CApacitor FAILURE EinNALYSE: Ein TROBLEMBEHEBUNG CASE STUDY

Autor: Thomas M. Blooming, P.E. t.blooming @ ieee.org, Eaton Electrical Asheville, North Carolina

1.0 Einführung

Ein Stahlverarbeitungsbetrieb erlebte unerklärliche Ausfälle Kondensator und Sicherungsoperationen in einer automatisch geschaltete Kondensatorbank. Die Anlage rollt und verzinkt Stahlblech für die Automobilindustrie. Jedes Problem, das mit Produktionspläne stört betrifft die untere Linie. Mit erhöhter Produktivität Anforderungen, die Anlage nicht leisten können, Arbeitsstunden, um wiederkehrende Probleme zu widmen. Das Anlagenpersonal benötigen, um Probleme zu lösen, wenn sie auftreten, anstatt weiterhin gescheitert Geräte zu ersetzen oder neu zu starten Shut-down-Prozesse.

Die Aufrechterhaltung eines akzeptablen Leistungsfaktor ist wichtig, die Pflanze, weil die Nutzungsrate Struktur eine Strafe für niedrigen Leistungsfaktor. Die Buchhaltung habe bemerkt, eine Reduzierung der Stromrechnung, wenn die Kondensatoren wurden hinzugefügt, beweisen, dass sie auf jeden Fall beitragen, um unter dem Strich.

Aufgrund der variablen Last auf eines der Pflanze 480 V-Busse, die Leistungsfaktor-Korrektur erforderlich, Anlagenbauer wählte eine automatisch geschaltete Kondensatorbank mit vier variablen Schritte. Bei Kondensatoren und Sicherungen in der Bank begann zu scheitern die Stromrechnung erhöht und Anlagenprozesse waren betroffen.

2.0 Elektro-Power System

2.1. Systembeschreibung

Eine vereinfachte einzeilige Diagramm, das die Teile des Stromsystems mit Bezug auf dieses Papier wird in Abbildung 1.

Abbildung 1. One-Liniendiagramm der Power System

Die Verarbeitungsanlage Stahl bei serviert 13.2 kV am Ende einer radialen Kopfverteilerleitung. Diese Linie hat eine relativ niedrige Kurzschluss MVA für dieses Spannungspegel. Der Kurzschluss MVA bei 13.2 kV ist 55 MVA mit einer X / R-Verhältnis von 2.99. Aus der Mess, Es gibt vier Transformatoren dienen verschiedenen Teile der Pflanze. Diese Transformatoren reichen von 1000 zu 3000 kVA.

Einer der Transformatoren, ein 13.2 kV-480Y/277 V, 1500 kVA Delta-Stern mit einer Masse 5.6% Impedanz, dient die 480 V-Bus, wo die automatisch geschaltete Kondensatorbank installiert ist. Es ist diese Bank, die erlebt hat Kondensatorausfälle und Sicherungsoperationen.

Die Kondensatorbank enthält zwei 50 kvar festen Schritten und vier schaltet Schritte 50 kvar jeweils für insgesamt 300 links. Die Kondensatoren, aus denen jeder der Schritte 16.67 links, Drei-Phasen-Zellen. Alle Bewertungen sind kvar 480 IN. Keiner der Schritte sind als Oberwellenfilter konfiguriert. Jeder 50 kvar Gruppe durch einen eigenen Satz von Strombegrenzungssicherungen abgesichert. Die Schritte wechseln in die und aus der Service automatisch auf dem Leistungsfaktor-Korrektur-Regelalgorithmus in der Bank auf Basis.

Die variablen Stufen in der Bank mittels elektromechanische Schütze schaltet. Der Regelalgorithmus schaltet Schritte in die und aus, um eine Ziel-Leistungsfaktor zu erhalten. Es ist eine Zeitverzögerung beim Einschalten, entweder Hinzufügen oder Entfernen von Kondensatoren, auf die Jagd zu vermeiden, das übermäßige Schalt in und aus einem Schritt.

Der Steueralgorithmus vermeidet Schalt in einem Schritt innerhalb einer Minute, nachdem es getrennt wurde. Dies ermöglicht fangene Ladung auf weniger als zerstreuen 50 V ist, bevor Sie sie. Dies geschieht so, dass die Kondensatoren nicht in der Leistungsfaktor-Strafen. In, wenn sie eine eingeschlossene Ladung Veröffentlichung System eingeschaltet, Kapazität war kein Problem an diesem die zu einer übermäßigen Vermittlungsdienst führen könnte. Eine mehrstufige, automatisch eingeschaltet Bank transiente. wurde aufgrund der intermittierenden Natur der gewählten

Diese beiden Einschränkungen ermöglichen kurze Zeit, wenn die Leistungsfaktor-Kriterium nicht erfüllt ist. Per Saldo, jedoch, der Gesamtleistungsfaktor von einem Nachfragesicht ist über dem eingestellten Niveau.

Die Last auf diese 480 V-Bus vier DC-Antriebe, von zwei Trenntransformatoren serviert (zwei Laufwerke pro Trafo). Diese Antriebe arbeiten intermittierend, wie die Prozessanforderungen. Die Durchschnittsbelastung des Haupt 1500 kVA-Transformator war 550 Ein Maximal 990 Ein während der Messungen. Die Laufwerke sind die einzigen bedeutenden harmonischen Quellen auf dem Bus. Wenn die Antriebe ziehen ihre maximale Strom, sie umfassen ungefähr 40% der Buslast. Diese nicht sehr oft passieren, jedoch.

Mit den Leistungs-Kondensatoren, Die Verarbeitungsanlage profitiert von Stahl Spannungsstützung zusätzlich zu Einsparungen durch Reduktion viele der Lasten auf diesem Bus kosten.

