Инженер завода из Огайо прислал нам результаты теплового сканирования в ноябре прошлого года. Блок сухого типа мощностью 1500 кВА, работающий примерно на двух третях номинальной нагрузки, с горячей точкой обмотки, расположенной примерно на 22 градуса выше значения, предусмотренного кривой нагрузки. Трансформатор прошел плановые испытания три года назад, и ничто в его документации не объясняло перегрев. Причиной была конденсаторная батарея на 600 квар, расположенная через два отсека, и выполняла именно ту работу, для которой была куплена.
Гармонический резонанс трансформаторапочти никогда не появляется в отчете об отказе. Это выглядит как горячий трансформатор, конденсаторный предохранитель, который перегорает без регистрации неисправностей, обесцвеченная нейтральная полоса и команда технического обслуживания, которая постоянно заменяет одни и те же детали. Ниже приведен механизм, арифметика, которая сообщает вам, доступен ли ваш сайт и что нужно изменить в спецификации перед заказом следующей единицы.
Что на самом деле представляет собой гармонический резонанс трансформатора
Каждый трансформатор имеет сопротивление источника. Каждыйкоррекция коэффициента мощностиу банка есть емкость. Поместите их на одну шину, и вы построите параллельную резонансную цепь, обычно даже не желая этого делать.
На резонансной частоте эта схема имеет очень высокий импеданс для гармонических токов, исходящих от нелинейных нагрузок. Эти токи не могут течь обратно к источнику, поэтому они циркулируют между батареей конденсаторов и обмоткой трансформатора. Искажение напряжения возрастает, ток конденсатора возрастает, а трансформатор поглощает гармонические потери, на которые он никогда не рассчитан. Резонансный порядок представляет собой двухстрочный расчет:
h=√(Ssc / Qc), где Ssc — мощность короткого замыкания трансформатора в кВА (паспортная табличка в кВА, деленная на удельное сопротивление), а Qc — номинальная мощность конденсаторной батареи в квар.
Формула намеренно приблизительна, и в этом приближении и состоит суть. Конденсаторные банки изготавливаются с допуском по емкости примерно ±10%, а импеданс трансформатора имеет собственный производственный допуск. Таким образом, рассчитанный вами резонансный порядок представляет собой полосу, а не линию. Банк, который выглядит безопасным в электронной таблице, может находиться прямо на 5-й или 7-й гармонике, как только на него подается питание.
Цифры: когда батарея конденсаторов настраивает ваш трансформатор
Возьмем обычную промышленную установку в Северной Америке: 1500 кВА, 480 В, полное сопротивление 5,75%. Мощность короткого замыкания составляет 1500/0,0575, или примерно 26,1 МВА. Теперь добавьте корректирующие конденсаторы на ступеньках, которые фактически будут установлены на заводе, и посмотрите, где окажется резонансная точка.
| Батарея конденсаторов (квар) | Резонансный порядок h | Ближайшая 6-импульсная гармоника | Контакт |
| 150 | 13.2 | 13th | Умеренный – измерьте, прежде чем предполагать |
| 300 | 9.3 | между 7 и 11 числами | Умеренный |
| 450 | 7.6 | 7th | Высокий |
| 600 | 6.6 | 7th | Высокий |
| 750 | 5.9 | 5th | Очень высокий |
| 900 | 5.4 | 5th | Очень высокий |
Банк мощностью 600 квар настраивает этот трансформатор примерно на 6,6-ю гармонику, а 7-я гармоника, создаваемая любым шестиимпульсным приводом на шине, попадает в пределах нескольких процентов от пикового значения. Эта геометрия - учебникгармонический резонанс трансформатораслучай. На объектах, где он установлен, мы обычно видим, что токи конденсаторов в 1,5–2,5 раза превышают паспортные данные, температура корпуса конденсатора значительно превышает температуру окружающей среды, а коэффициент нелинейных искажений напряжения превышает предел в 5 % в точке общего соединения.
