Ferroresonans i plattmonterade transformatorer: Vad en tillverkare av plattmonterade transformatorer vill att specificerare ska veta

 

Som en transformator till montering på plats tillverkare , vi stöter på samma fel i samma ordning. En på monterad enhet byts ut för underhåll. Avledningsanordningen på stolpen vid kabelns ände går sönder. Arbetslaget byter ut avledningsanordningen, ansluter enheten till nätet och ersättningen går sönder igen inom några månader – ibland redan inom några veckor. Transformatorn själv visar inga fel vid varje rutinmässig kontroll. Ingenting på typskylten är felaktigt. Det som förstör avledningsanordningen är ferroresonans, och det är nästan aldrig avledningsanordningens fel.

Vad ferroresonans egentligen är

 

En transformatorkärna är inte en linjär induktor. Under mättnad är dess magnetiserande reaktans hög. När kärnan närmar sig mättnad minskar denna reaktans kraftigt. Placera en komponent med detta beteende i en krets som också innehåller kapacitans — till exempel skärmmatningens kapacitans i en underjordisk kabel, avstämningskapacitansen i en brytare, isolatorns kapacitans eller en kondensatorbank — och en switchstörning kan driva kretsen in i en svängning som ingen av komponenterna ensamma skulle kunna generera.

Det är hela definitionen, och den förklarar också varför ferroresonans i transformatorer inte är den ordnade resonansen som man beräknar från XL = XC. Med en linjär induktor finns det en enda resonansfrekvens och ett enda stationärt tillfälle. Med en mättbar kärna finns det flera sådana frekvenser, och kretsen kan hoppa mellan dem. IEEE Technology Navigator — Ferroresonance (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) beskriver fyra huvudsakliga svängningsmoder: ferroresonans vid grundfrekvensen, dvs. vid matningens frekvens; subharmonisk ferroresonans vid en bråkdel av matningens frekvens, oftast en tredjedel; kvaziperiodisk ferroresonans med oregelbundna vågformer; och kaotisk ferroresonans utan någon upprepande mönster alls. Upprepat förekommande överspänningar i dessa moder kan nå fem till sex gånger den nominella ledningsspänningen, vilket långt överstiger vad isoleringskoordineringen för en distributionslindning antar gäller för pågående spänningspåverkan vid kraftfrekvens.

Två enheter med identiska typskyltar kan bete sig fullständigt olika. Den mod som en krets stabiliserar sig i beror på induktans, kapacitans, spänningsstorlek och initiala förhållanden – vilket i praktiken innebär att det beror på exakt den tidpunkt då strömbrytaren sluter. Därför kommer en studie som bygger på nominella värden att missa fenomenet, och därför kan samma inkoppling utföras utan problem hundra gånger och ändå misslyckas vid den hundraförsta.

Om du just nu arbetar med en specifikation för en plintmonterad transformator kommer vårt ingenjörsteam att granska den primära kretsen tillsammans med dig innan märkningen fastställs. Skicka oss diagrammet över den enfasiga kretsen och vi går igenom de fyra villkoren tillsammans med dig.

De fyra villkoren som måste sammanfalla

 

Ferroresonans är kräsen. Den kräver fyra villkor samtidigt – en olastad sekundär, hög primär kapacitans, asymmetrisk enfasig koppling och en kärna som mättnas vid en lätt överspänning – vilket är exakt anledningen till att den aldrig dyker upp i en lastflödesstudie och varför den är så svår att återskapa i en provbås.

Skick	Varför det är viktigt	Där den uppstår i praktiken
Olastad eller lätt belastad sekundär	Lastmotstånd dämpar oscillationen; en tom sekundär ger alls ingen dämpning	Ny bostadsområde innan inflyttning, säsongbaserad driftstopp för anläggning, enhet som hålls som reserv
Hög primär kapacitans	Kabelskyttskapacitansen per längdenhet är långt högre än för en luftledning	Lång underjordisk matarledning, uppgående kabel, nätverkskälla, industriell kabelmatning
Asymmetrisk koppling	Lämner en eller två faser isolerade men fortfarande kapacitivt kopplade till källan	Enfasiga avbrytare, en sprungen säkring, enpoliga återställningsbrytare, armbågskoppling
Kärna som mättas vid måttlig överspänning	Magnetiseringsinduktansen kollapsar, vilket gör att kretsen kan hoppa mellan olika driftlägen	Modern kärnor med låg förlust och konstruktioner som arbetar vid högre flödestäthet