2.2 Beschreibung des Problems

Die Verarbeitungsanlage wurde Stahl Probleme mit der automatisch geschaltete Kondensatorbank für einige Zeit, bevor sie das Problem untersucht. Das Problem war nicht sofort entdeckt, weil die Bank nicht regelmäßig überprüft. Das Problem wurde erstmals in der Stromrechnung bemerkt. Ständige Überwachung vor Ort kann das Problem früher erkannt haben.

Die natürliche erste Aktion war, ersetzen Sie einfach die Sicherungen durchgebrannt, die gefunden wurden. Es wurde später festgestellt, dass einige Kondensatorzellen waren auch nicht. Diese wurden ebenfalls ersetzt. Wenn die Probleme blieb eine detaillierte Untersuchung wurde durchgeführt,.

Zum Zeitpunkt der Messungen, einige Sicherungen durchgebrannt und einige Kondensatorzellen gescheitert. Die Sicherungen in variablen Stufen 1 und 4 geblasen wurden und eine der drei 16.7 links (Dreiphasen) Zellen in Schritt 3 hatte sich so Schritt für gescheitert 3 nur belieferte 33.3 kvar eher als seine Nenn 50 links.

Während der Messungen, die durchgeführt wurden war keine offensichtliche Ursache beobachtet. Entweder war das Problem durch kumulative Effekte über die Zeit oder es war ein vorübergehendes Problem, das während der Messungen nicht entstanden.

Die Tatsache, dass Fehler nicht während der Messungen auftreten, machte eine weitere Analyse notwendig, um die Ursache des Problems zu ermitteln. Wenn während der Messungen Fehler aufgetreten, die Messdaten zum Zeitpunkt der Defekt könnte analysiert worden und kann die Ursache ermittelt wurden viel früher.

3.0 Power System Messungen

3.1 Harmonic Messergebnisse

Mögliche Ursachen für die Kondensatorausfälle und Sicherungsoperationen enthalten übermäßige Oberschwingungen und Transienten (Überspannungen). Messungen wurden durchgeführt, um die harmonischen Spannungen und Ströme in den Kondensatoren, um zu untersuchen, ob Harmonischen die Ursache der Fehler zu quantifizieren. Der Leistungsmonitor für diese Messungen verwendet würde auch Transienten zu fangen, wenn sie auftreten sollte. Messungen wurden auch an anderen Teilen des Antriebssystems durchgeführt,, einschließlich der Gleichstromantrieben, die bekannt sind, um Oberwellen verursachen, als Teil einer größeren Studie Aufwand.

Die Durchschnittswerte für die Spannung Klirrfaktor (THD) und die rms, fundamental, und harmonische Spannungen an der Kondensatorbank mit verschiedenen kvar Schritt Konfigurationen sind in der Tabelle dargestellt 1. Alle Konfigurationen sind auch die 100 linken festen Schritt. Alle angegebenen Werte sind Durchschnittswerte Drei-Phasen-. Alle Oberschwingungen in Prozent des Grund gegeben.

Höherer Ordnung, auch Oberschwingungen, wie die 8^th, 10^th, 12^th, 14^th, et cetera in der Regel nicht gemeldet, aber in diesem Fall waren. Dies wurde getan, um eine mögliche harmonische Resonanzbedingung in der Nähe dieser Frequenzen zu untersuchen.

Die Durchschnittswerte für den aktuellen und den THD rms, fundamental, und Oberschwingungsströme in der Kondensatorbank mit verschiedenen Konfigurationen kvar Schritt fließen, werden in der Tabelle dargestellt 2. Alle Konfigurationen sind auch die 100 linken festen Schritt. Alle angegebenen Werte sind Durchschnittswerte Drei-Phasen-. Alle Oberschwingungen in Prozent des Grund gegeben.

Die Durchschnittswerte für den aktuellen und den THD rms, fundamental, Oberschwingungsströme und in mehreren anderen wichtigen Standorten fließen, sind in Tabelle präsentiert 3. Alle angegebenen Werte sind Durchschnittswerte Drei-Phasen-. Alle Oberschwingungen in Prozent des Grund gegeben. Für die DC-Antrieben, Alle Daten werden in Zeiten erheblichen Belastung vorgestellt. Zeit, wenn die Laufwerke wurden nicht in Betrieb ist nicht in der Antriebsdaten enthalten.

Tabelle 1. Capacitor Spannungsmessung Zusammenfassung

Tabelle 2. Kondensator Strommessung Zusammenfassung

Tabelle 3. Laststrom-Messung-Zusammenfassung

Die Messungen zeigen, relativ hohe, aber nicht ungewöhnlich, Ebenen der Harmonischen, die von der Impulsbreite modulierten erzeugten (PWM) Antriebe. Vergleich, die Oberschwingungen in der Kondensatorbank und im Transformator viel höher als erwartet Ebenen der 11^th und 13^th Oberschwingungen in Bezug auf die Oberschwingungen in das System eingespritzt von den Antrieben. Dies deutet auf eine harmonische Resonanzbedingung. Dieses Phänomen wird in Abschnitt IV erforscht, Harmonische Analyse.

3.2 Transient Messergebnisse

Im Verlauf der Messungen waren nur wenige bedeutende Transienten gemessen, von denen keine zu erwarten, dass Probleme verursachen werden. Die höchste Spannungssprung war 1.74 Einheit. Keine der Transienten mit signifikant hohen Spannung dauerte mehr als 50 us.

Die einzigen Spannungsspitzen, die entsprechenden Erhöhungen der laufenden hatten, wurden einige Kondensatorschaltspitzen. Daran erinnern, dass das Ziel ist, um die Ursache der Sicherungsoperationen sowie die Kondensator Fehler zu finden. Deshalb ist aktuell auch von Interesse, nicht nur Spannung. Der aufgezeichneten Übergänge ist in Fig. gezeigten 7 und wird in Abschnitt VI diskutiert.

