Трансформатор для вентиляції тунелів: визначення одиниць для дорожніх тунелів і підземного транспорту

Відмова обладнання в автомобільному тунелі майже ніколи не починається з освітлювального кола. Вона починається з вентиляторів. Інженер з пусконалагоджувальних робіт описав нам цю послідовність простими словами: перша група реактивних вентиляторів запускається без проблем, друга група працює нормально, але при запуску третьої групи напруга на шині 480 В падає, частотний перетворювач відключається через недостатню напругу, і система вентиляції переходить у аварійний стан ще до початку перевірки димом. трансформатор для вентиляції тунелів було розраховано за списком навантажень. Ніхто не моделював процес пуску.

Ось у чому незручність електропостачання тунелів. Більшу частину часу навантаження помірне — кілька сотень кіловатів освітлення, кілька вентиляторів, декілька насосів. Але кілька секунд кілька разів на добу навантаження зовсім не є помірним. І те саме обладнання, що витримує пуск двигуна, має також працювати в умовах, коли пожежа горить за кілька метрів. Гармоніки ПЧ на приводах вентиляції й продовжувати працювати, поки пожежа горить за кілька метрів.

 

Яке навантаження фактично діє на підстанцію тунелю

Тунель — це невелике промислове підприємство, розтягнуте на кілометр бетону. Вентиляція домінує в електричному навантаженні, але не є єдиним його джерелом, і різні види навантажень поводяться зовсім по-різному. Саме при затвердженні єдиного значення у кВ·А без розділення їх за типами виникає більшість помилок у технічних специфікаціях.

Вантаж	Типовий діапазон	Довір	Як це впливає на вибір потужності
Струминний вентилятор (осьовий, з приводом)	22–250 кВт	Послідовний пуск/зупинка, сотні циклів на рік	Струм при заблокованому роторі та провал напруги на низьковольтній шині
Вентилятор вентиляції тунелю	200–1000 кВт	Постійна робота, зворотний напрямок для видалення диму	Найбільший окремий двигун; зазвичай визначає мінімальну потужність
Приводи та системи керування протидимовими клапанами	менше 10 кВт	Тільки в аварійному режимі, має утримувати положення	Невелике навантаження, але спільна електрощитова та UPS-лінія
Світлодіодне освітлення тунелів та аварійне освітлення	30–350 кВт	Постійна робота, 100 % тривалість роботи	Багатогармонійний; підвищує струм нейтралі
Дренажні насоси для приймальних колодязів	15–110 кВт	Переривчастий, вологий середовище	Пуск проти водяного стовпа; ризик проникнення вологи
Вентиляція та осушувачі підстанцій	10–60 кВт	Безперервний	Підвищує температуру навколишнього середовища, у якому розташований трансформатор
Системи SCADA, системи відеоспостереження CCTV, інформаційні таблички	менше 20 кВт	Безперервний	Вимога до руху через тунель під час пожежі

Рекомендації щодо проектування вже розглядають ці аспекти як окремі галузі. Рекомендації FHWA щодо проектування дорожніх тунелів (https://www.fhwa.dot.gov/publications/focus/05nov/03.cfm) присвячують окремі розділи вентиляції, освітленню, протипожежним заходам та сейсмічному проектуванню — однак усі ці системи включаються в один графік навантажень, і зазвичай один трансформатор має забезпечувати сумарне навантаження.

 

Пускове навантаження визначає мінімальну потужність, а не робоче навантаження

Робоче навантаження — це просте значення. Додайте потужності вентиляторів, освітлення та насосів, застосуйте коефіцієнт різноманітності, і блок потужністю 1500 кВА здається надмірно великим порівняно з тунелем на 900 кВА. Але врахуйте пускове навантаження.

Стандартний асинхронний двигун типу NEMA Design B споживає при безпосередньому пуску приблизно в шість разів більше струму, ніж номінальний. Розглянемо двигун реактивного вентилятора потужністю 250 кВт при напрузі 480 В: номінальний струм становить близько 300 А, отже, струм заблокованого ротора — приблизно 1800 А, і він зберігається протягом двох–чотирьох секунд, необхідних для розгону вентилятора до робочої швидкості. Якщо запустити другий комплект вентиляторів через півсекунди, трансформатор опиниться під навантаженням, яке він ніколи більше не зазнає під час звичайної експлуатації. Саме цей показник визначає номінальну потужність на табличці.

