Трансформаторы для очистных сооружений: выбор мощности с учётом пуска насосов, гармоник от частотных преобразователей и агрессивной среды

Почему водозаборная станция создаёт высокую нагрузку на трансформатор

Воздуходувки аэрации на одной из станций, по которой мы делали коммерческое предложение в прошлом году, работали нормально в течение девяти месяцев, а затем начали каждый день срабатывать на одном и том же автоматическом выключателе. Проблема не была в воздуходувках. И не в частотных преобразователях. трансформатор водозаборной станции был выбран исходя из текущей нагрузки станции — 1250 кВА для насосов и воздуходувок — без учёта гармонических токов, которые частотные преобразователи возвращают в него, и без учёта пускового тока при одновременном запуске трёх двигателей мощностью по 250 л.с. на одной шине.

Водозаборные и очистные сооружения относятся к числу самых неблагоприятных мест в мире для эксплуатации трансформаторов. Нагрузка циклическая, приводится асинхронными двигателями, половина которых подключена через частотные преобразователи; воздух влажный, содержит хлор или сероводород. Достаточно ошибиться в любом из этих трёх параметров — и последствия проявятся как ложные срабатывания защиты, перегрев обмоток или коррозия корпуса, из-за которой трансформатор не пройдёт проверку уже на второй год эксплуатации.

 

Характеристики нагрузки, определяющие номинальную мощность в кВА

Три характеристики рабочей нагрузки определяют требования к трансформатору, и они действуют в разных направлениях.

• Профиль нагрузки имеет двухмодальное распределение. Очистные сооружения — это не завод с постоянной технологической нагрузкой. Ночью они работают на базовой нагрузке, днём — на пиковой, а после ливневого события, когда приток удваивается, насосы запускаются повторно. Трансформаторы, рассчитанные по среднегодовому значению нагрузки, в течение значительной части года будут работать с загрузкой, существенно превышающей среднюю.
• Почти всё — это электродвигатели. Насосы, воздуходувки, мешалки, скребки для осадка, решётки. При пуске электродвигатели потребляют ток короткого замыкания ротора, и трансформатор испытывает соответствующее падение напряжения — что проявляется на очистных сооружениях как «мягкий» пуск, дребезг контакторов или перезагрузка ПЛК.
• Половина нагрузки — нелинейная. Вентиляторы для аэрации, первичные насосы и дозаторы химикатов работают от преобразователей частоты. При модернизации станции, изначально спроектированной для работы с постоянной скоростью, до управления с помощью ЧРП — что составляет основную часть предлагаемых нами работ по модернизации — размер трансформатора остаётся прежним, однако гармонические токи возрастают.

Добавьте в помещение оборудования хлор, влагу и сероводород — и стандартный трансформатор перестаёт быть очевидным решением. Ниже приведён перечень параметров, которые мы проверяем перед тем, как указать значение кВА для проекта водоснабжения или водоочистки; этот перечень применим независимо от того, представляет ли устройство собой трансформатор, установленный на постаменте наружную установку или сухой трансформатор в помещении распределительного щита.

 

Расчёт мощности при пуске насосов: правило «в шесть–семь раз»

Пусковой ток двигателя определяет требуемую мощность в кВА значительно чаще, чем номинальная нагрузка в режиме непрерывной работы. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором потребляет при пуске примерно в шесть–семь раз больший ток, чем его номинальный ток при полной нагрузке , а единственным элементом между этим током и напряжением на подстанции являются импеданс трансформатора и сопротивление вышестоящей сети. Завод непосредственно испытывает последствия: мерцание освещения, отключение приводов из-за пониженного напряжения, блокировка последовательности повторного запуска.

В практике Северной Америки действует рабочее правило: выбирать параметры так, чтобы просадка напряжения при пуске самого крупного двигателя не превышала 10–15 процентов на клеммах двигателя. Эта цифра представляет собой проектную договорённость, закреплённую в рекомендациях консалтинговых компаний и сетевых операторов, а не единое нормативное требование; именно её мы указываем в запросе коммерческого предложения (RFQ). Предоставьте нам график двигателей — мощность в лошадиных силах, буквенное обозначение кода пускового тока, буквенное обозначение конструкции по стандарту NEMA, способ пуска — и импеданс трансформатора будет рассчитан исходя из заданного предела просадки, а не взят из каталога.