4.0 Harmonische Analyse

IEEE Std 519-1992 [2] diskutiert die möglichen Auswirkungen von Oberwellen auf Kondensatoren. Teile des § 6.5 diesem Dokument werden im Folgenden vorgestellt:

Ein Hauptproblem aufgrund der Verwendung von Kondensatoren in einem Energiesystem ist die Möglichkeit, Systemresonanz. Dieser Effekt legt Spannungen und Ströme, die wesentlich höher sind als der, die ohne Resonanz. Die Reaktanz einer Kondensatorbank mit der Frequenz abnimmt,, und die Bank, deshalb, fungiert als Senke für höhere harmonische Ströme. Dieser Effekt erhöht die Erwärmung und dielektrische Belastungen. Das Ergebnis der erhöhten Wärme-und Spannungsbeanspruchungen, die durch Oberschwingungen gebracht ist eine verkürzte Lebensdauer des Kondensators.

Hinzufügen von Kondensatoren bewirkt, daß die Stromversorgungssystem auf eine bestimmte Oberschwingung abgestimmt werden,. Dies wird als Parallelresonanz zwischen den Kondensatoren und der Quelle, (inkl. Trafo) Induktivität. Ein Parallelresonanz eine hohe Impedanz zu injizierenden Harmonischen bei oder nahe der Resonanzfrequenz. Dies sollte nicht mit Serienresonanz verwechseln, die im Oberwellenfilter verwendet wird, um eine niedrige Impedanz zu einer bestimmten Frequenz zu präsentieren, um diese Frequenz aus dem System zu entfernen.

Wenn die Parallelresonanzfrequenz in der Nähe injiziert harmonischen Frequenzen innerhalb der Anlage, Spannungen und Ströme bei diesen Frequenzen werden verstärkt. Dies ist umso wahrscheinlicher, wenn die Kondensatorbank ist eine Bank geschaltet mit mehreren Stufen, da es mehrere mögliche Resonanzfrequenzen. Resonance in erhöhte harmonische Problemen führen und kann zu Ausfällen führen Kondensator.

Berechnungen wurden durchgeführt, um die Resonanzfrequenz des Stromsystems mit unterschiedlicher Kapazität zu schätzen Online. Die Resonanzfrequenz eines Systems, an einem Transformator-Sekundär, kann mit der folgenden Formel abgeschätzt werden. h die abgestimmten Harmonischen des Systems, XC ist die kapazitive Impedanz aller an den sekundären Bus des Transformators geschalteten Kondensatoren, und XDie ist die induktive Impedanz des Transformators (sowie primäre Quelle induktive Impedanz, wenn verfügbar).

Die Informationen für Trafo #3 ist wie folgt:: 1500 kVA, Z = 5,6%, 13.2 kV-480Y/277 V. Der Kurzschluss in der MVA 13.2 kV-Ebene (Primärseite des Transformators) ist 55 MVA mit einer X / R-Verhältnis von 2.99. Die Resonanzfrequenz Berechnungen ergaben die in der Tabelle aufgeführten Ergebnisse 4.

Oberwellenimpedanz Scans werden in Abbildung 2. Diese Scans zeigen die Impedanz in einem Bereich von Frequenzen für die drei Systemkonfigurationen. Die erste Konfiguration ist ohne Kondensatoren oder Filter zur Transformator-Sekundär verbunden. Die zweite Konfiguration ist mit 150 kvar Online-, wie es oft der Fall bei den Messungen. Die dritte configurationis mit einem 150 kvar Kondensatorbank ersetzt mit A4.7^th Oberwellenfilter.

Tabelle 4. Resonanzfrequenz Berechnungen

Die Impedanz Scans ohne Pflanzen Belastungen auf das System für ein Worst-Case-Analyse verbunden geführt. Anschlusswerte sind in der Regel feucht, und leicht zu verändern, Impedanz-Scans eines Systems durch Abrunden (Senkung), und möglicherweise etwas bewegen, die Gipfel in der Handlung. Der Zweck der Impedanz Scans zu möglichen Systemresonanzfrequenzen zu identifizieren. Damit diese Frequenzen klarer abheben, die Analyse ohne Anschluss der Betriebslasten auf dem System durchgeführt.

Eine hohe Impedanz bei einer gegebenen Frequenz bedeutet, dass alle Oberwellenströme bei dieser Frequenz in das System injiziert werden größere Spannung als Verzerrung eingespeisten Ströme der gleichen Größe bei verschiedenen Frequenzen führen. Harmonic Resonanzprobleme auftreten, wenn Oberschwingungsströme mit Frequenzen mit hohen Impedanzen injiziert.

Abbildung 3 zeigt die mögliche Vergrößerung von harmonischen Frequenzen aufgrund der Anwesenheit einer Kondensatorbank oder einer Filterbank in Bezug auf die weder. Die Impedanzen des Systems mit der Kondensatorbank und dem Filter wurden von der Impedanz des Systems weder geteilt. Wieder, Ohne die Anwesenheit von ohmschen Lasten bereitzustellen Dämpfungs, das ist ein Worst-Case-Analyse.

Abbildung 2. Impedanz Versus Harmonic Frequency

 

Abbildung 3. Vergrößerung Versus Harmonic Frequency

Die Anwesenheit der Kondensatorbank deutlich verstärkt eine Reihe von Harmonischen. Charakteristisch Harmonischen der Sechspuls-Laufwerke umfassen die 5^th, 7 , 11 , 13 , 17 , 19 , usw., in abnehmenden Mengen. Aber während der Vor-Ort-Messungen die Kondensatoren und die Haupt 1500 kVA-Transformator trugen deutlich mehr 11^th und 13^th Oberwellenstrom als 5^th und 7^th. Dies geschah trotz der viel höheren 5^th und 7^th Oberwellenstrom-Injektionen. Dies kann durch die Abstimmung des Systems mit der Kondensatorbank Online erklärt. Es besteht eindeutig eine gewisse harmonische Resonanz in diesem System.

