Ферорезонанс у трансформаторах, встановлених на підставці: що виробник трансформаторів, встановлених на підставці, хоче, щоб проєктанти знали

 

Як виробник трансформаторів у наземному виконанні , ми постійно спостерігаємо одну й ту саму несправність у тому самому порядку. Блок, встановлений на підставці, замінюють для технічного обслуговування. Грозовий розрядник на стовпі підйому в кінці кабелю виходить із ладу. Екіпаж замінює розрядник, підключає блок до мережі, але замінений розрядник знову виходить із ладу протягом кількох місяців — іноді навіть протягом кількох тижнів. Сам трансформатор проходить усі планові перевірки без виявлення будь-яких відхилень. На табличці з технічними даними немає жодних помилок. Причиною виходу розрядника з ладу є ферорезонанс, і майже завжди це не вина самого розрядника.

Що таке ферорезонанс

 

Серце трансформатора — це не лінійний індуктор. Нижче насичення його індуктивний опір високий. Коли серце наближається до насичення, цей опір різко зменшується. Якщо вважати компонент із такою поведінкою частиною кола, що також містить ємність — оболонкову ємність підземного кабелю, вирівнювальну ємність вимикача, ємність вводу або батареї конденсаторів — то комутаційне збурення може змусити коло перейти в коливання, яких жоден із елементів окремо не зміг би викликати.

Це й є повне визначення, а також пояснення того, чому ферорезонанс у трансформаторах не є «чистим» резонансом, який обчислюють за формулою XL = XC. У разі лінійного індуктора існує лише одна резонансна частота й один сталий стан. У разі насичуваного серця їх кілька, і коло може стрибати між ними. IEEE Technology Navigator — Ferroresonance (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) описує чотири основні режими коливань: ферорезонанс на основній частоті, що збігається з частотою живлення; субгармонійний ферорезонанс на частині частоти живлення, найчастіше — на третині цієї частоти; квазіперіодичний ферорезонанс із нерегулярними формами хвиль; та хаотичний ферорезонанс без будь-якого повторюваного патерну. Тривалі перевищення напруги в цих режимах можуть досягати п’яти–шести разів номінальної лінійної напруги, що значно перевищує рівень, який враховує координація ізоляції обмотки розподільного пристрою для тривалого напруження на частоті живлення.

Дві одиниці з однаковими табличками можуть поводити себе повністю по-різному. Режим, у який встановлюється ланцюг, залежить від індуктивності, ємності, величини напруги та початкових умов — а на практиці це означає залежність від точного моменту замикання вимикача. Саме тому дослідження, побудоване лише на номінальних значеннях, не виявить такий ефект, а також саме тому одна й та сама операція перемикання може проходити без проблем сто разів і спричинити збій при сотому першому разі.

Якщо зараз ви працюєте з технічним завданням на стаціонарну підстанцію у вигляді блок-підстанції, наша інженерна команда разом із вами перевірить первинне коло до фіксації номінальних параметрів. Надішліть нам однолінійну схему, і ми разом розглянемо чотири умови.

Чотири умови, які мають збігатися

 

Ферорезонанс — явище дуже вимогливе. Для його виникнення потрібно одночасне виконання чотирьох умов: навантаження вторинної обмотки відсутнє, висока ємність первинного кола, асиметричне однофазне перемикання та осердя, що насичується при помірному перевищенні напруги — саме тому ферорезонанс ніколи не проявляється в розрахунках потоків потужності та так важко відтворюється в тестовому приміщенні.

Стан	Чому це має значення	Місця практичного прояву
Вторинна обмотка ненавантажена або слабо навантажена	Опір навантаження пригнічує коливання; порожня вторинна обмотка зовсім не забезпечує пригнічення	Нова житлова забудова до заселення, сезонне зупинення роботи підприємства, одиниця зберігається як резервна
Висока ємність первинного кола	Ємність оболонки кабелю на одиницю довжини значно вища, ніж у повітряної лінії	Довга підземна фідерна лінія, підйомний кабель, мережева шахта, промислове електропостачання від кабелю
Асиметричне комутування	Залишає одну або дві фази ізольованими, але все ще ємнісно зв’язаними з джерелом	Однофазні вимикачі, перегорілий запобіжник, однофазні автоматичні вимикачі, операції з ліктевими роз’єднувачами
Сердечник, який насичується при помірному перевищенні напруги	Індуктивність намагнічування руйнується, що дозволяє схемі стрибати між робочими точками	Сучасні маловтратні сердечники та конструкції, що працюють при вищій густині магнітного потоку

 

Якщо прибрати будь-який із чотирьох елементів, явище, як правило, не виникне. Це корисна особливість, оскільки означає, що є чотири окремі точки, де його можна усунути — а найекономічнішим рішенням майже завжди є саме схема комутування. Це також момент, коли розмова має перейти від цитати до вибору, і це перше, про що повинен звернутися виробник трансформаторів у наземному виконанні спеціаліст.

