CApacitor FaAILURE UneANALYSE: Un TÉPANNAGE CASE SÉTUDE

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

1.0 Introduction

Une usine de transformation de l'acier a été connaît des échecs inexpliqués de condensateur et les opérations de fusibles dans une banque de condensateur commuté automatiquement. L'usine roule et galvanise tôle d'acier pour l'industrie automobile. Tout problème qui interfère avec les calendriers de production affecte la ligne de fond. Avec demandes croissantes de productivité, la plante ne peut pas se permettre de consacrer heures-homme à des problèmes récurrents. personnel de l'usine ont besoin pour résoudre les problèmes à mesure qu'ils surviennent plutôt que de continuer à remplacer les équipements défectueux ou redémarrer processus d'arrêt des.

Le maintien d'un facteur de puissance acceptable est important à l'usine parce que la structure tarifaire des services publics comprend une pénalité pour facteur de puissance faible. Le service comptable n'a remarqué une réduction de la facture d'électricité lorsque les condensateurs ont été ajoutés, prouvant qu'ils sont vraiment contribuent à la ligne de fond.

En raison de la charge variable sur l'un de l'usine de 480 des bus de V qui doivent correction du facteur de puissance, ingénieurs de l'usine ont choisi une banque de condensateur commuté automatiquement avec quatre étapes variables. Lorsque les condensateurs et les fusibles de la banque ont commencé à manquer la facture d'électricité a augmenté et procédés de l'usine ont été touchés.

2.0 Système d'alimentation électrique

2.1. Description du système

Un schéma simplifié d'une ligne montrant les parties du système électrique afin de cet article est illustré à la figure 1.

Figure 1. Schéma d'une ligne du réseau électrique

L'usine de transformation de l'acier est servi à 13.2 kV à la fin d'une ligne aérienne de distribution radiale. Cette ligne est relativement faible MVA court-circuit pour ce niveau de tension. La MVA de court-circuit à 13.2 kV est 55 MVA avec un rapport X / R de 2.99. De la mesure, il existe quatre transformateurs desservant diverses parties de la plante. Ces transformateurs vont de 1000 à 3000 kVA.

L'un des transformateurs, un 13.2 kV-480Y/277 V, 1500 kVA étoile delta-terre avec une 5.6% impédance, sert l' 480 bus V où la banque de condensateur commuté est automatiquement installé. C'est cette banque qui a connu des défaillances de condensateurs et des opérations de fusibles.

La batterie contient deux 50 étapes fixes kvar et quatre commuté étapes de 50 Kvar chacun pour un total de 300 gauche. Les condensateurs qui constituent chacune des étapes sont 16.67 gauche, cellules triphasés. Toutes les notes sont à kvar 480 En. Aucune des étapes sont configurés en tant que filtres d'harmoniques. Chaque 50 groupe kvar est protégée par son propre jeu de fusibles limiteurs de courant. Les étapes basculer dans et hors de service automatiquement en fonction de l'algorithme de commande de correction de facteur de puissance dans la banque.

Les étapes variables de la banque sont passés par contacteurs électromécaniques. L'algorithme de commande commute étapes dans et à l'extérieur afin de maintenir un facteur de puissance de la cible. Il existe un temps de retard lors de la commutation, soit en ajoutant ou en supprimant des condensateurs, pour éviter la chasse, la commutation excessive dans et hors d'une étape.

L'algorithme de contrôle permet également d'éviter une étape de commutation en moins d'une minute après qu'il a été déconnecté. Cela permet de dissiper charge piégée à moins de 50 V avant de les reconnecter. Ceci est fait de telle sorte que les condensateurs ne sont pas des pénalités de facteur de puissance. Version du système mis en quand ils ont une charge piégée, capacité n'était pas un problème sur ce point particulier qui pourrait conduire à un service de commutation excessive. Un multi-étape, transitoire de banque automatiquement commuté. a été choisi en raison de la nature intermittente des

Ces deux limites permettent de courtes périodes de temps lorsque le critère du facteur de puissance n'est pas remplie. Sur l'équilibre, cependant, le facteur de puissance global à partir d'un point de vue de la demande est maintenue au-dessus du niveau de consigne.

La charge de cette 480 V bus comprend quatre moteurs à courant continu, servi à partir de deux transformateurs d'isolement (deux disques par transformateur). Ces disques fonctionnent par intermittence, car les exigences du processus. La charge moyenne sur la principale 1500 transformateur kVA était 550 A au maximum 990 A cours des mesures. Les lecteurs sont les seules sources harmoniques importants sur le bus. Lorsque les lecteurs tirent leur courant maximal, ils peuvent comprendre environ 40% de la charge du bus. Cela ne se produit pas très souvent, cependant.