Mit Ausnahme eines kleinen Bereichs von Frequenzen (aufgrund der Parallelresonanz des Filter) der Filter dazu neigen würde, den harmonischen Impedanz relativ zu dem System ohne die Kondensatoren zu verringern. Der Filter wurde unter der niedrigsten charakteristischen harmonischen Frequenz von den Sechs-Puls-Laufwerke produziert, um zu vermeiden, keine Verstärkung Oberschwingungsströme durch die Antriebe hergestellt abgestimmt.

Abbildung 4 zeigt, von Zeile zu Zeile Spannung und Gesamtstrom in der Kondensatorbank mit 150 kvar Online-, während der Messung aufgezeichnet. Diese Wellenformen zeigen, was Strom-und Spannungskurvenformen können wie in einem Resonanzzustand aussehen. Beachten Sie, dass es zusätzliche Frequenzen Reiten auf der 60 Hz-Wellenformen, insbesondere die Stromwellenform,.

Mit 150 kvar Online-, die Berechnungen schätzen eine Resonanz bei etwa 11.1^st Harmonische. Frequenzen in der Nähe dieses harmonische kann auch verstärkt werden. Der Stromverlauf zeigt eine starke 11^th und 13^th Oberwellenkomponenten auf die überlagerte 60 Hz. Die Resonanz kann in der Wellenform durch Zählen der Anzahl von Peaks, die auf der Resonanzfrequenz, die innerhalb eines auftreten identifiziert werden 60 Hz-Zyklus. Dies ist etwas weniger klar in diesem Fall, weil es sowohl 11^th und 13^th Harmonik, aber man kann zählen 11 "Dominant" Spitzen in ein 60 Hz-Zyklus.

Abbildung 5. Aktuelle Harmonic Spectrum aus Abbildung 4

Abbildung 5 zeigt das harmonische Spektrum für die Stromwellenform in Abbildung berechnet 4. Es zeigt deutlich die dominante und 13 Harmonische trotz der Tatsache, dass die harmonicproducing Last erzeugt immer 5^th und 7^th Oberschwingungsströme.

Eine detaillierte harmonischen Analyse untersucht, wie eine harmonische Filter konnte Oberschwingungen zu reduzieren und Gestaltung eines solchen Filter wurde nicht durch nachträgliche Entdeckungen durchgeführt.

Obwohl Harmonischen nicht gefunden wurden, um die Ursache für die Probleme in der Kondensatorbank sein, Die Kondensatoren wurden einem harmonischen Resonanzsituation verursachen. Aus diesem Grund, oder wenn Oberschwingungen sich eher ein Problem in der Zukunft, Es wurde empfohlen, wenn Leistungsfaktor-Korrektur in der Anlage, wo es weniger harmonisch-Herstellung Lasten anderer Stelle gebraucht wurde, es wäre eine gute Idee sein, dieses Kondensatorbank in die Region kommen. Es sollte dann von einer Bank als Oberwellenfilter konfiguriert ersetzt werden.

Eine andere Möglichkeit, in dieser Studie untersuchten, wäre, "de-tune" die Kondensatorbank. Dies würde nicht stimmen die Bank Oberwellenfilter, würde aber stimmen Sie es zu vermeiden, dass harmonische Resonanz. Die Zugabe der de-tuning Reaktoren würde auch die transiente Überspannungen während Kondensatorschaltung verringern.

5.0 Prüfung der Ausrüstung fehlgeschlagen

5.1 Einführung

In Fällen wie diesem, eine Analyse der gescheiterten Anlagen ergibt oft wertvolle Hinweise und dieser Fall war keine Ausnahme. Sicherungen, die gelöscht waren, wurden geröntgt, um die Ursache festzustellen, deren Betrieb. Diese x-ray wurde zur Prüfung der Sicherung Hersteller geschickt. Ein fehlKondensatorZelle wurde durch den Hersteller geprüft.

5.2 Kondensator Prüfungs

Der Kondensator-Hersteller festgestellt, dass die dielektrische Flüssigkeit im Kondensator gescheitert war fast schwarz von Kohlenstoffablagerungen. Kohlenstoffablagerungen werden durch Lichtbogenbildung, der brennt oder bricht die dielektrischen Material verursacht.

Die interne Entladung (oder Ablass) Widerstände (von der National Electric Code [3] Kondensatoren entladen bewertet 600 V und niedriger, um 50 V oder weniger in einer Minute) wurde festgestellt, Verbindungslaschen verbrannt und getrennt haben. Es ist nicht klar, ob dies eine Ursache oder Wirkung des Scheiterns.

Um die Entladungswiderstände in Kondensatoren, die nicht gescheitert überprüfen, mehrere der guten Kondensatoren wurden vom System getrennt, nachdem sie gewesen waren on-line. Die Spannungen wurden dann überwacht, um zu sehen, ob die Kondensatoren entladen richtig. In jedem Fall, die Kondensatoren entladen richtig darauf hinweist, dass die Entladungswiderstände noch verbunden waren und ihre Arbeit tun.

Mehrere gute Kondensatoren wurden auch aus dem Dienst, um ihre Kapazität zu überprüfen entfernt. In allen Fällen war die Kapazität sehr nahe an dem erwarteten Wert.

Der vom Hersteller empfohlene zwei mögliche Ursachen für die Ausfälle: übermäßige harmonische Stromaufnahme und Überspannung aufgrund eines Wackel Verbindung. Übermäßige harmonischen Strom könnte an Motorantrieben oder einer Resonanz Zustand sein. Eine intermittierende Verbindung kann ein gefangenes Ladung auf dem Kondensator, der in schweren Schaltspitzen führen kann verlassen (höheren Überspannungen) wenn die Spannung wieder anliegt. Das ist, warum sollte man vorsichtig sein, wenn manuellen Schalten von Kondensatorbänken. Wenn ein Schritt manuell abgeschaltet sollte es sich für mindestens eine Minute verlassen, damit sie zu entladen 50 V oder weniger. Dies wird in Abschnitt VII erörtert, Kondensator Schaltspitzen.

