Rezonans harmoniczny transformatora: gdy korekcja współczynnika mocy działa przeciwko transformatorowi

Inżynier zakładu w Ohio przesłał nam skan termiczny w listopadzie zeszłego roku. Jednostka sucha o mocy 1500 kVA, pracująca z obciążeniem wynoszącym mniej więcej dwie trzecie obciążenia z tabliczki znamionowej, z gorącym punktem uzwojenia położonym około 22 stopnie powyżej wartości uzasadnionej krzywą obciążenia. Transformator przeszedł rutynowe testy trzy lata wcześniej i nic w jego dokumentacji nie wyjaśniało wydzielania ciepła. Przyczyną była bateria kondensatorów o mocy 600 kvar, znajdująca się dwie zatoki dalej, wykonująca dokładnie to zadanie, do jakiego została zakupiona.

Rezonans harmoniczny transformatoraprawie nigdy nie pojawia się w raporcie o błędach. Pojawia się jako gorący transformator, bezpiecznik kondensatora, który przepala się bez zapisu usterki, odbarwiony pasek neutralny i zespół konserwacyjny, który ciągle wymienia te same części. Poniżej znajduje się mechanizm, arytmetyka, która mówi Ci, czy Twoja witryna jest odsłonięta i co zmienić w specyfikacji przed zamówieniem kolejnej jednostki.

Czym właściwie jest rezonans harmoniczny transformatora

Każdy transformator ma impedancję źródła. Każdykorekta współczynnika mocybank ma pojemność. Umieść je na tej samej magistrali, a zbudujesz równoległy obwód rezonansowy, zwykle nie mając takiego zamiaru.

Przy częstotliwości rezonansowej obwód ten charakteryzuje się bardzo dużą impedancją dla prądów harmonicznych pochodzących z obciążeń nieliniowych. Prądy te nie mogą płynąć z powrotem do źródła, więc krążą pomiędzy baterią kondensatorów a uzwojeniem transformatora. Rośnie zniekształcenie napięcia, wzrasta prąd kondensatora, a transformator pochłania straty harmoniczne, do przenoszenia których nigdy nie został zaprojektowany. Porządek rezonansowy to obliczenia dwuwierszowe:

h=√(Ssc / Qc), gdzie Ssc to moc zwarciowa transformatora w kVA (z tabliczki znamionowej kVA podzielona przez impedancję jednostkową), a Qc to wartość znamionowa baterii kondensatorów w kvar.

Wzór jest celowo przybliżony i o to właśnie przybliżenie chodzi. Puszki kondensatorów są zbudowane z tolerancją pojemności około ±10%, a impedancja transformatora ma własną tolerancję produkcyjną. Obliczany porządek rezonansowy jest zatem pasmem, a nie linią. Bank, który w arkuszu kalkulacyjnym wygląda na bezpieczny, po zasileniu w instalacji może znajdować się bezpośrednio na 5. lub 7. harmonicznej.

Liczby: kiedy bank kondensatorów dostraja transformator

Weźmy zwykłą jednostkę przemysłową z Ameryki Północnej: 1500 kVA, 480 V, impedancja 5,75%. Wytrzymałość zwarciowa wynosi 1500/0,0575, czyli około 26,1 MVA. Teraz dodaj kondensatory korekcyjne w stopniach, które faktycznie instaluje instalacja, i obserwuj, gdzie wyląduje punkt rezonansowy.

Bank o mocy 600 kvar dostraja ten transformator do około 6,6 harmonicznej, a 7. harmoniczna wytwarzana przez dowolny sześciopulsowy napęd w autobusie mieści się w granicach kilku procent wartości szczytowej. Ta geometria jest podręcznikiemrezonans harmoniczny transformatorasprawa. W miejscach, w których występuje ten kondensator, regularnie obserwujemy prądy kondensatorów od 1,5 do 2,5 razy większe od wartości z tabliczki znamionowej, temperatury obudowy kondensatorów znacznie wyższe od temperatury otoczenia i THD napięcia przekraczające granicę 5% w punkcie wspólnego sprzężenia.

Oto część, której brakuje większości kupujących. Transformator jest zwykle ostatnim obwinianym elementem, a pierwszym uszkodzonym. Temperatura gorącego punktu rośnie cicho, izolacja starzeje się szybciej, niż zakładano, a urządzenie ulega awariom wiele lat wcześniej – co potwierdza raport z testów fabrycznych, który stwierdza, że ​​w dniu wysyłki każdy parametr mieścił się w granicach tolerancji.