Avec les condensateurs de correction de facteur de puissance, L'usine de transformation de l'acier bénéficie du soutien de la tension en plus des économies de coûts en raison de la réduction des charges beaucoup sur ce bus particulier.

2.2 Description du problème

L'usine de transformation de l'acier connaît des problèmes avec la banque de condensateur commuté automatiquement pendant un certain temps avant qu'ils enquêtaient problème. Le problème n'a pas été découvert immédiatement parce que la banque n'est pas vérifiée régulièrement. Le problème a été d'abord remarqué dans la facture d'électricité. Une surveillance permanente sur place peut avoir détecté le problème plus tôt.

La première action naturelle était de simplement remplacer les fusibles qui ont été trouvés. Il a ensuite été constaté que certaines cellules de condensateur ont également échoué. Ils ont été également remplacés. Lorsque les problèmes ont persisté à un examen détaillé a été entrepris.

Au moment de la mesure, certains fusibles ont sauté et certaines cellules de condensateurs avaient échoué. Les fusibles dans les étapes variables 1 et 4 ont soufflé et l'un des trois 16.7 gauche (triphasé) les cellules de l'étape 3 avait échoué l'étape 3 fournissait seulement 33.3 kvar plutôt que son nominal 50 gauche.

Aucune cause évidente n'a été observée pendant les mesures qui ont été effectuées. Soit le problème était dû à des effets cumulatifs dans le temps ou il était un problème intermittent qui ne se produit pas pendant les mesures.

Le fait que les pannes n'a pas eu lieu lors de la mesure a fait une analyse plus poussée nécessaire de déterminer la cause du problème. Si des défaillances ont eu lieu pendant les mesures, les données de mesure à l'époque des échecs auraient pu être analysés et la cause peuvent avoir été déterminés beaucoup plus tôt.

3.0 Mesures du système d'alimentation

3.1 Résultats de la mesure harmonique

Les causes possibles de l'échec de condensateurs et des opérations de fusibles inclus harmoniques et transitoires excessifs (surtensions). Les mesures ont été effectuées pour quantifier les tensions et les courants harmoniques dans les condensateurs dans le but d'étudier si les harmoniques ont été la cause des pannes. Le moniteur de puissance utilisé pour ces mesures serait également attraper les transitoires si elles devaient se produire. Les mesures ont été également effectuées sur d'autres parties du système d'alimentation, y compris les moteurs à courant continu qui sont connus pour causer des harmoniques, dans le cadre d'un effort de plus grande étude.

Les valeurs moyennes de la tension de distorsion harmonique totale (THD) et la valeur efficace, fondamental, et tensions harmoniques à la batterie de condensateurs avec des configurations différentes de gradin: sont présentés dans le tableau 1. Toutes les configurations comprennent également la 100 Étape gauche fixe. Toutes les valeurs indiquées sont des moyennes triphasés. Tous les harmoniques sont donnés en pour cent du fondamental.

D'ordre supérieur telles que des harmoniques pairs de la 8^e, 10^e, 12^e, 14^e, etc ne sont normalement pas signalé, mais ils étaient dans ce cas. Cela a été fait pour enquêter sur une possible condition de résonance harmonique à proximité de ces fréquences.

Les valeurs moyennes de la THD actuelle et la valeur efficace, fondamental, et des courants harmoniques circulant dans la batterie de condensateurs avec des configurations différentes de pas kvar sont présentés dans le tableau 2. Toutes les configurations comprennent également la 100 Étape gauche fixe. Toutes les valeurs indiquées sont des moyennes triphasés. Tous les harmoniques sont donnés en pour cent du fondamental.

Les valeurs moyennes de la THD actuelle et la valeur efficace, fondamental, et des courants harmoniques circulant dans plusieurs autres endroits importants sont présentés dans le tableau 3. Toutes les valeurs indiquées sont des moyennes triphasés. Tous les harmoniques sont donnés en pour cent du fondamental. Pour les moteurs à courant continu, toutes les données est présenté pendant les périodes de charge importante. Moment où les lecteurs ne fonctionnaient pas n'est pas inclus dans les données d'entraînement.

Table 1. Résumé de la mesure de tension condensateur

Table 2. Résumé condensateur Mesure de courant

Table 3. Chargez sommaire de la mesure actuelle

Les mesures montrent relativement élevé, mais pas inhabituel, niveaux d'harmoniques étant produites par la largeur d'impulsion modulé (PWM) lecteurs. Par comparaison, les harmoniques dans la batterie de condensateurs et dans le transformateur sont beaucoup plus élevés que les niveaux prévus de 11^e et 13^e des harmoniques par rapport aux harmoniques injectés dans le système par les entraînements. Ceci suggère une condition de résonance harmonique. Ce phénomène est étudié à la section IV, Analyse harmonique.

