변압기 고조파 공명: 역률 보정이 변압기에 대해 작동하는 경우

오하이오주의 한 공장 엔지니어가 지난 11월 열 스캔을 우리에게 보냈습니다. 1,500kVA 건식 장치는 명판 부하의 약 2/3에서 작동하며 구불구불한 핫스팟은 부하 곡선이 정당화한 것보다 약 22도 위에 있습니다. 변압기는 3년 전에 일상적인 테스트를 통과했지만 파일에는 열에 대한 설명이 전혀 없습니다. 원인은 두 베이 떨어진 곳에 있는 600kvar 커패시터 뱅크로 인해 구입한 작업을 정확히 수행하고 있었습니다.

변압기 고조파 공진실패 보고서에는 거의 나타나지 않습니다. 뜨거운 변압기, 고장 기록 없이 끊어지는 콘덴서 퓨즈, 변색된 중성선, 그리고 같은 부품을 계속 교체하는 유지보수팀의 모습으로 등장합니다. 다음은 귀하의 사이트가 노출되는지 여부, 다음 장치를 주문하기 전에 사양에서 무엇을 변경해야 하는지를 알려주는 메커니즘, 산술입니다.

변압기 고조파 공명은 실제로 무엇입니까?

모든 변압기에는 소스 임피던스가 있습니다. 모든역률 보정은행에는 용량이 있습니다. 두 개를 동일한 버스에 배치하면 일반적으로 의도하지 않은 병렬 공진 회로를 구축하게 됩니다.

공진 주파수에서 해당 회로는 비선형 부하에서 나오는 고조파 전류에 대해 매우 높은 임피던스를 나타냅니다. 이러한 전류는 소스 쪽으로 다시 흐를 수 없으므로 커패시터 뱅크와 변압기 권선 사이를 순환합니다. 전압 왜곡이 증가하고 커패시터 전류가 증가하며 변압기는 전달하도록 설계되지 않은 고조파 손실을 흡수합니다. 공진 순서는 두 줄로 계산됩니다.

h=√(Ssc / Qc), 여기서 Ssc는 kVA(명판 kVA를 단위당 임피던스로 나눈 값) 단위의 변압기 단락 용량이고 Qc는 kvar 단위의 커패시터 뱅크 정격입니다.

공식은 의도적으로 대략적인 것이며, 그 근사치가 핵심입니다. 커패시터 캔은 약 ±10%의 정전 용량 허용 오차로 제작되었으며 변압기 임피던스에는 자체 제조 허용 오차가 있습니다. 따라서 계산한 공진 순서는 선이 아니라 대역입니다. 스프레드시트에서 안전해 보이는 뱅크는 일단 플랜트에 전원이 공급되면 5차 또는 7차 고조파에 정확히 위치할 수 있습니다.

숫자: 커패시터 뱅크가 변압기를 튜닝하는 경우

일반적인 북미 산업용 장치를 예로 들어보겠습니다: 1,500kVA, 480V, 5.75% 임피던스. 단락 용량은 1,500 / 0.0575 또는 대략 26.1 MVA입니다. 이제 공장이 실제로 설치하는 단계에 보정 커패시터를 추가하고 공진점이 어디에 도달하는지 관찰하세요.

600kvar 뱅크는 해당 변압기를 약 6.6차 고조파로 조정하고 버스의 6펄스 드라이브에서 생성된 7차 고조파는 피크의 몇 퍼센트 내에 도달합니다. 그 기하학은 교과서이다변압기 고조파 공진사례. 현장에서는 명판의 1.5~2.5배에 달하는 커패시터 전류, 주변 온도보다 훨씬 높은 커패시터 케이스 온도, 공통 커플링 지점에서 전압 THD가 5% 한계를 넘는 것을 일상적으로 볼 수 있습니다.

대부분의 구매자가 놓치는 부분이 바로 여기에 있습니다. 일반적으로 변압기는 비난을 받는 마지막 구성 요소이고 가장 먼저 손상되는 구성 요소입니다. 핫스팟 온도는 조용히 상승하고 단열재는 예상 설계 수명보다 빠르게 노화되며 장치는 수년 일찍 고장납니다. 공장 테스트 보고서에는 모든 매개변수가 배송 당일 허용 오차 내에 있었다는 내용이 나와 있습니다.