Вот часть, которую упускают большинство покупателей. Трансформатор обычно является последним компонентом, который попадает в аварию и повреждается первым. Температура в горячих точках постепенно растет, изоляция стареет быстрее, чем предполагалось, и устройство выходит из строя на несколько лет раньше - в отчете о заводских испытаниях говорится, что в день поставки каждый параметр находился в пределах допуска.
Почему нагрузки, добавленные с 2020 года, повышают вероятность резонанса
Большинство установок, несущих этот риск, были рассчитаны на линейную нагрузку: двигатели, резистивное отопление, старое освещение. Корректирующие конденсаторы были добавлены, потому что их требовал счет за коммунальные услуги, они рассчитаны на нагрузку двигателя и переключаются в несколько этапов. Затем изменилась нагрузка под конструкцией.
Частотно-регулируемые приводы на насосах и вентиляторах. Шестипульсные выпрямители в зарядных устройствах для электромобилей были подключены к сервису, который для них никогда не моделировался. Светодиодные драйверы, серверные блоки питания, индукционный нагрев. Объект, который в 2005 году был нелинейным на 10%, сегодня может быть нелинейным на 60%, все еще работая на том же трансформаторе и той же батарее конденсаторов.
Пределы не сдвинулись с нагрузкой. IEEE 519-2022 по-прежнему требует, чтобы коэффициент нелинейных искажений напряжения составлял 5% в точке общего соединения в системах от 1 кВ до 69 кВ и 8% в системах с напряжением 1 кВ или ниже, при этом пределы искажения тока масштабируются по отношению тока короткого замыкания к току нагрузки. Полные таблицы лимитов опубликованы на сайтеСтандартная страница IEEE 519-2022.
Как трансформатор оплачивает счета
Гармонический ток попадает в трансформатор в трех местах. Потери вихревых токов в обмотках возрастают примерно пропорционально квадрату гармонического порядка. Случайные потери в зажимах активной зоны, стенках резервуаров и конструкционной стали растут еще быстрее. А в четырехпроводной системе нейтраль несет тройные гармоники, которые суммируются, а не уничтожаются, поэтому нейтраль перегревается при нагрузках, где никто не ожидал возникновения проблем с нейтралью.
Именно по этой причине существует стандарт IEEE C57.110: он определяет, как снизить мощность трансформатора, когда ток нагрузки несинусоидальный. Блок мощностью 1500 кВА с номиналом K-1 не является блоком мощностью 1500 кВА на шине с искажением тока 40 %. UL 1561 решает ту же проблему со стороны продукта с помощью рейтингов К-фактора - K-4, K-13 и K-20, каждый из которых описывает, сколько гармонического тепла может поглотить данная конструкция, не превышая пределов температуры изоляции. Это точка, гдегармонический резонанс трансформаторапревращается в отдельную статью в бюджете на обслуживание.
Симптомы доходят до нас в довольно предсказуемом порядке:
- Предохранители конденсаторов перегорают, неисправностей нигде не зафиксировано
- Уровень шума трансформатора растет и становится все жестче с течением месяцев
- Обесцвеченные нейтральные и заземляющие провода на клеммах.
- Сигнализация температуры обмотки в дни, когда на самом деле не жарко
- Диски спотыкаются на автобусе, прошедшем пуско-наладку без нареканий
Четыре способа обойти резонанс
Единого исправления не существует. Правильный ответ зависит от того, строите ли вы новую или корректируете существующую установку, а также от того, что на самом деле показывают измерения, а не от того, что подразумевает однолинейная диаграмма. Корректирующее оборудование обычно устанавливается подрядчиком, который никогда не видит импеданса трансформатора, и именно таккоррекция коэффициента мощностистановится триггером.
Расстроенные реакторы.Последовательный реактор 7% перед блоком перемещает последовательный резонанс примерно до 3,8-й гармоники, что ниже любой характерной гармоники, создаваемой шестиимпульсной нагрузкой. Затем батарея поглощает ток 5-й и 7-й гармоник, а не усиливает его. Компромисс реален: банки должны выдерживать более высокое номинальное напряжение, обычно это конденсаторы на 525 В в системе на 480 В, а реактор увеличивает потери и нагрев внутри корпуса.