3.2 Résultats de la mesure transitoire

Au cours des mesures, il y avait seulement quelques transitoires importantes mesurées, On s'attendrait aucune d'entre elles pour provoquer des problèmes. La transition de tension la plus élevée était 1.74 Unité. Aucun des transitoires avec beaucoup haute tension a duré plus de 50 ps.

Les seules tensions transitoires qui avaient des augmentations correspondantes de courant ont été un peu condensateur transitoires de commutation. On rappelle que l'objectif est de trouver la cause des opérations de fusibles, ainsi que les pannes de condensateur. Par conséquent courant est également d'intérêt, non seulement la tension. L'un des phénomènes transitoires enregistrées est représentée sur la Figure 7 et est discuté dans la section VI.

4.0 Analyse harmonique

IEEE Std 519-1992 [2] examine les effets possibles des harmoniques sur les condensateurs. Parties de l'article 6.5 de ce document sont présentés ci-dessous:

Un problème majeur résultant de l'utilisation de condensateurs dans un système de puissance est la possibilité de résonance du système. Cet effet impose des tensions et des courants qui sont considérablement plus élevés que serait le cas sans résonance. La réactance d'une batterie de condensateurs diminue avec la fréquence, et la banque, donc, agit comme un puits pour les courants harmoniques supérieurs. Cet effet augmente le chauffage et contraintes diélectriques. Le résultat de la tension de chauffage et de l'augmentation du stress provoqué par des harmoniques est une durée de vie raccourcie condensateur.

Ajout de condensateurs pour que le système d'alimentation doit être accordé sur un certain harmonique. Ceci est connu comme la résonance parallèle entre les condensateurs et la source (y compris le transformateur) inductance. Une résonance parallèle présente une impédance élevée à des harmoniques injectées dans ou près de la fréquence de résonance. Cela ne devrait pas être confondue avec la résonance série, qui est utilisé dans les filtres harmoniques de présenter une faible impédance à une certaine fréquence pour éliminer cette fréquence du système.

Si la fréquence de résonance parallèle est proche de fréquences harmoniques injectés dans l'usine, tensions et courants à ces fréquences seront amplifiées. Il est plus probable quand la batterie de condensateurs est une banque commuté avec plusieurs étapes car il ya plusieurs fréquences de résonance possibles. Résonance peut entraîner une augmentation des problèmes d'harmoniques et peut conduire à des défaillances de condensateurs.

Les calculs ont été effectués pour évaluer les fréquences de résonance du système d'alimentation à différents niveaux de capacité en ligne. La fréquence de résonance d'un système, à un secondaire de transformateur, peut être estimée par la formule suivante. h est l'harmonique à l'écoute du système, XC est l'impédance capacitive de l'ensemble de condensateurs connectés sur le bus secondaire du transformateur, et XL est l'impédance inductive du transformateur (ainsi impédance source inductif primaire, le cas échéant).

L'information pour le transformateur #3 est comme suit: 1500 kVA, Z = 5,6%, 13.2 kV-480Y/277 V. La MVA de court-circuit à la 13.2 niveau kV (primaire du transformateur) est 55 MVA avec un rapport X / R de 2.99. Les calculs de fréquence de résonance ont donné les résultats indiqués dans le tableau 4.

Balayages d'impédance harmoniques sont présentés sur la figure 2. Ces analyses montrent l'impédance à une plage de fréquences pour les trois configurations de système. La première configuration est sans condensateurs ou de filtres connectés au secondaire du transformateur. La deuxième configuration est avec 150 Kvar en ligne, comme ce fut souvent le cas pendant les mesures. Les troisième configurationis avec un 150 batterie de condensateurs kvar remplacé par A4.7^e filtre d'harmoniques.

Table 4. Les calculs de la fréquence de résonance

Les analyses d'impédance sont réalisées sans charges végétales connectés au système pour une analyse du pire cas. Charges connectées ont tendance à amortir, et modifier légèrement, impédance des scans d'un système par arrondissement (abaissement), et, éventuellement, légèrement en mouvement, les pics de l'intrigue. Le but de ces analyses d'impédance est possible d'identifier les fréquences de résonance du système. Pour permettre à ces fréquences se démarquer plus clairement, l'analyse est effectuée sans connecter les charges végétales dans le système.

Une haute impédance à une fréquence donnée signifie que les courants harmoniques injectés dans le système à cette fréquence provoquera une plus grande distorsion de la tension de courants injectés de la même grandeur à différentes fréquences. Problèmes de résonance harmoniques se produisent lorsque les courants harmoniques sont injectés à des fréquences élevées avec des impédances.