2020년 이후 추가된 하중으로 인해 공진 가능성이 높아지는 이유

이러한 위험을 안고 있는 대부분의 공장은 선형 부하(모터, 저항 가열, 오래된 조명)용으로 설계되었습니다. 수정 커패시터는 공과금 청구서에 따라 추가되었으며, 모터 부하에 맞게 크기가 조정되고 몇 단계만으로 전환되었습니다. 그런 다음 디자인 아래에서 하중이 변경되었습니다.

펌프와 팬의 가변 주파수 드라이브. EV 충전기의 6펄스 정류기는 결코 모델링되지 않은 서비스에 볼트로 고정되어 있습니다. LED 드라이버, 서버 전원 공급 장치, 유도 가열. 2005년에는 10% 비선형이었던 시설이 오늘날에는 60% 비선형이 되어 여전히 동일한 변압기와 동일한 커패시터 뱅크를 운영할 수 있습니다.

한계는 부하에 따라 움직이지 않았습니다. IEEE 519-2022는 여전히 1kV ~ 69kV 시스템의 공통 커플링 지점에서 5%의 전압 THD를 요구하고, 1kV 이하의 시스템에서는 8%를 요구하며, 전류 왜곡 제한은 단락 전류 대 부하 전류의 비율에 따라 조정됩니다. 전체 한도 표는IEEE 519-2022 표준 페이지.

변압기가 청구서를 지불하는 방법

고조파 전류는 세 곳의 변압기에 닿습니다. 권선의 와전류 손실은 대략 고조파 차수의 제곱에 따라 증가합니다. 코어 클램프, 탱크 벽 및 구조용 강철의 표유 손실은 더욱 빠르게 증가합니다. 그리고 4선 시스템에서 중성선은 취소하는 대신 추가되는 삼중 고조파를 전달하므로 아무도 중성 문제를 예상하지 못한 부하에서 중성선이 과열됩니다.

이것이 바로 IEEE C57.110이 존재하는 이유입니다. 이는 부하 전류가 비정현파일 때 변압기의 성능을 감소시키는 방법을 정의합니다. 일반 K-1 등급의 1,500kVA 장치는 전류 왜곡이 40%인 버스의 1,500kVA 장치가 아닙니다. UL 1561은 K-인수 등급(K-4, K-13 및 K-20)을 사용하여 제품 측면에서 동일한 문제에 접근합니다. 각각은 주어진 설계가 절연 온도 한계를 초과하지 않고 흡수할 수 있는 고조파 가열의 양을 설명합니다. 이것이 바로 지점이다변압기 고조파 공진유지관리 예산의 항목으로 변경됩니다.

증상은 상당히 예측 가능한 순서로 나타납니다.

• 어디에도 기록되지 않은 결함으로 커패시터 퓨즈가 끊어졌습니다.
• 몇 달에 걸쳐 변압기 소음 수준이 높아지고 점점 더 거칠어집니다.
• 종단의 변색된 중성 및 접지 도체
• 실제로 덥지 않은 날에는 온도 경보가 울립니다.
• 불만 없이 시운전을 통과한 버스에서 드라이브가 트립되는 현상

공명에 대한 사양을 지정하는 4가지 방법

단일 수정 사항이 없습니다. 정답은 새 공장을 짓는 것인지 기존 공장을 수정하는 것인지, 단선 다이어그램이 암시하는 것보다는 실제로 측정값이 무엇을 나타내는지에 따라 달라집니다. 교정 장비는 일반적으로 변압기 임피던스를 전혀 보지 못하는 계약자가 설치합니다.역률 보정방아쇠가 됩니다.

디튜닝된 원자로.뱅크 앞에 있는 7% 직렬 리액터는 직렬 공진을 6펄스 부하가 생성하는 특정 고조파보다 낮은 대략 3.8차 고조파로 이동합니다. 그런 다음 뱅크는 증폭하는 대신 5차 및 7차 고조파 전류를 흡수합니다. 절충안은 현실입니다. 캔은 더 높은 정격 전압(일반적으로 480V 시스템에서 525V 커패시터)을 전달해야 하며 리액터는 인클로저 내부에 손실과 열을 추가합니다.