 

Ta bort någon av de fyra och fenomenet uppstår vanligtvis inte. Det är den användbara delen, eftersom det innebär att det finns fyra separata ställen där man kan utforma bort det – och billigast är nästan alltid kopplingsanordningen. Det är också den punkt där samtalet bör gå från ett citat till en urvalsförfrågan, och det är det första som en transformator till montering på plats tillverkare borde ta upp med dig.

Vad det gör med enheten innan någon märker det

 

Det fel som en arbetsgrupp upptäcker först är vanligtvis vid överspänningsskydd , inte inuti tanken. En metalloxidavledare är en resistor som endast blir ledande vid spänningar över sin angivna märkspänning. En varaktig ferroresonant överspänning driver den i ledningstillstånd och omvandlar oscillationen till värme inuti en keramisk block som dimensionerats för mikrosekundslånga stötar vid en definierad driftcykel. Eatons referensdata om överspänningskydd för plintmonterade transformatorer anger gränsen tydligt: avledare minskar överspänningar men eliminerar inte dem, och ju högre avledarens driftcykel är, desto mer ledande material finns närvarande och desto längre håller den ut en överspänning innan den går sönder. En lättlastavledare för distributionsnät, som är fullständigt lämplig för åskutslag, är inte dimensionerad för minuter av effektfrekvensenergi. Eatons referensdata TC202005EN — Överspänningskydd för plintmonterade transformatorer (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)

Bakom avledaren är skadorna tystare och svårare att upptäcka vid en rutinmässig provning. Skivytorna visar spår där överspänningsgenomslag skett. Lindningsisoleringen genomstöts på den punkt där oscillationen når sitt maximum, och genomstötningen är ofta så liten att en varvtalsförhållandsprov fortfarande ger godkända resultat. Kärnan blir het, eftersom flödesavvikelsen långt överstiger konstruktionsgränserna och värme är det som förkortar isoleringslivslängden. Avledarfel är vanligtvis den första skadan, inte den enda.

Det finns också ett symptom som inte alls är elektriskt. En enhet i ferroresonans producerar ofta en lågfrekvent drön eller rattling som låter annorlunda än den normala magnetostruktionsbrummen – ojämn, oregelbunden och tillräckligt högljudd för att personalen ska märka den innan någon reläoperation sker. Betrakta den som en varningssignal, inte som en olägenhet.

 

Enfasig koppling är den utlösande faktor som du kan kontrollera

 

Av de fyra förutsättningarna är asymmetrisk koppling den enda som en specificerare kan eliminera med ett enda artikelnummer. Enfasig koppling av en trefas-transformatorbank – oavsett om det sker via säkringshållare, en genombränd säkring eller en enpolig återkopplingsanordning – lämnar banken delvis spänningsdriven och kapacitivt kopplad till källan, vilket är den klassiska utlösande faktorn i kabelmatade distributionsystem.

IEEE Std C57.105-2019, vägledningen för användning av transformatoranslutningar i trefas-elsystem, behandlar dessa anslutnings- och kopplingsinteraktioner som en konstruktionsövervägning snarare än en olyckshändelse: IEEE Std C57.105-2019 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) . Standarden finns just på grund av att interaktionen mellan en transformatoranslutning och kretsen runtomkring avgör om ett system fungerar korrekt eller inte.

Det som fungerar i fältet är inte särskilt imponerande. Slå av alla tre faser samtidigt med en gemensam styrbar anordning istället för enskilda fasskydd där konfigurationen tillåter det. Om enskilda fasanordningar är oundvikliga bör en liten permanent resistiv last bibehållas på sekundärsidan under kopplingen, så att svängningarna har något att avge energin till. En dämpningsresistor eller en ferroresonansundertryckningskrets över lindningen utgör nästa skyddsnivå, och en överspänningsskydd vald för tillfällig överspänning snarare än endast åska är den sista nivån.