Figure 3 montre l'agrandissement possible de fréquences harmoniques dus à la présence d'une batterie de condensateurs ou d'un banc de filtres par rapport à n'avoir ni. Les impédances du système avec la batterie de condensateurs et le filtre ont été divisés par l'impédance du système ni avec. Encore, sans la présence de charges résistives à assurer un amortissement, il s'agit d'une analyse de la pire espèce.

Figure 2. Impédance Versus harmonique Fréquence

 

Figure 3. Grossissement Versus harmonique Fréquence

La présence de la batterie de condensateurs clairement amplifie une gamme d'harmoniques. Harmoniques caractéristiques des lecteurs de six impulsions comprennent la 5^e, 7 , 11 , 13 , 17 , 19 , etc, dans des quantités décroissantes. Mais pendant les mesures sur place les condensateurs et le principal 1500 transformateur kVA transportaient beaucoup plus 11^e et 13^e courant harmonique de 5^e et 7^e. Cela s'est produit malgré beaucoup plus élevé 5^e et 7^e des injections de courant harmonique. Ceci peut être expliqué par la mise au point du système avec la batterie de condensateurs en ligne. Il existe manifestement un certain degré de résonance harmonique dans ce système.

Sauf pour une petite plage de fréquences (en raison de la résonance parallèle du filtre) le filtre a tendance à réduire l'impédance harmonique par rapport au système sans condensateurs. Le filtre a été réglée en dessous de la plus basse fréquence harmonique caractéristique produite par les unités de six impulsions pour éviter l'amplification des courants harmoniques générés par les lecteurs.

Figure 4 montre la tension et le courant total dans la banque de condensateur de ligne à ligne 150 Kvar en ligne, enregistrées lors des mesures. Ces formes d'onde montrent que les ondes de courant et de tension peuvent ressembler à une condition de résonance. Notez qu'il existe des fréquences supplémentaires à cheval sur la 60 les formes d'onde Hz, en particulier la forme d'onde de courant.

Avec 150 Kvar en ligne, les calculs estiment une résonance à environ la 11.1^er harmonique. Des fréquences proches de cette harmonique peuvent également être amplifiés. La forme d'onde de courant montre une forte 11^e et 13^e composantes harmoniques superposées sur la 60 Hz. La résonance peut être identifié dans la forme d'onde en comptant le nombre de pics dus à la fréquence de résonance qui se produisent dans une 60 cycle Hz. C'est un peu moins clair dans ce cas, car il ya à la fois 11^e et 13^e harmoniques, mais on peut compter 11 pics "dominants" dans un 60 cycle Hz.

Figure 5. Harmonique du spectre actuel de la figure 4

Figure 5 représente le spectre harmonique calculée pour la forme d'onde de courant de la figure 4. Il montre clairement la dominante et 13 harmoniques, malgré le fait que la charge de harmonicproducing génère plus 5^e et 7^e courant harmonique.

Une analyse harmonique détaillée étudier comment un filtre harmonique pourrait réduire les niveaux d'harmoniques et la conception d'un tel filtre n'a pas été effectuée en raison de découvertes ultérieures.

Bien que les harmoniques sont introuvables être la cause des problèmes dans la banque de condensateur, les condensateurs ont été à l'origine d'une situation de résonance harmonique. Pour cette raison,, ou si harmoniques deviennent plus d'un problème à l'avenir, il a été recommandé que si la correction du facteur de puissance est nécessaire ailleurs dans l'usine où il y avait moins de charges harmonique productrices, ce serait une bonne idée de déplacer cette banque de condensateur dans cette région. Il devrait alors être remplacé par une banque configuré comme un filtre d'harmoniques.

Une autre possibilité, pas examiné dans cette étude, serait de "modifier le réglage" de la banque de condensateur. Ce ne serait pas accorder à la banque de filtrage des harmoniques, mais ne l'accorder pour éviter de causer résonance harmonique. L'addition des réacteurs de réglage permettrait également de réduire les surtensions transitoires lors de la commutation de condensateur.

5.0 Examen des équipements défaillants

5.1 Introduction

Dans de tels cas, une analyse de l'équipement défectueux donne souvent des indices précieux et ce cas ne fait pas exception. Fusibles qui ont coupé ont été radiographiés pour déterminer la cause de leur fonctionnement. Cette radiographie a été envoyé au fabricant de fusibles pour examen. Une cellule de condensateur échoué a été examinée par le fabricant.

5.2 Examen de condensateur

Le fabricant de condensateur a constaté que le fluide diélectrique dans le condensateur échec était presque noir de dépôts de carbone. Les dépôts de carbone sont causées par un arc électrique qui brûle ou se décompose le matériau diélectrique.