Два параметри визначають припустимість пуску: відсотковий імпеданс трансформатора та імпеданс фідерної лінії. Трансформатор із імпедансом 5,75 % надійно обмежує аварійний струм, але викликає глибше просідання напруги на затискачах двигуна. Трансформатор із імпедансом 4 % зменшує просідання напруги, але збільшує розрахунковий струм короткого замикання, який повинні витримувати номінальний струм низьковольтного автоматичного вимикача та механічна міцність шин. На фідерній лінії довжиною 700 м, що йде до вентиляційної камери посередині тунелю, імпеданс кабелю може спричиняти більше падіння напруги, ніж сам трансформатор.

Практичний досвід: ми виконуємо розрахунок пускового струму до того, як котирування тунелю залишає завод, а коли замовник надсилає лише перелік навантажень, ми надсилаємо одне запитання назад: який найбільший двигун, як його запускають і якої довжини кабель до нього? Ця єдина відповідь змінила вказані номінальні значення у більшій кількості тунельних проектів, ніж будь-який інший пункт у графіку.

 

Гармоніки ПЧВ змінюють режим роботи трансформатора для вентиляції тунелів

Майже кожен новий струминний вентилятор приводиться в дію за допомогою перетворювача частоти (VFD), оскільки вентилятор, що працює зі швидкістю 30 % у години низького навантаження, оплачує вартість свого перетворювача лише за рахунок економії енергії. Перетворювач також змінює те, що трансформатор «бачить» на своїх вторинних затискачах.

Шестипульсний привід споживає несинусоїдальний струм із загальним коефіцієнтом гармонік, який зазвичай становить від 25 % до 45 % на вході. Стандарт IEEE 519 встановлює граничне значення спотворення напруги на рівні 5 % для шини з напругою нижче 69 кВ і посилює обмеження спотворення струму зі зменшенням доступного струму короткого замикання. Тунелі розташовані в незручному кінці цієї кривої: довгі фідерні лінії, порівняно слабкі джерела живлення та кілька приводів, що підключаються до однієї вторинної шини.

Наслідком є те, що трансформатор, що живить приводи вентиляції тунелів, не можна вибирати лише за номінальною потужністю у кВА. Гармонійний струм призводить до додаткових вихрових і розсіяних втрат, через що температура «гарячої точки» в обмотках перевищує ту, що виникає при синусоїдальному навантаженні з такою самою повною потужністю. Саме тому ливаний епоксидний трансформатор трансформатор для тунельного проекту часто замовляють із рейтингом K-фактора, збільшеним нейтральним провідником або дельта-обмоткою, яка «захоплює» трикратні гармоніки, а також із класом температурної стійкості обмоток, що забезпечує запас міцності над розрахунковим навантаженням.

Наше емпіричне правило для розподільних щитів тунелів із живленням від приводів, де Гармоніки ПЧ домінувати: використовувати потужність підключеного приводу, додати запас на гармонійні втрати та вказати клас підвищення температури обмоток на один ступінь вище мінімальних вимог. Додаткові витрати включено в комерційну пропозицію. Вартість помилки стане відомою через сім років.

 

 

Пожежна безпека визначає технологію, а не ціну

Запитайте, чому майже кожна підстанція у тунелі використовує сухі трансформатори — і відповідь не пов’язана з ефективністю. Це питання пожежної безпеки. NFPA 502 (https://www.nfpa.org/codes-and-standards/nfpa-502-standard-development/502визначає вимоги щодо протипожежного захисту та забезпечення пожежної безпеки життя у дорожніх тунелях, мостах та інших автомагістралях з обмеженим доступом, а також вважає вентиляцію критично важливою функцією забезпечення життя, яка має працювати навіть під час пожежі.

Ця вимога безпосередньо поширюється й на трансформатор. Трансформатор з масляним охолодженням, розміщений у межах тунелю, потребує присутності горючої рідини, резервуару для утримання витоків, спеціального приміщення та додаткового протипожежного розділення, тому більшість проектантів уникують цих складнощів і вказують ливаний епоксидний трансформатор всередині отвору або в суміжному приміщенні. Стандарти на продукцію однозначно визначають вимоги, яким має відповідати такий пристрій: IEEE C57.12.01 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.01/6775/) стосується загальних вимог до сухих розподільних та силових трансформаторів, а IEC 60076-11 — до сухих силових трансформаторів напругою до 36 кВ.

Один нюанс упускають частіше за інші: трансформатор є таким самим надійним, як і його живлення. У разі, коли аварійне вентиляційне коло має зберігати цілісність під час пожежі, кабель і з’єднання повинні витримувати ті самі умови. Самозагасаючий литий епоксидний пристрій, підключений стандартним кабелем, — поширена й дорога невідповідність.