Dlaczego obciążenia dodane od 2020 r. zwiększają prawdopodobieństwo rezonansu

Większość instalacji obciążonych tym ryzykiem została zaprojektowana na obciążenie liniowe: silniki, ogrzewanie rezystancyjne, starsze oświetlenie. Dodano kondensatory korekcyjne, ponieważ wymagał ich rachunek za media, dobrane w zależności od obciążenia silnika i przełączane w kilku krokach. Następnie obciążenie zmieniło się pod projektem.

Przetwornice częstotliwości w pompach i wentylatorach. Prostowniki sześciopulsowe w ładowarkach pojazdów elektrycznych włączono w usługę, która nigdy nie była dla nich wzorowana. Sterowniki LED, zasilacze serwerowe, nagrzewanie indukcyjne. Obiekt, który w 2005 roku był może w 10% nieliniowy, dzisiaj może być w 60% nieliniowy, nadal zasilany tym samym transformatorem i tą samą baterią kondensatorów.

Ograniczenia nie przesuwały się wraz z obciążeniem. Norma IEEE 519-2022 nadal wymaga, aby THD napięcia wynosiło 5% w punkcie wspólnego sprzężenia w systemach od 1 kV do 69 kV i 8% w systemach o napięciu 1 kV lub niższym, przy granicach zniekształceń prądu skalowanych według stosunku prądu zwarciowego do prądu obciążenia. Tabele pełnych limitów publikowane są na stronieStrona standardowa IEEE 519-2022.

Jak Transformer płaci rachunek

Prąd harmoniczny uderza w transformator w trzech miejscach. Straty wiroprądowe w uzwojeniach rosną w przybliżeniu wraz z kwadratem rzędu harmonicznego. Straty błądzące w zaciskach rdzenia, ścianach zbiorników i stali konstrukcyjnej rosną jeszcze szybciej. W systemie czteroprzewodowym przewód neutralny przenosi potrójne harmoniczne, które sumują się zamiast znosić, dlatego też przewód neutralny przegrzewa się przy obciążeniach, gdzie nikt nie spodziewał się problemu z przewodem neutralnym.

Z tego właśnie powodu istnieje IEEE C57.110: definiuje on, w jaki sposób obniżyć parametry transformatora, gdy prąd obciążenia nie jest sinusoidalny. Jednostka 1500 kVA o zwykłej wartości znamionowej K-1 nie jest jednostką 1500 kVA na magistrali z 40% zniekształceniem prądu. Norma UL 1561 podchodzi do tego samego problemu od strony produktu, określając współczynniki K - K-4, K-13 i K-20 - każdy opisujący, ile ciepła harmonicznego dana konstrukcja może pochłonąć bez przekraczania limitów temperatury izolacji. To jest punkt, w którymrezonans harmoniczny transformatorastaje się pozycją w budżecie na konserwację.

Objawy docierają do nas w dość przewidywalnej kolejności:

• Przepalają się bezpieczniki kondensatorów, nigdzie nie zarejestrowano żadnej usterki
• Poziom dźwięku transformatora wzrasta i staje się coraz bardziej nierówny w ciągu miesięcy
• Odbarwione przewody neutralne i uziemiające na zakończeniach
• Alarmy temperatury uzwojenia w dni, które nie są faktycznie gorące
• Potykanie się napędów w autobusie, który przeszedł rozruch bez reklamacji

Cztery sposoby określania rezonansu

Nie ma jednej poprawki. Właściwa odpowiedź zależy od tego, czy budujesz nową, czy poprawiasz istniejącą instalację, a także od tego, co faktycznie pokazuje pomiar, a nie od tego, co sugeruje diagram jednoliniowy. Sprzęt korekcyjny jest zwykle instalowany przez wykonawcę, który nigdy nie widzi impedancji transformatora, a właśnie tak jestkorekta współczynnika mocystaje się wyzwalaczem.

Odstrojone reaktory.Reaktor szeregowy 7% znajdujący się przed bankiem przesuwa rezonans szeregowy do mniej więcej 3,8 harmonicznej, poniżej jakiejkolwiek charakterystycznej harmonicznej wytwarzanej przez obciążenie sześciopulsowe. Bank następnie pochłania prąd o piątej i siódmej harmonicznej zamiast go wzmacniać. Kompromis jest realny: puszki muszą wytrzymać wyższe napięcie znamionowe, zazwyczaj kondensatory 525 V w systemie 480 V, a reaktor powoduje dodatkowe straty i ciepło wewnątrz obudowy.