5.3 Fuse Hintergrund

Die Kondensator Sicherungen sind in diesem Fall Strombegrenzung Sicherungen. Mit Strombegrenzung Sicherungen, um die Kondensatoren zu schützen, ist bei niedrigen Spannungen gemeinsamen, aber in der Regel nicht mit Mittel-oder Hochspannungskondensatoren getan (4160 V und höhere) aufgrund der Kosten.

Strombegrenzung Sicherungen können auf zwei Arten löschen: Überlastung und Kurzschluss, in den Worten der Sicherung Hersteller. Beratungsleistung Ingenieure auch diese beiden Ereignisse nennen Überstrom und Impulsenergie (Ich²t).

Die National Electric Code [3] definiert eine Überlastung wie folgt:

Betrieb der Geräte über den normalen, Volllast-Bewertung, oder eines Leiters über der Nennstromtragfähigkeit, dass, wenn es für eine ausreichende Zeitdauer fortbesteht, würde Schäden oder gefährliche Überhitzung. Ein Fehler, wie einem Kurzschluss oder Erdschluss, keine Überlastung.

Eine Überladung ist ein Strom, der in der Regel "zwischen einem und sechs-fachen der normalen Stromstärke." [4] Eine Sicherung arbeiten wird, oder klar, Wenn die Überlast für eine bestimmte Zeitdauer basierend auf dem Zeit-Strom-Kennlinie vorhanden ist, (TCC). Wenn die Überlast ist sehr kurzer Dauer, Sicherungen werden in der Regel entwickelt, um es zu ignorieren. Zum Beispiel, Motor-und Transformator Einschaltstrom Erregung sind normale Systemereignisse, die hohe Ströme führen für eine kurze Zeit und sollte nicht dazu führen, eine Sicherung zu bedienen.

Ein Kurzschluss ist "ein Überstrom, der den normalen Volllaststrom von einer Schaltung mit einem Faktor übersteigt oft (Zehn, Hunderte, oder Tausende) größer ist. " [4] Im Gegensatz zu einer Überlast, ein Kurzschluß häufig durch eine Störung hervorgerufen.

Die National Electric Code [3] definiert eine Strombegrenzungsüberstromschutzeinrichtung folgendermaßen:

... Ein Gerät, das, bei Unterbrechung Ströme in seinem Strombegrenzungsbereich, wird der Strom in der fehlerhaften Schaltung auf eine Größe wesentlich geringer als diejenige, die in der gleichen Schaltung fließt zu verringern, wenn die Vorrichtung wurden mit einem festen Leiter, der vergleichbare Impedanz ersetzt.

Strombegrenzungssicherungen sind zum "Peak-Fehlerstrom begrenzen Größe und reduzieren Fehlerzeitdauer für eine bessere Ausrüstung Schutz." [5] Sie können einen Kurzschluss-Strom in weniger als einer halben Zyklus zu unterbrechen, bevor der Strom würde einen natürlichen Stromnull erreicht haben.

Strombegrenzung Sicherungskenn, wenn der Strom hoch genug ist, damit sie in einen Strombegrenzungsmodus zu arbeiten, werden durch ihre I beschrieben²t-Werte. Ich²t ein Wert ist, der proportional zur Energie (was ich sein würde²Rt). Da der Widerstands, R, innerhalb des Sicherungs konstanten, die Leistung der Sicherung ist in Bezug auf die exprimierte Ich (Strom) und t (Zeit) Variablen. Oft habe ich²t austauschbar mit Energie verwendet, wie im Rest dieses Dokuments erfolgen.

"Es gibt zwei Arten von Energiewerte - minimale Schmelz I²t und Durchlass ich²t. Mindest Schmelze I²t ist ein Hinweis auf die Menge an Energie notwendig, um Element einer Sicherung schmelzen. Durchlass ich²t ist eine Anzeige der Menge von Energie, die ein Sicherung wird durch eine Störung vor der Inbetriebnahme und Löschen einer aktuellen lassen. " [5]

Die Art der Sicherung verwendet, um die Kondensatorbank zu schützen, ist eine vollständige Palette Strombegrenzungssicherung. Das bedeutet, dass es eine TCC, die es auf Überlast zu betreiben sowie Betrieb in einer Strombegrenzungsmodus für hohen Kurzschlussströmen ermöglicht hat. Es verfügt über separate Elemente für jede dieser Funktionen auszuführen.

Innerhalb der Sicherung gibt es ein "M-Spot", die aus einer Legierung, die entworfen, zu schmelzen und klar für Überlastungen gemacht wird, aber nicht auf Kurzschluss zu betreiben. Es gibt auch einige "Schwachstellen" oder "Schwachstellen", die Schmelze für Überlasten ausgelegt sind und klar für Kurzschlüsse, aber nicht.

Wenn es ein Problem mit übermäßiger Oberschwingungen verursachen zusätzliche Dauerstrom, dies würde erwartet werden, bewirken, dass die M Ort, um zu schmelzen und klar. Wenn es ein Problem mit Kurzschlüssen würden die Schwachstellen zu erwarten, zu schmelzen und klar.

5.4 Fuse Prüfungs

Wie bereits erwähnt, Sicherungen, die gelöscht waren, wurden geröntgt, um die Ursache festzustellen, deren Betrieb. Diese x-ray wurde zur Prüfung der Sicherung Hersteller geschickt.

Abbildung 6 zeigt ein Röntgen von sechs der Sicherungen, die gelöscht. In keinem der sechs Sicherungen hat die M Stelle klar darauf hinweist, dass eine Überlast war nicht schuld. In allen sechs Sicherungen ein, zwei, oder drei Schwachstellen gelöscht. Hätte es ein Kurzschluss oder ein Fehler in der Kondensatorbank gewesen, alle vier Schwachstellen würden beseitigt haben.

