение происходит при пересечении напряжения нуля с остаточным потоком, ориентированным противоположно входящему потоку. В этом случае сердечник испытывает потребность в потоке, приближающемся к удвоенному номинальному значению, что приводит его в глубокое насыщение. Именно поэтому один и тот же трансформатор может включаться без срабатывания сто раз подряд, а на сто первый раз вызвать срабатывание выключателя — просто угол включения оказался неудачным.
Ток включения трансформатора имеет большее значение в 2026 году, чем пять лет назад. Электросетевые компании США потратили примерно 7,5 млрд долларов США на трансформаторы распределительных линий в 2023 году, что на 23 % больше по сравнению с предыдущим годом , поскольку устаревшие парки заменялись, а новые мощности возобновляемой энергетики подключались к сети — эту тенденцию можно проследить в Анализе инвестиций в электросети EIA . Увеличение числа новых трансформаторов, вводимых в эксплуатацию, означает рост числа событий включения на фидерах, для которых ранее не проводилась координация. В то же время такие программы, как работа Министерства энергетики США совместно с Национальной лабораторией Ок-Ридж по разработке высокоэффективной стали для магнитопроводов, способствуют внедрению в практику новых высокоэффективных конструкций трансформаторов — улучшенные магнитопроводы слегка изменяют картину пусковых токов, что ещё раз подчёркивает необходимость опираться на реальные данные, а не полагаться на старые правила.
Как учесть пусковые токи при следующем заказе
Вот часть, которую чаще всего упускают покупатели: параметры контроля пусковых токов можно включить непосредственно в заказ. Не обязательно выявлять их уже на объекте. Когда наши инженеры работают с заказчиком над включением трансформатора , мы просим их включить в запрос коммерческого предложения пять пунктов:
- Запросите данные о броске тока. Запросите рассчитанную кривую броска тока или кратность пикового значения для точных значений мощности в кВА и номинального напряжения — не общую информацию со страницы каталога. Если устройство уже изготовлено, запросите измеренные включением трансформатора данные с испытательного стенда завода. Серьёзный завод предоставит эти данные без возражений.
- Укажите интерфейс защиты. Сообщите заводу тип вышестоящей защиты — предохранитель, автоматический выключатель-реклоузер или реле — и доступный ток короткого замыкания в точке подключения. Завод, знающий класс предохранителя, может подтвердить, что устройство выдержит его срабатывание.
- Укажите процедуру контролируемого включения. Для устройств мощностью свыше нескольких МВА или при подключении к слабым системам попросите поставщика задокументировать рекомендуемую последовательность включения: сначала включить без нагрузки, затем подтвердить событие броска тока на фидере и только после этого подключить нагрузку. Это единственное действие предотвращает большинство обращений с формулировкой «трансформатор неисправен».
- Рассмотрите возможность применения управления углом включения на критически важных объектах. Выключатели, синхронизированные по фазе напряжения и замыкающиеся в момент достижения пикового значения напряжения, способны значительно снизить пиковое значение бросков тока. В системах электроснабжения центров обработки данных и больниц, где недопустимы ложные отключения, такое решение зачастую оправдывает свою стоимость.
- Документация по согласованию уставок реле защиты. Если вы приобретаете крупногабаритный трансформатор со встроенной защитой, философия выбора уставок — включая порог вторичной гармоники для блокировки и запас мгновенного элемента относительно бросков тока намагничивания — должна быть включена в заводскую документацию, одобряемую вами до отгрузки.
Когда мы отгружаем трансформатор с установкой на постамент на проект в Северной Америке, в комплект документов FAT входят данные по потерям холостого хода и возбуждения, необходимые инженеру по релейной защите для выполнения этих расчётов. Это требует от нас одного часа работы в испытательном зале, но позволяет заказчику избежать недельного перерыва в эксплуатации в дальнейшем.
Что мы делаем в компании Ryan Electric
Мы производим маслонаполненные и сухие трансформаторы с 2007 года на заводе площадью 120 000 м², а с 2023 года работаем в качестве партнёра по совместному предприятию с Eaton. партнёром по совместному предприятию с Eaton , что означает, что наши испытательные процедуры проверяются на соответствие ожиданиям одного из крупнейших мировых производителей электротехнического оборудования. Когда заказчик задаёт вопрос об импульсном токе включения, мы не отправляем ему теоретическую справку. В наших заводских протоколах испытаний указаны измеренные значения потерь холостого хода, тока намагничивания и поведения магнитопровода конкретного изделия, которое отправляется в контейнер.
История техасского подрядчика завершилась благополучно. Мы направили ему измеренную осциллограмму импульсного тока включения аналогичного изделия; его инженер повысил уставку мгновенного элемента и добавил задержку 0,1 секунды, и трансформатор уже год находится в эксплуатации без единого ложного срабатывания. Изделие никогда не было дефектным. Проблема заключалась в согласовании.
Вот основной вывод, который мы хотим, чтобы каждый покупатель унёс с собой: ток включения трансформатора — это физический эффект, а не производственный дефект. Укажите его в техническом задании, обеспечьте корректное согласование параметров, и самый напряжённый момент вашего проекта — первое включение — станет рутинной операцией.
Если вы подбираете трансформатор для новой подстанции, солнечной электростанции или модернизации здания и хотите, чтобы расчеты по включению были выполнены до подписания контракта, направьте нам однолинейную схему и параметры защитных устройств. Наши инженеры подтвердят, что трансформатор выдержит первый замыкание на вашей фидерной линии. Получите коммерческое предложение и таблицу данных по пусковым токам по адресу ryantransformers.com/contact-us .
О авторе : Эту статью подготовила инженерная команда компании Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd. — производителя трансформаторов, основанной в 2007 году и с 2023 года являющейся партнёром Eaton по совместному предприятию. Наши инженеры оказывают поддержку покупателям в Северной Америке, на Ближнем Востоке и в Юго-Восточной Азии в области инженерного проектирования применений, консультирования по сертификации (UL, CSA, IEEE, IEC) и предоставления данных заводских испытаний для трансформаторов башенного типа, сухих и масляных трансформаторов. Для поддержки при разработке технических требований обращайтесь по адресу [email protected].