K등급 변압기.두 배 크기의 중성선이 있는 K-4, K-13 또는 K-20 권선은 공진을 제거하지 않지만 변압기가 먼저 고장나는 구성 요소가 되는 것을 방지합니다. 비선형 점유율이 높게 유지될 것으로 예상되는 경우 이를 지정합니다.

은행을 분할하거나 단계화하십시오.독립적으로 전환되는 두 개의 300kvar 단계는 단일 공진 지점을 특성 고조파로부터 멀리 유지하고 각 단계에서 순환 전류를 차단합니다. 은행이 이미 대형화되었을 때 가장 저렴한 개조입니다.

조정된 필터 또는 활성 필터.측정된 THD가 519 제한을 초과하면 5번째와 7번째로 조정된 수동 분기 또는 능동 필터가 사이트를 다시 규정 준수 상태로 되돌리는 유일한 옵션입니다. 에이이조 반응로장비를 보호합니다. 이미 제한을 벗어난 사이트는 수정되지 않습니다.

임피던스를 인용하기 전에 묻는 질문

임피던스는 변압기 제조업체가 실제로 제어하는 ​​변수이므로 시스템의 나머지 부분을 고려하여 사양을 설정해야 합니다. 구매자가 아래 질문에 대답할 수 없는 경우 데이터시트의 임피던스 값은 추측입니다.

• 커패시터 뱅크 정격은 무엇이며 단계적으로 전환됩니까?
• 드라이브, 정류기, 충전기, UPS 등 연결된 부하 중 비선형적인 부분은 어느 정도입니까?
• 전력 품질 측정이 있습니까, 아니면 공공요금 청구서만 있습니까?
• 뉴트럴이 탑재됐고, 트리플렌 콘텐츠는 어떤 것으로 예상되나요?
• 사양에서는 IEEE C57.110에 따른 K-인자 또는 경감 계산을 요구합니까?

그런 다음 임피던스, K-인자 및 중립 크기 조정이 함께 설정됩니다. 두 장치는 명판에서 동일하게 보일 수 있습니다(동일한 kVA, 동일한 전압 비율). 드라이브가 많은 버스에서는 전혀 다르게 동작하지 않습니다. 이동 백분율 임피던스도 공진 순서를 이동하므로 뱅크 일정이 없으면 이를 조정하지 않습니다.

Ryan Electric이 적합한 곳

우리는 180+개의 생산 장비 세트와 37개의 특허를 통해 장쑤성의 120,000m² 규모 공장에서 건식 및 침지형 변압기를 제작하고 목적지에 따라 UL, CSA 또는 IEC 체계에 따라 배송합니다. 2023년부터 우리는 Eaton 합작 투자 파트너로 운영되어 왔습니다. 즉, 우리의 설계 검토는 파트너의 엔지니어가 적용하는 것과 동일한 열 및 고조파 기준에 따라 실행됩니다.

실제 습관은 간단합니다. 프로젝트에 커패시터 뱅크가 포함된 경우 권선 설계가 출시되기 전에 뱅크 일정과 부하 프로필을 요청합니다. 이메일 한 통의 비용이 들고, 7차 고조파에 직접 공진점을 주차할 수 있는 사양을 두 개 이상 포착했습니다. 단일 라인 다이어그램, 은행 등급 및 로드 프로필을 다음을 통해 보내주십시오.라이언-transformers.com. 우리는 임피던스 권장 사항, 필요한 경우 리액터 위치 및 테스트 계획을 가지고 돌아올 것입니다. 그리고 정직한 대답이 더 큰 변압기가 아닌 고조파 필터인 경우 알려 드리겠습니다.

저자 소개:이 기사는 Eaton 합작 투자 파트너이자 중국 장쑤성의 UL/CSA 인증 변압기 제조업체인 Ryan Electric의 엔지니어링 팀이 작성했으며, 북미, 중동 및 동남아시아 전역의 데이터 센터, 산업 및 유틸리티 프로젝트에 건식, 오일 침지 및 패드 장착형 변압기를 공급하고 있습니다.