Два практических фактора определяют, соответствует ли результат переходного анализа реальному заводу, который вы строите.

• Способ пуска изменяет результат расчёта. Прямой пуск вентилятора мощностью 300 л.с. может исключить применение стандартного трансформатора с импедансом 5,75 % на небольшом предприятии; использование плавного пускателя или частотного преобразователя с ограничением тока зачастую позволяет использовать тот же трансформатор. Способ пуска должен быть указан в технических характеристиках трансформатора, а не только в перечне электродвигателей.
• Генератор учитывается при расчёте. Когда резервный генератор обеспечивает питание предприятия при отключении внешней сети, эффективное внутреннее сопротивление источника резко возрастает, и вентилятор, который без проблем запускается от внешней сети, может вызвать остановку генератора. На предприятиях, где требуется полная работа очистных сооружений во время аварийного отключения, оба устройства — генератор и вентилятор — должны быть рассчитаны на один и тот же режим пуска.

Если проектирование вашего предприятия находится на промежуточной стадии и перечень электродвигателей ещё дорабатывается, направьте нам текущий список мощностей в лошадиных силах и комбинацию одновременного пуска в наиболее тяжёлом случае. Наши инженеры выполнит проверку просадки напряжения для двух-трёх подходящих значений мощности в кВА, чтобы заказ трансформатора осуществлялся на тех же допущениях, что и ваш расчёт переходных процессов.

 

Нагрузки с частотными преобразователями и гармоники от ЧП: источники избыточного тепла

Шестипульсный привод потребляет ток импульсами, а не синусоидальной волной; этот ток содержит гармонические составляющие, для которых трансформатор не был рассчитан. Потери, вызванные этими гармониками, не пропорциональны основной составляющей тока, которую они заменяют. Рассеянный магнитный поток от гармоник нагревает обмотки, зажимы магнитопровода, стенки бака и нейтраль; на трансформаторе, уже загруженном до 80 % номинальной мощности, это проявляется сначала в повышении температуры масла в верхней части бака, а затем — в срабатывании тепловой защиты.

Существует три способа технического задания, позволяющих решить эту проблему, но их эффективность различна.

• Применить понижающий коэффициент нагрузки к стандартному устройству. Грубый метод: увеличить мощность устройства на 15–25 % относительно нагрузки привода и принять дополнительные потери холостого хода на весь срок эксплуатации установки. Этот подход работает и зачастую обеспечивает минимальную первоначальную стоимость.
• Указать устройство, рассчитанное на работу с гармониками. Конструкция с рейтингом K или для режима работы с приводом использует сердечник и обмотку, рассчитанные на дополнительные потери от вихревых токов и рассеяния, а нейтраль выполнена с учётом гармоник кратных трём при наличии однофазных нагрузок. Запросите основу расчёта нагрузки в письменной форме, поскольку указание рейтинга K без конкретного значения коэффициента K и профиля нагрузки — это лишь маркировка, а не полноценный проект.
• Устраните гармоники на стороне питания. Линейные реакторы, пассивные фильтры или активный фильтр снижают уровень гармоник, достигающих трансформатора, и являются правильным решением, когда предприятие обязано сообщать о коэффициенте искажения в точке общего подключения. Стандарт IEEE Std 519-2022 является нормативным документом, применяемым вашей электросетью, а практически достижимый предел, который большинство североамериканских сетей требуют соблюдать, — это ограничение общего коэффициента искажения напряжения в 5 %, установленное данным стандартом для систем до 69 кВ.

Какой бы путь вы ни выбрали, значение коэффициента искажения должно быть указано в техническом задании. А Гармоники от ПЧ пункт, в котором указано «соблюдать стандарт IEEE 519» и больше ничего, заставляет поставщика трансформаторов гадать: покупаете ли вы дополнительную медь или же вы приобретаете фильтр.