Що воно робить з пристроєм, перш ніж хтось помітить

 

Пошкодження, яке екіпаж помічає першим, зазвичай виникає на обмежувач перенапруги , а не всередині бака. Арестер оксиду металу — це резистор, який стає провідним лише за умови перевищення номінальної напруги. Тривала ферорезонансна перенапруга призводить до його переходу в стан провідності й перетворює коливання на тепло всередині керамічного блоку, розрахованого на імпульси тривалістю в мікросекунди за визначеним циклом навантаження. У довідкових даних Eaton щодо захисту від перенапруг для трансформаторів у наземних корпусах чітко вказано граничне значення: арестири знижують перенапруги, але не усувають їх повністю; чим вищий цикл навантаження арестера, тим більше провідного матеріалу в ньому міститься й тим довше він витримує перенапругу перед виходом з ладу. Розподільний арестер малої потужності, який цілком підходить для захисту від блискавки, не розрахований на хвилини енергії промислової частоти. Довідкові дані Eaton TC202005EN — Захист від перенапруг для трансформаторів у наземних корпусах (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)

За обмежувачем пошкодження менш помітні й важче виявити під час звичайного тестування. На поверхні прохідних ізоляторів видно сліди проскочування, де сталася дуга. Ізоляція обмоток пробивається у точці, де коливання досягають максимуму, а пробій часто настільки малий, що перевірка коефіцієнта трансформації все ще дає задовільні результати. Основа перегрівається, оскільки магнітний потік виходить далеко за межі проектних значень, а саме нагрівання скорочує термін служби ізоляції. Зазвичай першим виходить із ладу обмежувач, але не обов’язково єдиним.

Існує також симптом, який зовсім не є електричним. У разі ферорезонансу пристрій часто видає низькочастотний гул або дзижчання, що відрізняється від звичайного гудіння магнітострикції — воно нерівномірне, непостійне й достатньо голосне, щоб бригади помітили його ще до спрацювання будь-якого реле. Сприймайте його як сигнал, а не як неприємне завадження.

 

Однофазне перемикання — це спусковий механізм, яким ви можете керувати

 

З чотирьох умов асиметричне перемикання — єдина умова, яку спеціаліст з проектування може усунути за допомогою одного пункту специфікації. Однофазне перемикання трифазного трансформаторного блоку — незалежно від того, чи відбувається воно через роз’єднувачі, перегоряння одного запобіжника чи за схемою автоматичного повторного ввімкнення з одним полюсом — залишає блок частково під напругою й ємнісно зв’язаним із джерелом живлення, що є класичним тригером у системах розподілу електроенергії з кабельним живленням.

IEEE Std C57.105-2019, керівництво щодо застосування з’єднань трансформаторів у трифазних електричних системах, розглядає такі взаємодії між з’єднаннями та перемиканням як питання проектування, а не як випадкові події: IEEE Std C57.105-2019 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) . Цей стандарт існує саме тому, що взаємодія між з’єднанням трансформатора та колом навколо нього визначає, чи буде система працювати стабільно чи непередбачувано.

Те, що працює на практиці, не виглядає ефектно. Увімкніть усі три фази одночасно за допомогою пристрою з груповим керуванням замість однофазних вимикачів усюди, де конфігурація це дозволяє. Там, де однофазні пристрої неминучі, підтримуйте невелике постійне резистивне навантаження на вторинній стороні під час перемикання, щоб коливання мали щось, у що розсіятися. Резистор для загасяння або схема придушення ферорезонансу, підключена паралельно обмотці, — це наступний рівень захисту, а обмежувач перенапруги обраний для тимчасового перевищення напруги, а не лише для блискавки, — останній.

Жодна з цих заходів не вимагає екзотичного обладнання. Потрібно вирішити схему перемикання й цикл навантаження обмежувачів перенапруги одночасно з визначенням потужності трансформатора, а не після того, як кабель уже прокладено.