Transformator klasy K.Uzwojenie K-4, K-13 lub K-20 z przewodem neutralnym o podwójnej średnicy nie usuwa rezonansu, ale zapobiega sytuacji, w której transformator jest elementem, który ulega awarii jako pierwszy. Określ, kiedy oczekuje się, że udział nieliniowy pozostanie wysoki.

Podziel lub krok banku.Dwa niezależnie przełączane stopnie 300 kvar utrzymują pojedynczy punkt rezonansowy z dala od charakterystycznej harmonicznej i odcinają prąd krążący na każdym stopniu. Jest to najtańszy retrofit, gdy bank jest już przewymiarowany.

Dostrojony lub aktywny filtr.Gdy zmierzone THD przekroczy limit 519, pasywne gałęzie dostrojone na 5. i 7. lub aktywny filtr to jedyne opcje, które przywracają zgodność obiektu. Areaktor odstrojonychroni sprzęt; nie naprawia witryny, która jest już poza limitami.

Pytania, które zadajemy przed wyceną impedancji

Impedancja to zmienna, którą faktycznie kontroluje producent transformatora, dlatego specyfikację należy ustalić z uwzględnieniem reszty systemu. Jeśli kupujący nie może odpowiedzieć na poniższe pytania, wartość impedancji w arkuszu danych jest kwestią domysłów.

• Jaka jest pojemność baterii kondensatorów i czy jest ona przełączana stopniowo?
• Jaki udział podłączonego obciążenia jest nieliniowy – napędy, prostowniki, ładowarki, UPS?
• Czy istnieje pomiar jakości energii, czy tylko rachunek za media?
• Czy załadowano substancję neutralną i jakiej oczekiwanej zawartości potrójnej?
• Czy specyfikacja wymaga współczynnika K lub obliczenia obniżenia wartości znamionowych zgodnie z IEEE C57.110?

Następnie impedancja, współczynnik K i wielkość neutralna są ustawiane razem. Dwie jednostki mogą wyglądać identycznie na tabliczce znamionowej – ta sama moc kVA, ten sam stosunek napięcia – i zachowywać się zupełnie inaczej w autobusie o dużym napędzie. Ruchoma impedancja procentowa przesuwa również porządek rezonansowy, dlatego nie dostosowujemy jej bez harmonogramu banku pod ręką.

Gdzie pasuje Ryan Electric

Budujemy transformatory suche i transformatory olejowe w zakładzie o powierzchni 120 000 m² w Jiangsu, dysponując 180+ zestawami sprzętu produkcyjnego i 37 patentami, a także wysyłamy zgodnie ze schematami UL, CSA lub IEC, w zależności od miejsca przeznaczenia. Od 2023 roku działamy jako partner joint venture firmy Eaton, co oznacza, że ​​nasze przeglądy projektów opierają się na tych samych kryteriach termicznych i harmonicznych, które stosują inżynierowie naszego partnera.

Praktyczny nawyk jest prosty. Jeśli projekt obejmuje baterię kondensatorów, przed opublikowaniem projektu uzwojenia prosimy o harmonogram banku i profil obciążenia. Kosztuje jednego e-maila i zawiera więcej niż jedną specyfikację, która umieściłaby punkt rezonansowy bezpośrednio na 7. harmonicznej. Prześlij nam schemat jednokreskowy, ocenę banku i profil obciążeniaRyan-Transformers.com. Wrócimy z zaleceniem dotyczącym impedancji, położeniem dławika, jeśli będzie potrzebne, i planem testów – i powiemy Ci, kiedy uczciwą odpowiedzią będzie filtr harmonicznych, a nie większy transformator.

O autorze:Ten artykuł został napisany przez zespół inżynierów w Ryan Electric, partnerze joint venture firmy Eaton i certyfikowanym przez UL/CSA producencie transformatorów w Jiangsu w Chinach, dostarczającym transformatory suche, zanurzone w oleju i montowane na podkładkach do centrów danych, projektów przemysłowych i użyteczności publicznej w Ameryce Północnej, na Bliskim Wschodzie i w Azji Południowo-Wschodniej.