La décharge interne (ou de purge) résistances (requis par le Code national de l'électricité [3] à décharger les condensateurs notés 600 V et inférieur à 50 V ou moins en une minute) ont été trouvés à avoir brûlé et déconnecté des pattes de connexion. Il n'est pas clair s'il s'agit d'une cause ou un effet de l'échec.

Pour vérifier les résistances de décharge de condensateurs qui n'avait pas manqué, plusieurs des bons condensateurs ont été déconnectés du système après avoir été en ligne. Les tensions ont ensuite été surveillés pour voir si les condensateurs déchargés correctement. Dans tous les cas, les condensateurs déchargés correctement indiquant que les résistances de décharge ont été toujours connectés et de faire leur travail.

Plusieurs bons condensateurs ont été retirés du service afin de vérifier leur capacité. Dans tous les cas, la capacitance était très proche de la valeur attendue.

Le fabricant propose deux causes possibles pour les échecs: conditions de courants harmoniques excessives de tirage et les surtensions dues à une connexion intermittente. Courant harmonique excessive pourrait être due à des lecteurs de moteur ou une condition de résonance. Une connexion intermittente peut laisser un charge piégée sur le condensateur qui peut entraîner des transitoires de commutation plus sévères (surtensions plus élevées) lorsque la tension est réappliqué. C'est pourquoi il faut être prudent lors de la commutation manuelle des batteries de condensateurs. Quand une étape est manuellement éteint il devrait être laissé hors tension pendant au moins une minute pour qu'elle puisse s'acquitter de 50 V ou moins. Cette question est examinée à la section VII, Condensateur transitoires de commutation.

5.3 Fusible fond

Les fusibles de condensateur dans ce cas sont des fusibles de limitation de courant. Utilisation de fusibles limiteurs de courant pour protéger les condensateurs est courant à basse tension, mais n'est généralement pas fait avec moyenne ou haute tension en (4160 V et supérieur) en raison du coût.

Fusibles limiteurs de courant peut effacer de deux façons: surcharge et court-circuit, dans les mots de fabricants de fusibles. Ingénieurs-conseils de puissance appellent également ces deux événements surintensité et énergie d'impulsion (Je²t).

Le Code national de l'électricité [3] définit une surcharge de la manière suivante:

Fonctionnement des équipements au-delà de la normale, Note à pleine charge, ou d'un conducteur en excès de courant admissible que, quand il persiste pendant un laps de temps suffisant, pourrait causer des dommages ou une surchauffe dangereuse. Un défaut, comme un court-circuit ou défaut à la terre, n'est pas une surcharge.

Une surcharge est un courant qui est typiquement "entre une et six fois le niveau de courant normale." [4] Un fusible fonctionne, ou clair, si la surcharge est présente pour un certain laps de temps en fonction de sa caractéristique temps-courant (TCC). Si la surcharge est de très courte durée, fusibles sont généralement conçus pour ignorer. Par exemple, appel du moteur et sous tension du transformateur sont des événements normaux du système qui causent des courants élevés pendant une courte période et ne doit pas causer un fusible de fonctionner.

Un court-circuit est "une surintensité qui dépasse le courant de pleine charge normal d'un circuit par un facteur de nombreuses fois (dizaines, des centaines, ou milliers) une plus grande ". [4] Contrairement à une surcharge, un court-circuit est souvent causée par un défaut.

Le Code national de l'électricité [3] définit un Dispositif limiteur de courant de protection contre les surintensités comme suit:

... Un dispositif qui, lorsque l'interruption de courants dans sa gamme de limitation de courant, permettra de réduire le courant circulant dans le circuit en défaut à une amplitude sensiblement inférieure à celle pouvant être obtenue dans le même circuit lorsque le dispositif ont été remplacés par un conducteur solide ayant une impédance comparable.

Fusibles limiteurs de courant sont conçus pour «limiter faute pic ampleur actuelle et réduire la durée du temps de défaut pour une meilleure protection de l'équipement." [5] Ils peuvent interrompre un courant de court-circuit en moins d'une demi-période, avant que le courant aurait atteint un zéro de courant naturel.

Caractéristiques du fusible de courant limitant, lorsque le courant est suffisamment élevé pour qu'ils fonctionnent dans un mode de limitation de courant, sont décrites par leur I²valeurs de t. Je²t est une valeur qui est proportionnelle à l'énergie (qui serait je²Rt). Etant donné que la résistance, R, est constante à l'intérieur du fusible, la performance du fusible est exprimée en termes de la Je (courant) et t (temps) les variables. Souvent, je²t est utilisé de manière interchangeable avec l'énergie, comme on le fait dans le reste de cet article.