П’ять пунктів, які слід включити до запиту пропозицій

 

З’єднання обмоток і заземлення. Вкажіть, чи припустиме заземлення первинної обмотки у вигляді зірки. Незаземлена дельта-обмотка на довгій кабельній лінії — це найбільш ризикована конфігурація, і саме цей варіант кардинально змінює всю картину перенапруг.

Тип основного комутаційного пристрою. Трифазний навантажувальний вимикач з груповим керуванням, трифазне автоматичне повторне ввімкнення або однофазні вимикачі. Якщо застосування однофазних пристроїв неминуче, це слід чітко вказати, оскільки це змінює обмежувач перенапруги варіантом.

Клас обмежувача перенапруги, цикл навантаження, максимальну тривалу робочу напругу (MCOV) та здатність витримувати тимчасові перенапруги. фраза «обмежувачі перенапруги включені» не є технічною специфікацією. Потрібно вимагати обмежувач, розрахований на тимчасові перенапруги, а не лише на блискавку.

Графік кабелів. Переріз провідника, довжина та тип ізоляції для кожного первинного сегмента. Ємність оболонки — це друга половина резонансного контуру, і вона невидима в графіку, складеному за табличними даними.

Демпфування вторинної сторони. Чи буде малий постійний навантажувальний або демпфуючий резистор залишатися підключеним до вторинної сторони під час комутації, і який відсоток від номінальної потужності він становить.

Що запитує виробник трансформаторів у виконанні «pad-mounted» перед вашим замовленням

 

На будь-якому проекті з довгими основними кабельними трасами першим документом, який ми вимагаємо, є не графік табличок. Це однолінійна схема з довжинами кабелів і схемою комутації, оскільки саме ці два параметри визначають, чи є ризик перевищення напруги незначним чи реальним. A виробник трансформаторів у наземному виконанні той, хто робить цитату лише з переліку трансформаторів, цитує одиницю, а не рішення.

Кожна одиниця проходить стандартну послідовність випробувань, і в процесі фіксуються втрати холостого ходу та струм намагнічування. Ці два значення є вхідними даними, які перетворюють питання про ферорезонанс із припущення на розрахунок, і ми надішлемо їх вашому консультуючому інженеру до відправлення за запитом.

Ryan Electric виробляє розподільні та силові трансформатори з 2007 року на виробничій базі площею 120 000 м², оснащеній понад 180 комплектами виробничого й випробувального обладнання та захищених 37 патентами. З 2023 року компанія діє як офіційний спільний підприємця Eaton, що й пояснює, чому ми включаємо координацію обмежувачів перенапруг та комутаційних пристроїв у межі обсягу поставки трансформаторів, а не вважаємо це проблемою іншої сторони.

На північноамериканських житлових ділянках ми постійно спостерігаємо таку ситуацію: невеликий трифазний трансформатор потужністю від 75 кВА до 500 кВА розташований у кінці довгої підземної лінії живлення й підключений через однофазні вимикачі, забезпечуючи навантаження, яке ще рік не буде існувати. Усі умови зі списку одночасно присутні, а ділянка залишається ненавантаженою протягом місяців. Коли замовник переходить на груповий комутаційний пристрій і залишає невелике резистивне навантаження на вторинній стороні під час введення в експлуатацію, відмови обмежувачів перенапруг припиняються.

Якщо ви вказуєте блоки, встановлені на підставці, у кабельній системі, надішліть нам однолінійну схему та графік прокладання кабелів до розміщення замовлення. Ми проаналізуємо схему комутації, специфікацію обмежувачів перенапруги та вторинне гасіння стосовно вашої реальної мережі й повідомимо вас, яку з чотирьох умов ви маєте — і яку ви вже врахували в проекті. Саме таку розмову виробник трансформаторів у наземному виконанні має проводити з вами перед розміщенням замовлення, а не після першого виходу з ладу обмежувача перенапруги.

Про автора

Цю статтю підготувала інженерна команда з трансформаторів компанії Ryan Electric. Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) проектує та виробляє трансформатори сухого типу з литою смолою та з вакуумно-пропитаними обмотками, масляні трансформатори та блоки, встановлені на підставці, на своєму виробничому комплексі площею 120 000 м², що обслуговує проекти дата-центрів, промисловості, енергетичних компаній та інфраструктурні проекти в Північній Америці, Південно-Східній Азії, на Близькому Сході та в Африці.