Трансформатор класса К.Обмотка K-4, K-13 или K-20 с двойной нейтралью не устраняет резонанс, но не позволяет трансформатору стать компонентом, который выходит из строя первым. Укажите его, если ожидается, что доля нелинейности останется высокой.
Разделите или шагните банк.Две ступени по 300 квар, переключаемые независимо, удерживают любую резонансную точку в стороне от характеристической гармоники и отсекают циркулирующий ток на каждой ступени. Это самая дешевая модернизация, когда банк уже слишком велик.
Настроенный или активный фильтр.Как только измеренный коэффициент нелинейных искажений превышает пределы 519, пассивные ветви, настроенные на 5-ю и 7-ю, или активный фильтр являются единственными вариантами, которые возвращают объект в соответствие. Арасстроенный реакторзащищает оборудование; он не исправляет сайт, который уже вышел за пределы.
| Подход | Убирает резонанс? | Исправляет существующий THD? | Осторожность |
| 7% расстроенный реактор | Да - переключает ниже 5-й | Частично | Более высокое номинальное напряжение конденсатора; тепло реактора |
| Трансформатор класса К | Нет | Только трансформатор | Не защищает конденсаторную батарею |
| Разделение шагов конденсатора | Уменьшает его | Нет | Больше контакторов; переключение переходных процессов |
| Настроенный или активный фильтр | Да | Да | Расходы; сначала необходимо гармоническое исследование |
Вопросы, которые мы задаем, прежде чем назначать импеданс
Импеданс — это переменная, которую фактически контролирует производитель трансформатора, поэтому характеристики следует устанавливать с учетом остальной части системы. Если покупатель не может ответить на вопросы ниже, значение импеданса в таблице данных является догадкой.
- Какова номинальная мощность конденсаторной батареи и ступенчато ли она переключается?
- Какая доля подключаемой нагрузки является нелинейной — приводы, выпрямители, зарядные устройства, ИБП?
- Есть ли измерение качества электроэнергии или только счет за коммунальные услуги?
- Загружена ли нейтральная, и какой тройной контент ожидается?
- Требует ли спецификация использования К-фактора или расчета снижения номинальных характеристик в соответствии с IEEE C57.110?
Затем импеданс, К-фактор и нейтральный размер устанавливаются вместе. Два устройства могут выглядеть одинаково на паспортной табличке — одинаковая кВА, одинаковый коэффициент напряжения — и совершенно не похоже вести себя на шине с большой нагрузкой. Перемещение процентного импеданса также перемещает резонансный порядок, поэтому мы не регулируем его, не имея под рукой графика банка.
Где место Райана Электрика
Мы производим сухие и масляные трансформаторы на заводе площадью 120 000 м² в Цзянсу, располагая 180+ комплектами производственного оборудования и 37 патентами, а также осуществляем доставку по схемам UL, CSA или IEC в зависимости от пункта назначения. С 2023 года мы работаем в качестве партнера совместного предприятия Eaton, а это означает, что наши проверки конструкции соответствуют тем же критериям тепловых и гармонических характеристик, которые применяются инженерами нашего партнера.
Практическая привычка проста. Если проект включает в себя батарею конденсаторов, мы запрашиваем график работы батареи и профиль нагрузки до того, как будет опубликован проект обмотки. Это стоит одного электронного письма и уловило более одной спецификации, которая поставила бы резонансную точку непосредственно на 7-й гармонике. Отправьте нам однолинейную диаграмму, рейтинг банка и профиль нагрузки черезryan-transformers.com. Мы вернемся с рекомендацией по импедансу, расположением реактора, если он необходим, и планом испытаний - и мы скажем вам, когда честным ответом будет фильтр гармоник, а не более мощный трансформатор.
Об авторе:Эта статья написана командой инженеров Ryan Electric, партнера по совместному предприятию Eaton и сертифицированного UL/CSA производителя трансформаторов в Цзянсу, Китай, который поставляет сухие, масляные и навесные трансформаторы для центров обработки данных, промышленных и коммунальных проектов в Северной Америке, на Ближнем Востоке и в Юго-Восточной Азии.