"Il ya deux types de valeurs de l'énergie - fusion minimum I²t et je laisse passer²t. Minimum fondu je²t est une indication de la quantité d'énergie nécessaire pour faire fondre le fusible d'un élément. Je laisse passer²t est une indication de la quantité d'énergie d'un fusible va laisser passer à une défaillance avant l'utilisation et l'élimination d'un courant ". [5]

Le type de fusible utilisé pour protéger la batterie de condensateurs est une gamme complète fusible limiteur de courant. Cela signifie qu'il a un TCC qui lui permet de fonctionner en cas de surcharge ainsi que fonctionner dans un mode de limitation de courant pour des courants de court circuit. Il comporte des éléments séparés pour effectuer chacune de ces fonctions.

Au sein du fusible il existe un "point M", qui est fait d'un alliage qui est conçu pour faire fondre et clair pour les surcharges, mais ne fonctionnent pas de court-circuit. Il ya aussi plusieurs «points faibles» ou «maillons faibles» qui sont conçus à l'état fondu et claires pour les courts-circuits, mais pas pour les surcharges.

S'il ya un problème avec les harmoniques excessives provoquant courant de l'état d'équilibre supplémentaire, cela est susceptible de causer la tache M pour faire fondre et clair. S'il ya un problème avec les courts-circuits les points faibles on peut s'attendre à fondre et clair.

5.4 Examen fusible

Comme mentionné plus haut, fusibles qui ont coupé ont été radiographiés pour déterminer la cause de leur fonctionnement. Cette radiographie a été envoyé au fabricant de fusibles pour examen.

Figure 6 montre une radiographie de six des fusibles qui s'éclaircit. Dans aucun des six fusibles place M n'a indiquant clairement qu'une surcharge n'était pas à blâmer. Dans l'ensemble des six fusibles une, deux, ou trois points faibles effacés. S'il y avait eu un court-circuit ou un défaut dans la banque de condensateur, les quatre points faibles auraient autorisé.

L'ingénieur avec le fabricant de fusible qui a analysé les radiographies indiquées:

Notez comment les taches le 'M' sur les liens ne sont pas fondues. Ceci suggère que le courant était terminée 500% de la note de l'fusible. Maintenant, pas tous les points faibles sont ouvertes. Ceci suggère une surcharge, pas un court. Mettez les deux ensemble & vous obtenez quelque chose de l'ordre de 600%-800%. Les harmoniques ne devraient ajouter aux effets de chauffage, pas être la principale préoccupation.

Selon le fabricant, la 100 A fusibles limiteurs de courant utilisés pour protéger la batterie de condensateurs ont une masse fondue minimum je²t de 5,000 Une²sec et un pic je laisse passer²t de 11,000 Une²seconde. Cela signifie que pour un court-circuit qui a une I²t de 5,000 Une²seconde, les points faibles dans le fusible commenceraient à fondre et à effacer. Tous les points faibles on ne s'attend pas à effacer, cependant. Pour un court-circuit très élevé, tous les points faibles on s'attendrait à effacer.

Parce que, dans tous les fusibles radiographiés, seulement un à trois des quatre points faibles compensés, J'ai l'²t de l'événement qui a causé les fusibles fonctionnent devait être comprise entre 5,000 et 11,000 Une²seconde.

Sur la base de cette information, il est clair maintenant que c'était transitoires qui ont été à l'origine des fusibles pour effacer et, le plus probable, les condensateurs à l'échec. Section VII, Condensateur transitoires de commutation, examine la cause des transitoires et la situation unique qui a causé transitoires inattendue graves se produisent.

6.0 Analyse des défaillances

6.1 Analyse de fusible

Les mesures ont montré que le courant efficace dans chacun des fusibles n'ont pas l'approche de leur 100 A notes. Rappelons que chaque ensemble d' 100 Un fusibles protège un 50 groupe kvar de condensateurs. Le courant de charge complète de chaque 50 groupe est kvar 60 Une. La valeur du fusible est 166% du courant de pleine charge nominale. Lorsque les classes plus rapides de fusibles sont utilisés, ils sont souvent dimensionnés encore plus.

La valeur du fusible est choisie pour permettre une condensateurs courants d'appel (qui peut être beaucoup plus élevé que la pleine charge) lorsque chaque étape est mis en. Cela empêche le fusible de l'exploitation au cours de ces événements système normaux.

Si les harmoniques étaient à l'origine un échauffement excessif dans le fusible place M aurait dégagé indiquant une surcharge à l'état stationnaire. Ceci n'a pas eu lieu. Bien que les condensateurs s'enfoncent un montant très important d'harmoniques, les harmoniques ne sont pas la cause des opérations de fusibles.