Der Ingenieur mit der Sicherung Hersteller, der die genannten Röntgenstrahlen analysiert:

Beachten Sie, wie der "M"-Spots auf die Links, nicht geschmolzen. Dies legt nahe, dass der Strom über war 500% von der Sicherung Bewertung. Jetzt, nicht alle Schwachstellen geöffnet. Dies deutet auf eine Überlastung, nicht eine kurze. Setzen Sie die beiden zusammen & Sie etwas in der Größe zu bekommen 600%-800%. Die Oberwellen sollten sich nur auf die Erwärmungseffekte hinzufügen, das Hauptanliegen nicht.

Laut Hersteller, die 100 Ein Strombegrenzungssicherungen verwendet, um die Kondensatorbank zu schützen hatte eine minimale Schmelz ich²t 5,000 Ein²s und einer Spitzendurchlass ich²t 11,000 Ein²Sekunde. Dies bedeutet, dass für einen Kurzschluss, der einen I hatten²t 5,000 Ein²Sekunde, die Schwachstellen in der Sicherung beginnen würde, zu schmelzen und zu löschen. Alle Schwachstellen nicht erwartet, zu löschen, jedoch. Für eine sehr hohe Kurzschluss, alle Schwachstellen wäre zu erwarten, zu löschen.

Da, in all den Sicherungen geröntgt, nur ein bis drei der vier Schwachstellen gelöscht, I²t des Ereignisses, das die Sicherungen zu bedienen verursachte soll zwischen 5,000 und 11,000 Ein²Sekunde.

Basierend auf diesen Informationen war es nun klar, dass es Transienten verursacht wurden, welche die Sicherungen zu löschen und, höchstwahrscheinlich, die Kondensatoren zu scheitern. Abschnitt VII, Kondensator Schaltspitzen, untersucht die Ursache der Transienten und der einzigartigen Situation, die unerwartet schwere Transienten verursacht hat.

6.0 Fehleranalyse

6.1 Fuse-Analyse

Die Messungen zeigten, daß der Effektivstrom in jeder der Sicherungen nicht nähern ihre 100 A-Ratings. Erinnern, dass jeder Satz von 100 Ein Sicherungen schützt ein 50 kvar Gruppe von Kondensatoren. Der Volllaststrom von jeweils 50 kvar Gruppe 60 Ein. Die Absicherung ist 166% der Nennvolllaststrom. Wenn schneller Klassen von Sicherungen verwendet werden,, sie sind oft sogar noch höher bemessen.

Die Absicherung wird ausgewählt, um für den Kondensator Einschaltströme ermöglichen (die viel höher als Volllast kann) wenn jeder Schritt in umge. Dies verhindert, dass die Sicherung von Betriebs bei solchen normalen Systemereignisse.

Wenn Oberwellen wurden eine übermäßige Erwärmung in der Sicherung sollte die M-Stelle gelöscht, die einen stationären Last haben. Dies fand nicht statt. Obwohl die Kondensatoren sinke eine sehr bedeutende Menge von Harmonischen, die Obertöne waren nicht die Ursache für die Sicherungsoperationen.

Wenn es einen Fehler in dem Kondensator Schrank, sollte der Strom hoch genug ist, um alle Schwachstellen des Sicherungseinsatzes klar sein. Die zur Verfügung stehende Dreiphasen-Kurzschlussstrom an der 480 V-Bus ist 21.9 kA und die verfügbare Leitung-zu-Boden-Kurzschlussstrom 24.6 und, sowohl unter Berücksichtigung einzige Quelle und Transformatorimpedanz. Da alle Schwachstellen klar nicht, ein Fehler ist nicht die wahrscheinlichste Ursache der Sicherungsoperationen.

Die ungefähre Strom, die Sicherung zu bedienen verursacht wurde, 600-800 Ein (600-800% einer 100 Eine Sicherung) nach Angaben des Herstellers. Dieser Strom kann aus einer transienten wie einem Kondensator Erregung entwickelt werden.

Das Problem ist, dass die Messdaten auch keine vorübergehende Ereignisse, die zu erwarten wäre, zu bewirken, dass die Sicherungen zu betreiben enthalten. Tatsächlich, während der Messungen wurden keine Ausfälle.

Das in Fig. transiente Wellenform 7 ein Kondensator ist, wenn die Erregungs 50 Schritt nach links 2 wurde mit dem Grund erregt 100 kvar bereits in Betrieb. Die Steady-State-Ströme vor und nach der Erregung waren etwa 124 A und 180 Ein, beziehungsweise (60 A pro 50 kvar Gruppe). Der Spitzenstrom in dieser Veranstaltung war -1480 Ein. Dies war der größte Spitzenstrom während der Messung aufgezeichnet.

Die I²t mit dem zugehörigen 1480 Ein Höhepunkt war 793 Ein²Sekunde. Einschließlich der folgenden positiven Spitze erhöht die ich²t auf 1058 Ein²Sekunde. Diese sind sowohl deutlich unter dem 5,000 Ein²sec Absicherung der Schwachstellen, um zu schmelzen beginnen.

Diese Art von Veranstaltung wird in größerer Tiefe in Abschnitt VII des Papiers analysiert, Kondensator Schaltspitzen. In Abbildung 7 es ist auch in der Stromwellenform ähnlich der in Fig. erwähnenswert, die Resonanz 4.

Zusammenfassend, die Messdaten nicht zeigen, warum die Sicherungen gelöscht hatte.

6.2 Kondensator-Analyse

Kondensatoren müssen nach Normen gebaut, um Spannungen und Ströme über ihre Bewertungen zu tolerieren. Die geltende Norm für Leistungskondensatoren ist IEEE Std 18-1992, IEEE-Standard für Shunt Leistungskondensatoren. [6] Weitere Informationen finden Sie in IEEE Std gegeben 1036-1992, IEEE Leitfaden zur Anwendung der Shunt Leistungskondensatoren. [7]

IEEE Std 18-1992 gibt den folgenden zulässigen Notfall kontinuierlichen Überlastgrenzen.