 

Агрессивная атмосфера: H2S, хлор и выбор корпуса

Помещение оборудования на очистных сооружениях — это враждебная среда, причём враждебная таким образом, который легко недооценить. Здания решёток, мокрые колодцы и зоны метантенков содержат сероводород, который разрушает медь, серебро и припой на управляющих проводах даже при концентрациях, которые никто не способен почувствовать запахом. Помещения для хлорирования и гипохлорита добавляют второй путь коррозии. Добавьте почти насыщенную влажность, и механизм разрушения заключается не в повреждении покрытия, а в потере контакта через два-три года.

Три решения по техническим требованиям несут основной риск.

• Степень защиты корпуса. Для зон эксплуатации в среде сточных вод минимальным требованием, установленным в муниципальных руководствах по проектированию электрических систем, является корпус типа NEMA 4X — устойчивый к коррозии, а не просто водонепроницаемый — вместо корпуса типа NEMA 3R, применяемого для обычных распределительных трансформаторов на открытом воздухе. Это означает использование корпуса из нержавеющей стали или правильно покрытого корпуса, дверей с уплотнительными прокладками и крепёжных элементов, устойчивых к коррозии, а не окрашенного листового металла.
• Система покрытия. Воздействие морской среды и химических веществ обычно определяется как категория коррозии по стандарту ISO 12944, а не как цвет краски; категория C5-M служит эталоном для условий высокой коррозионной нагрузки в морской среде. При изготовлении оборудования для этой категории испытание покрытия на стойкость к солевому туману документируется на этапе проверки толщины покрытия, а график отделки включается в заказ в качестве обязательного требования, а не применяется по умолчанию на заводе.
• Жидкостная консервация и доступ. На маслонаполненных устройствах система сохранения масла и герметизация бака определяют, будет ли влага проникать внутрь в течение пяти лет, а расположение пробоотборного клапана определяет, сможет ли обслуживающая бригада взять пробу без вскрытия корпуса. Уточните, где находится клапан; если ответ — «внутри, за дверцей», будьте готовы к тому, что проба никогда не будет взята.

Установка на открытом воздухе для трансформатор, установленный на постаменте решает проблему помещения, но не решает проблему коррозии. Устройство в наземном исполнении на насосной станции находится в той же хлорированной, влажной атмосфере, что и насосы, которые оно питает, поэтому качество отделки корпуса и уплотнительных прокладок имеет большее значение, чем место установки.

 

Резервирование и резервное электропитание: вопрос конфигурации

Очистные сооружения обычно обязаны продолжать работу во время перерыва в подаче электроэнергии от внешней сети, и это требование предъявляется к схеме трансформаторов в той же мере, что и к генератору.

Типовая конфигурация — схема «основной–связующий–основной» с двухсторонним питанием и нормально разомкнутым связующим выключателем: два трансформатора, два распределительных щита, один связующий выключатель. Каждый трансформатор обеспечивает питание своей половины объекта, а связующий выключатель позволяет любому из трансформаторов брать на себя питание критически важных нагрузок при выводе другого трансформатора из работы. Компромисс заключается в значении импеданса. Работа параллельно или с замкнутым связующим выключателем требует совпадения значений импеданса и положений регулировочных отпаек; в противном случае два устройства не будут делить нагрузку так, как предполагает однолинейная схема. Именно поэтому мы запрашиваем диапазон импеданса до формирования коммерческого предложения на пару устройств, а не после.

Если питание завода осуществляется от одного трансформатора, резервный вариант обычно выглядит следующим образом: генератор на вводе, переключатель питания и решение о том, какие нагрузки могут автоматически запускаться повторно. Проблему представляют вентиляторы и приводы. Крупные приводы с длительным временем разгона оказывают меньшую нагрузку на генератор по сравнению с прямым пуском, а трансформатор, спроектированный с низким импедансом для подключения к сети, может ухудшить работу в режиме генераторного питания. Оба варианта необходимо проверить по одной и той же таблице двигателей.