S'il y avait un défaut à l'intérieur de l'armoire de condensateur, le courant doit être suffisamment élevée pour effacer tous les points faibles dans le fusible. Le courant de court-circuit disponible en trois phases à l' 480 V bus est 21.9 kA et le courant de court-circuit phase-terre est disponible 24.6 et, à la fois en ne considérant que la source et le transformateur d'impédance. Étant donné que tous les points faibles ne l'ont pas clair, une faute n'est pas la cause probable des opérations de fusibles.

Le courant approximatif qui a causé le fusible de fonctionner était 600-800 Une (600-800% d'un 100 Un fusible) selon le fabricant. Ce courant pourrait être développé à partir d'une passagère comme une excitation de condensateur.

Le problème est que les données de mesure aussi ne contiennent pas d'événements transitoires qui serait susceptible d'entraîner une des fusibles de fonctionner. En fait, pendant les mesures, il y avait pas de défaillances.

La forme d'onde représentée sur la figure transitoire 7 est un condensateur de mise sous tension lorsque l' 50 PG 2 a été mis sous tension avec la base 100 kvar déjà en service. Les courants de l'état d'équilibre avant et après la mise sous tension ont été d'environ 124 A et 180 Une, respectivement (60 A par 50 groupe kvar). Le courant de crête dans cet événement était -1480 Une. Ce fut le plus grand courant de pic enregistré pendant les mesures.

I²t associé à l' 1480 Un pic a été 793 Une²seconde. Y compris le pic positif suivant augmente la je²t à 1058 Une²seconde. Ce sont à la fois bien en dessous de la 5,000 Une²s du fusible pour les points faibles pour commencer à fondre.

Ce type d'événement est analysé plus en détail dans la section VII du papier, Condensateur transitoires de commutation. Dans la Figure 7 il est également intéressant de noter la résonance dans la forme d'onde de courant similaire à celui de la figure 4.

En résumé, les données de mesure n'a pas révélé pourquoi les fusibles avaient défriché.

6.2 Analyse de condensateur

Condensateurs doivent être construits pour supporter des tensions et des courants au-delà de leurs évaluations conformément aux normes. La norme applicable pour les condensateurs de puissance IEEE Std 18-1992, Standard IEEE pour les condensateurs shunt de puissance. [6] Des informations complémentaires figurent dans la norme IEEE Std 1036-1992, Guide IEEE pour l'application des condensateurs shunt de puissance. [7]

IEEE Std 18-1992 donne les limites suivantes urgence de surcharge continues admissibles.

• 110% de la tension nominale efficace
• 120% de la tension nominale de pointe
• 180% rms du courant nominal (courant nominal sur la base de la tension nominale et kvar)
• 135% puissance réactive nominale

Il est à noter que les condensateurs sont souvent fusionnés dessous 180% efficace du courant nominal de sorte que le 180% limite n'est généralement pas abordée.

Tensions de surcharge de temps court sont spécifiées dans la norme IEEE Std 18-1992 et IEEE Std 1036-1992 et sont donnés ci-dessous. Ces normes stipulent qu'un condensateur peut s'attendre à voir 300 ces surtensions dans sa durée de vie.

• 2.20 tension efficace par unité de 0.1 seconde(6 cycles de la fréquence fondamentale rms)
• 2.00 tension efficace par unité de 0.25 seconde(15 cycles de la fréquence fondamentale rms)
• 1.70 tension efficace par unité de 1 deuxième
• 1.40 tension efficace par unité de 15 seconde
• 1.30 tension efficace par unité de 1 minute
• 1.25 tension efficace par unité de 30 procès-verbal
• Une norme plus, IEEE Std 18-1980 également inclus les surtensions admissibles suivantes.
• 3.00 par la tension de l'unité de 0,0083 secondes (½ cycle efficace fréquence fondamentale)
• 2.70 par la tension de l'unité de 0,0167 secondes (1 cycle de la fréquence fondamentale efficace)

Aucun de ces tolérances ont été dépassées pendant les mesures.

7.0 Condensateur transitoires de commutation

7.1 Vue d'ensemble

Un condensateur de commutation transitoire est un événement normal du système, qui peut se produire à chaque fois un condensateur est excité. Ce transitoire se produit en raison de la différence entre la tension du système et la tension sur le condensateur. Une caractéristique fondamentale de condensateurs est que la tension aux bornes entre eux ne peut pas changer instantanément. Si un condensateur est au zéro de tension et la tension de système est appliquée, la tension du système sera tirée vers le bas pratiquement à zéro momentanément.

Il y aura ensuite un courant d'appel du condensateur que le condensateur se charge. La tension sur le condensateur sera ensuite récupérer et dépasser la tension du système, et ensuite osciller autour de la tension du réseau. Il est possible pour cette surtension pour accéder 2.0 Unité (deux fois la tension de réseau de pic) si le condensateur est initialement non chargé. Système d'amortissement (résistance) maintient généralement cette surtension dessous du pic théorique.