• 110% der Nenneffektivspannung
• 120% der Nennspitzenspannung
• 180% der Nennstrom, effektiv (Nennstrom auf der Grundlage bewertet kvar und Spannung)
• 135% der Nennblindleistung

Es sei darauf hingewiesen, daß die Kondensatoren häufig unter fusioniert werden 180% der Nennstrom, effektiv, so dass die 180% Grenze wird in der Regel nicht angefahren.

Kurzzeitüberlastspannungen werden in IEEE Std angegeben 18-1992 und IEEE Std 1036-1992 und sind unten angegeben. Diese Standards besagen, dass ein Kondensator kann erwartet werden, um zu sehen 300 solchen Überspannungen in ihrer Lebensdauer.

• 2.20 Effektivspannung pro Einheit für 0.1 Sekunden(6 Zyklen von rms Grundfrequenz)
• 2.00 Effektivspannung pro Einheit für 0.25 Sekunden(15 Zyklen von rms Grundfrequenz)
• 1.70 Effektivspannung pro Einheit für 1 zweite
• 1.40 Effektivspannung pro Einheit für 15 Sekunden
• 1.30 Effektivspannung pro Einheit für 1 Minute
• 1.25 Effektivspannung pro Einheit für 30 Protokoll
• Eine ältere Standard, IEEE Std 18-1980 Auch enthalten die folgenden zulässigen Überspannungen.
• 3.00 pro Einheit Effektivspannung für 0,0083 Sekunden (½ Zyklus von rms Grundfrequenz)
• 2.70 pro Einheit Effektivspannung für 0,0167 Sekunden (1 Zyklus von rms Grundfrequenz)

Keine dieser Toleranzen wurden während der Messungen überschritten.

7.0 Kondensator Schaltspitzen

7.1 Überblick

Ein Kondensator Schalt transiente ist ein normales Systemereignis, die auftreten können, wenn ein Kondensator mit Strom versorgt. Diese vorübergehende tritt aufgrund der Differenz zwischen der Systemspannung und der Spannung an dem Kondensator. Eine grundlegende Eigenschaft von Kondensatoren ist, dass die Spannung über ihnen kann nicht augenblicklich ändern. Wenn ein Kondensator bei Nullspannung und Netzspannung an sie angelegt wird, die Systemspannung wird auf nahezu Null momentan gezogen werden.

Es wird dann ein Kondensator Einschaltstrom als Kondensator lädt sein. Die Spannung am Kondensator wird dann erholen und Überschwingen der Systemspannung, und dann um die Systemspannung zu schwingen. Es ist möglich, diese Überspannung zu erreichen, 2.0 Einheit (zweimal die Spitzensystemspannung) Wenn der Kondensator anfänglich ungeladen. Systemdämpfung (Widerstand) in der Regel hält diese Überspannung unterhalb der theoretische Spitzen.

Die Kondensatorspannung wird weiter um das Schwingen 60 Hz-Grundwellenform, mit der Schwingungs allmählich immer gedämpft aus, üblicherweise innerhalb einer Zyklus. Die Größe der transienten und seine charakteristischen Schwingungsfrequenz hängt von den Eigenschaften des elektrischen Leistungssystems in Frage hängen.

Abbildung 7. Mess Kondensator Erregung Transient

Die Größe der transienten auf zwei Variablen zu der Zeit der Schalt variieren.

Diese Variablen sind die Anfangsspannung des Kondensators (eingefangene Ladung, gewöhnlich nahezu null, wenn der Kondensator wurde erlaubt, entladen) und der momentanen Netzspannung zu dem Zeitpunkt des Schalt. Je größer die Differenz zwischen diesen beiden Spannungen, je größer die Größe der transienten. Der schlimmste Fall tritt auf, wenn transiente die Systemspannung bei Spitzenspannung und es gibt eine eingeschlossene Ladung an dem Kondensator des Spitzennetzspannung an der entgegengesetzten Polarität.

Daran erinnern, dass die National Electric Code erfordert Widerstände Kondensatoren entladen bewertet 600 V und niedriger, um 50 V oder weniger in einer Minute. Der Regelalgorithmus in der Kondensatorbank vermeidet Schalt in einem Schritt innerhalb einer Minute, nachdem es getrennt wurde. So im normalen Betrieb sollte es sehr wenig eingefangene Ladung auf den Kondensatoren beim Umschalten sein.

Wenn die Übergangsspannung hoch genug ist, könnte der Kondensator sofort versagen. Wenn nicht, die kumulativen Auswirkungen der transienten Spannungen (größer als Spitzensystemspannung) kann das Dielektrikum auf den Punkt des Scheiterns im Laufe der Zeit zu betonen. Die Übergangsströme verursachen hohe I²t Ebenen

Abbildung 8. Transient Kondensator Erregung (Ja.) In der Vor Ladung auf dem Kondensator, Ich²t = 1857 A²Sekunde

7.2 Kondensator Erregung Simulationen

Kondensator Erregungs Simulationen wurden aus zwei Gründen durchgeführt. Das Ereignis, das verursacht bei den Messungen und bei der Prüfung der Sicherungen die Kondensatorausfälle und Sicherungsvorgänge nicht statt angegeben, dass Transienten waren die wahrscheinliche Ursache. Die Informationen aus der Stahlverarbeitungsbetrieb Energiesystem wurde verwendet, um eine Kondensatorschaltvorgänge unter verschiedenen Bedingungen zu simulieren.

Abbildung 8 zeigt die Erregung einer 50 kvar Kondensatorstufe ohne eingefangene Ladung und ohne andere Kondensatorstufen im Dienst. Die Erregungs aufgetreten zu Spitzensystemspannung. Diese transienthad eine I²t 1,857 Ein Sek..

Ohne Ladung auf den Kondensatoren in die Schaltung eingeschaltet, I²t-Werte unter 5,000 Ein²Sekunde, die minimale Schmelz ich²t-Wert der verwendeten, um die Kondensatoren zu schützen Sicherungen. Dies ist, natürlich, eine erwartete Ergebnis. Wenn dies nicht der Fall wäre, die Sicherungen würden regelmäßig für gemeinsame Veranstaltungen zu betreiben.