 

Что включить в техническое задание

Пункты технического задания, определяющие соответствие поставленного оборудования проектным требованиям:

Пункт спецификации	Что следует указать	Что спросить
Таблица двигателей	Пусковая мощность (кВА), код буквы, буква конструкции по стандарту NEMA, способ пуска	Укажите допустимый предел просадки напряжения: в практике Северной Америки общепринятым считается диапазон 10–15 %
Одновременные пуски	Наихудшая комбинация, реально возможная при эксплуатации завода	Пуск после дождя — одновременный запуск трёх вентиляторов и насоса для осадка требует иного трансформатора, чем последовательный запуск насосов по одному
Нагрузка приводов	Общая мощность частотных преобразователей в лошадиных силах и наличие фильтра или реактора	Укажите целевой уровень гармонических искажений в точке общего подключения; в качестве справочного документа ваша энергоснабжающая организация будет использовать стандарт IEEE Std 519-2022
Диапазон импеданса	Процентное значение импеданса и допустимое отклонение, полученные из переходного анализа	Требуется для расчёта пускового режима и, при двусторонней конфигурации, для распределения нагрузки
Корпус и отделка	Степень защиты NEMA 4X для технологических зон; категория коррозионной стойкости по ISO 12944	Укажите категорию (например, C5-M — для морских условий с высокой коррозионной агрессивностью), а не описание цвета краски
Резервная конфигурация	Основной–связующий–основной, резервирование от генератора или односторонняя	Корпус генератора предъявляет иные требования к импедансу по сравнению с подключением к сетевому питанию
Тестовый диапазон	Рутинные испытания каждого изделия; типовые испытания конструкции; измерение частичных разрядов для сухих трансформаторов	Уточните, какой стандарт испытаний применяется и включено ли присутствие аккредитованного органа по сертификации при проведении испытаний

 

При описании испытаний целесообразно чётко указать их разделение. Рутинные испытания проводятся на каждом изделии и соответствуют коду испытаний для данной конструкции: IEEE C57.12.90 для маслонаполненных изделий в Северной Америке, а также общим требованиям в IEC 60076-1 для проектов по стандартам IEC, причём для сухих трансформаторов действуют требования IEC 60076-11 . Типовые испытания — проверка нагрева, импульсная прочность и устойчивость к короткому замыканию — относятся к конструкции и должны быть прослеживаемы до поставляемого изделия. При модернизации предприятия с установкой преобразователей частоты запросите письменное подтверждение расчёта потерь на гармониках, поскольку именно этот расчёт определяет, будет ли изделие работать в прохладном или перегретом режиме.

 

Как мы создаём решения для проектов водоснабжения и водоотведения

Компания Ryan Electric производит трансформаторы с 2007 года на заводе площадью 120 000 м² в Цзянсу, оснащённом более чем 180 комплектами производственного и испытательного оборудования и обладающей 37 патентами; с 2023 года мы действуем как официальный партнёр по совместному предприятию с Eaton. Устройства поставляются с сертификатами UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS и CE в зависимости от требований целевого рынка — это особенно важно при муниципальных работах, поскольку инспектор проверяет данные на табличке перед тем, как подавать напряжение. Если проект проходит сертификацию, испытания проводятся под наблюдением органа по сертификации, а не внутренней подписью — например, через UL Solutions сертификацию для Северной Америки.

Инженерное различие при водных проектах заключается в том, что мы запрашиваем определённые данные до подготовки коммерческого предложения: график электродвигателей с буквенными кодами, способ пуска, случай одновременного пуска, мощность привода в лошадиных силах и наличие поставляемого фильтра, классификацию исполнения корпуса для технологической зоны, категорию коррозии, а также конфигурацию резервного питания. Как только эти данные поступают комплексно, трансформатор, установленный на постаменте или сухой тип блока, который возвращается, рассчитан на рабочий режим завода, а не на общую подключенную мощность в лошадиных силах.

Направьте нам график электродвигателей, условия эксплуатации объекта и требования к корпусу для вашего завода или насосной станции, и наши инженеры предоставят проверку подбора по пусковому режиму и гармонической нагрузке с постраничным перечнем системы покрытия и объёма испытаний. Технический ответ в течение 48 часов.

Об авторе: Это руководство подготовлено инженерно-экспортной командой компании Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd., производителя трансформаторов, основанной в 2007 году, официального совместного предприятия Eaton с 2023 года и поставщика изделий сухого типа, маслонаполненных, столбовых и компактных подстанций для проектов энергоснабжения, промышленности, центров обработки данных и инфраструктурных объектов. Команда оказывает поддержку муниципальным и промышленным водным проектам — от проверки технических требований до заводских испытаний.