Ingen av dessa åtgärder kräver exotisk hårdvara. Det krävs istället att kopplingsschemat och avledarernas belastningscykel fastställs samtidigt som transformatorns märkeffekt, i stället för efter att kablarna redan dragits.

Fem saker att inkludera i RFQ:n

 

Lindningsanslutning och jordning. Ange om en jordad visselprimär är acceptabel. En ej jordad delta-primär vid en lång kabellängd är den riskfylldaste konfigurationen som finns, och svaret påverkar hela överspänningsbilden.

Primär typ av växlingsanordning. Tre-fas-lastbrytarswitch med manuell eller automatisk återställning, eller enkel-fas-avbrytare. Om enkel-fas-anordningar är oundvikliga måste detta anges, eftersom det påverkar överspänningsskydd utval.

Blixtavledarklass, driftcykel, maximal kontinuerlig driftspänning (MCOV) och förmåga att hantera tillfällig överspänning. "Blixtavledare inkluderade" är inte en specifikation. Begär en blixtavledare dimensionerad för tillfällig överspänning, inte endast för åska.

Kabelschema. Ledarstorlek, längd och isoleringstyp för varje primärsegment. Skärmmkapacitansen utgör den andra halvan av resonanskretsen och är osynlig i ett namnplåtschema.

Sekundär dämpning. Om en liten permanent last eller dämpningsresistor ska kopplas till sekundärsidan under växling, samt hur många procent av märkeffekten den utgör.

Vad en tillverkare av plattmonterade transformatorer frågar innan du placerar en beställning

 

Vid alla projekt med långa primära kabellängder begär vi först inte skyltlistan. Vi begär istället den enfaldiga schematiskan med kabellängder och kopplingsanordningen, eftersom dessa två objekt avgör om överspänningsrisken är försumbar eller verklig. A transformator till montering på plats tillverkare den som offrar utifrån transformatorlistan ensam offrar en enhet, inte en lösning.

Varje enhet genomgår en rutinmässig testsekvens, och tomgångsförluster samt magnetiserande ström registreras under processen. Dessa två värden är indata som omvandlar en fråga om ferroresonans från en åsikt till en beräkning, och vi kommer att överlämna dem till er konsulterande ingenjör före leverans på begäran.

Ryan Electric har tillverkat distributions- och krafttransformatorer sedan 2007 från en tillverkningsanläggning på 120 000 m² med över 180 uppsättningar produktions- och provutrustning samt 37 patent. Sedan 2023 har företaget drivit verksamheten som officiell gemensam venture-partner till Eaton, vilket är en av anledningarna till att vi behandlar överspänningsavledare och styrkoordination som en del av transformatoromfattningen snarare än någon annans problem.

Ett mönster som vi ser återkommande i nordamerikanska bostadsområden är en liten trefasenhet – 75 kVA till 500 kVA – i slutet av en lång underjordisk lateralkabel, matad via enfasiga säkringsbrytare, som försörjer en last som inte kommer att finnas på plats förrän ett år senare. Alla villkor på listan är samtidigt uppfyllda, och platsen är obelastad i flera månader. När projektören byter till en gruppdriven brytare och lämnar en liten resistiv last på sekundärsidan under idrifttagningen upphör felen på överspänningsavledarna.

Om du specificerar plintmonterade enheter i ett kabelmatat system, skicka oss den enfaldiga schematiskt diagrammet och kabelschema innan beställningen placeras. Vi granskar kopplingsschemat, avledarsspecifikationen och den sekundära dämpningen mot din faktiska krets och informerar dig om vilken av de fyra förutsättningarna du har – och vilken du redan har utformat bort. Det är den typen av samtal som transformator till montering på plats tillverkare borde äga rum med dig innan beställningen placeras, inte efter att den första avledaren har misslyckats.

Om författaren

Den här artikeln har tagits fram av Ryan Electric:s transformeringenjörsteam. Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) utvecklar och tillverkar gjutna harts- och VPI-torrtransformatorer, oljeimmenserade transformatorer samt plintmonterade enheter vid sin tillverkningsanläggning på 120 000 m², och levererar till datacenter, industriella anläggningar, elnät och infrastrukturprojekt i Nordamerika, Sydostasien, Mellanöstern och Afrika.