Abbildung 9 zeigt die Erregung einer 50 kvar Kondensatorstufe mit gefangenen kostenlos und mit keinen anderen Kondensatorstufen im Dienst. Die Erregungs aufgetreten zu Spitzensystemspannung. Diese vorübergehende Ich hatte eine t 5,661 Ein Sek..

Abbildung 9. Transient Kondensator Erregung (Ja.) Vor Ladung auf dem Kondensator (-300 IN), Ich²t = 5661 A²istc

 

7.3 Back-to-Back-Kondensator-Schalt

Eine andere Art von Kondensator-Schalt Transient back-to-back genannte Schalt. Dies ist, wenn ein zweiter Kondensator auf in der Nähe eines zuvor erregt Kondensator geschaltet. In diesem Fall tritt eine schnelle transiente als die beiden Kondensatoren ihre Ladung teilen miteinander und kommen zu der gleichen Spannung. Dann gibt es eine andere transiente als das Paar der Kondensatoren führen die Spannung um das Schwingen 60 Hz Grundspannung, wie oben beschrieben,, als ob sie eine einzige Kondensatorbank waren.

Abbildung 10 zeigt die Erregung einer 50 kvar Kondensatorstufe mit gefangenen Ladung und mit 150 kvar andere Kondensatorstufen im Dienst. Die Erregungs aufgetreten zu Spitzensystemspannung. Diese vorübergehende Ich hatte eine²t 5,178 Ein²Sekunde. Die Zeitskala für die Abbildung 10 stark in von der in den Figuren vergrößert 8 und 9. Dies wurde getan, um besser die höhere Frequenz anfänglichen Übergangs.

Abbildung 10. Back-to-Back-Kondensator-Schalt (Ja.) Vor Ladung auf dem Kondensator (-350 IN), I2t = 5178 A2sec

7.4 Gefangen Lade

 

Simulationen wurden durchgeführt, um festzustellen, ob Kondensatorschaltübergänge der Lage gewesen wäre, die Fehler verursachen haben. Die Ergebnisse der Simulationen zeigten, daß die Kondensatorschaltungsübergänge kann hoch genug I erzeugen²t Ebenen zu bewirken, die Sicherungen zu bedienen. Dies allerdings nur, wenn es eine hohe eingefangene Ladung an dem Kondensator Schritt eingeschaltet und das Spannungssystem war in der Nähe seiner Spitze in der Zeit des Schalt.

Bei hohen eingefangene Ladung während der Schalt, die Kondensatorspannungen kann auch gut zu erreichen über 2.0 Einheit. Diese Werte könnten nicht dazu führen, Kondensatoren, sofort, konnte aber nicht kumulativ Abbau des Kondensatordielektrikums verursachen, schließlich zum Ausfall führen.

_Ich²

Selbst bei ungünstigsten Bedingungen, diese T Niveaus würden die Spitzendurchlass ich nicht erreichen²t der Sicherungen. Die Ergebnisse der Simulationen sind daher im Einklang mit der Tatsache, dass nicht alle Schwachstellen in jeder der Sicherungen abgeräumt.

Mit diesen Informationen, die Pflanzen Elektriker ersetzt die Schütze, die geglaubt wurden, gelegentlich klappern. Wenn die Probleme fort, die Elektriker beobachtet den Betrieb der Kondensatoren und schließlich ersetzt die Steuerplatine in der Kondensatorbank. Seit dieser Zeit gab es in der Bank gab keine Ausfälle oder Kondensator Sicherungsoperationen.

 

Referenzen

[1] "Elektrische Transienten in Power Systems,"Second Edition, Allan Greenwood, © John Wiley & Sons, Inc. 1991.

[2] IEEE Std 519-1992, "IEEE Recommended Practices und Anforderungen für HarmonicControl in Elektrische Energiesysteme,"© Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 1993.

[3] NFPA 70, National Electric Code, 1999 Ausgabe, © National Fire Protection Association, Inc. 1998.

[4] "SPD elektrischen Schutzhandbuch - Auswahl von Schutzeinrichtungen auf der Grundlage des National Electric Code,"© Bussmann, Cooper Industries 1992

[5] "Distribution System Überstrom ProtectionWorkshop - Kurs Hinweise,"© Cooper Powersystems, Inc. 1996.

[6] IEEE Std 18-1992, "IEEE-Standard für Shunt Leistungskondensatoren,"© Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 1993.

[7] IEEE Std 1036-1992, "IEEE Leitfaden zur Anwendung der Shunt Leistungskondensatoren,"© Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 1993.

 

Biographie des Autors

Thomas M. Blooming, P.E. ist Senior Product Application Engineer für die Power Quality Division Eaton Electrical. Tom erhielt eine B.S. in Elektrotechnik an der Marquette University, ein M.Eng. in Elektrische Energietechnik am Rensselaer Polytechnic Institute, und ein M.B.A. von Keller Graduate School of Management. Tom arbeitet in der Power Factor Correction Gruppe von Eaton Electrical (Power-Quality-Abteilung). Er behandelt Fragen der Anwendung Kompensationskondensator Banken im Zusammenhang, Oberwellenfilter, statisch-Switched-Capacitor-Banken, und aktive harmonische Filter, sowie viele Netzqualität-Fragen. Tom früher in den Cutler-Hammer Engineering Services tätig & Systeme (CHESS) Gruppe und bot Kunden mit elektrischer Energie Engineering-Kompetenz, Schwerpunkt in den Bereichen der Netzqualität und Zuverlässigkeit. Tom hat zahlreiche Messungen und Untersuchungen durchgeführt. Außerdem, er Fachbeiträge veröffentlicht und lehrte Ingenieur Workshops und Trainingsseminare zu Fragen der Netzqualität.