 

Тунельне середовище тихо впливає на обладнання

Повітря в тунелі вологе, пилове й помірно корозійне. Відносна вологість понад 85 % є типовою для вентиляційного стовбура; брухт від гальм і шин осідає на всіх горизонтальних поверхнях, а в разі прибережного тунеля до суміші додаються хлориди. Температура навколишнього середовища в стовбурі може сягати 40–45 °C у літній період — це вимірюється в тому місці, де фактично розташований трансформатор, а не біля входу в тунель.

Обмотки з епоксидною заливкою краще витримують такі умови, ніж обмотки сухого типу з обмоткою з ізоляційної стрічки, оскільки ливаний епоксидний трансформатор лиття герметизує обмотку, запобігаючи проникненню вологи. Проте технічні вимоги все одно мають враховувати конкретні умови експлуатації: нагрівальні елементи для запобігання конденсації, клемна коробка зі ступенем захисту IP та розрахункова температура навколишнього середовища, взята саме з параметрів стовбура, а не з регіонального середньорічного кліматичного показника.

Висота також має значення. На висоті 1500 м трансформатор втрачає майже 9 % густини повітря, необхідної для конвективного охолодження; отже, пристрій, який успішно пройшов випробування на підвищення температури на рівні моря, автоматично не вважається придатним для встановлення на гірській ділянці. Зверніться до постачальника з проханням вказати коефіцієнт зниження номінальних параметрів, що застосовується для умов вашого місця розташування (температура навколишнього середовища та висота над рівнем моря), а також надати розрахунок замість загальної кривої — саме таку перевірку ми проводимо для кожного трансформатор для вентиляції тунелів ми робимо пропозицію.

 

Що ми запитуємо перед тим, як надати цитату

П’ять пунктів визначають номінальні параметри, ціну та термін поставки трансформатора для тунелю. Якщо вони чітко вказані в запиті, цитата, як правило, надходить правильно вже при першому разі:

• Графік навантаження із виділенням найбільшого двигуна. Повідомте нас про спосіб його пуску та довжину кабелю від підстанції. Усе інше випливає з цього пункту.
• Тип приводу та їх кількість. Шестипульсний, дванадцятипульсний або активний вхідний каскад, а також доступний струм короткого замикання на низьковольтній шині — це визначає запас за гармоніками.
• Умови на місці. Проектні параметри навколишнього середовища, висоти над рівнем моря, вологості та сейсмічної категорії, що застосовуються до траси.
• Стратегія протипожежного захисту. Обладнання всередині тунельної оболонки, у спеціальній підстанції або на відстані — відповідь визначає, чи потрібен сухий або масляний трансформатор.
• Сертифікація та цільовий коефіцієнт корисної дії. Випробувальні звіти UL, CSA або IEC та рівень ефективності, передбачений країною призначення.

Ryan Electric виробляє сухі та маслонаповнені трансформатори для інфраструктурних та промислових проектів у Північній Америці, на Близькому Сході та в Південно-Східній Азії. Наш завод у Цзянсу займає площу 120 000 м², має понад 180 комплектів виробничого й випробувального обладнання, а сертифікаційний портфель включає UL, CSA, IEEE, DEKRA та CNAS. З 2023 року ми діємо як партнер Eaton у спільному підприємстві, що передбачає зовнішню перевірку наших випробувальних та якісних документів замість самодекларації. Замовлення на тунель обробляється так само, як і замовлення на центр обробки даних: дані рутинних випробувань, записи про підвищення температури та сертифікаційні файли поставляються разом із одиницею.

 

Надсилайте графік навантаження, а не лише кВА

Число, яке визначає трансформатор для вентиляції тунелів рідко є першим числом у списку навантаження. Надішліть нашим інженерам розклад навантаження, найбільший двигун, тип приводу та умови на місці, і ви отримаєте рейтинг, запас за гармоніками та розрахунок зниження номінальної потужності, який можна обґрунтувати під час перевірки проекту, а не просто назву на табличці, вибрану «на око».

Про автора: Цю статтю написала інженерна команда Ryan Electric — виробника трансформаторів у Цзянсу (Китай) та партнер-спільне підприємство Eaton з 2023 року, що постачає сухі та масляні трансформатори, сертифіковані за стандартами UL, CSA та IEC, для проєктів у тунелях, метрополітені, центрах обробки даних та енергетичних систем у Північній Америці, на Близькому Сході та в Південно-Східній Азії.