La tension du condensateur va continuer à osciller autour de l' 60 Hz onde fondamentale, avec l'oscillation progressivement se amortie, habituellement dans un cycle. L'amplitude du transitoire et sa fréquence d'oscillation caractéristique va dépendre des caractéristiques du système d'alimentation électrique en question.

Figure 7. L'excitation mesurée condensateur transitoire

L'amplitude du transitoire varie en fonction de deux variables, au moment de la commutation.

Ces variables sont la tension initiale sur le condensateur (charge piégée, généralement proche de zéro si le condensateur a été autorisé à décharger) et la tension du système instantanée au moment de la commutation. Plus la différence entre ces deux tensions, plus l'amplitude du transitoire. Le pire des cas transitoire se produit lorsque la tension du réseau est à la tension de crête et il ya une charge piégée sur le condensateur de tension du système pic à la polarité opposée.

Rappelons que le Code national de l'électricité nécessite des résistances à décharger les condensateurs notés 600 V et inférieur à 50 V ou moins en une minute. L'algorithme de commande dans la batterie de condensateurs évite une étape de commutation en moins d'une minute après qu'il a été déconnecté. Donc, en fonctionnement normal, il devrait y avoir très peu de charge piégée sur les condensateurs lors de la commutation.

Si la tension transitoire est suffisamment élevée du condensateur pourrait échouer immédiatement. Dans le cas contraire, les effets cumulatifs des tensions transitoires (supérieure à la tension de crête du système) peut souligner le diélectrique au point de défaillance au fil du temps. Les courants transitoires seront entraîner une forte je²les niveaux de t

Figure 8. Transitoire condensateur excitation (Oui.) Dans la Charge Avant de condensateur, Je²t = 1857 A²seconde

7.2 Condensateur excitation Simulations

Simulations condensateur d'excitation ont été effectuées pour deux raisons. L'événement qui a causé l'échec de condensateurs et des opérations de fusibles ne se produisent pas pendant les mesures et l'examen des fusibles indiqué que transitoires étaient la cause probable. Les informations provenant du système d'alimentation d'usine de traitement de l'acier a été utilisé pour simuler une partie de commutation de condensateur événements dans des conditions différentes.

Figure 8 montre l'excitation d'un 50 gradin kvar sans charge piégée et sans autres gradins en service. L'activation a eu lieu à la tension du système de crête. Cette transienthad un I²t de 1,857 A sec.

Sans aucun frais sur les condensateurs étant commutés dans le circuit, J'ai l'²valeurs de t sont ci-dessous 5,000 Une²seconde, la masse fondue au minimum I²t la valeur des fusibles utilisés pour protéger les condensateurs. C'est, bien sûr, un résultat attendu. Si ce n'était pas le cas, les fusibles opéreraient régulièrement des événements système communs.

Figure 9 montre l'excitation d'un 50 gradin kvar avec charge piégée et sans autres gradins en service. L'activation a eu lieu à la tension du système de crête. Cela a eu un transitoire de I t 5,661 A sec.

Figure 9. Transitoire condensateur excitation (Oui.) Charge Avant le condensateur (-300 En), Je²t = 5661 A²estc

 

7.3 Commutation de condensateurs dos-à-dos

Un autre type de condensateur de commutation transitoire est appelée back-to-back de commutation. C'est quand un deuxième condensateur est allumée à proximité immédiate d'un condensateur précédemment excité. Dans ce cas, un transitoire rapide se produit lorsque les deux condensateurs partagent leur charge avec l'autre et en viennent à la même tension. Ensuite, il existe un autre passager que la paire de condensateurs provoque la tension d'osciller autour de l' 60 Hz tension fondamentale, comme décrit ci-dessus, comme si elles étaient une banque de condensateur unique.

Figure 10 montre l'excitation d'un 50 gradin kvar avec charge piégée et 150 kvar d'autres gradins en service. L'activation a eu lieu à la tension du système de crête. Cela a eu un transitoire I²t de 5,178 Une²seconde. L'échelle de temps de la figure 10 est considérablement agrandie depuis que les figures 8 et 9. Cela a été fait pour mieux montrer la plus grande fréquence initiale transitoire.

Figure 10. Commutation de condensateurs dos-à-dos (Oui.) Charge Avant le condensateur (-350 En), I2t = 5178 A2sec

7.4 Pris au piège de charge

 

Les simulations ont été effectuées pour déterminer si le condensateur transitoires de commutation aurait pu causer des défaillances. Les résultats des simulations indiquent que le condensateur transitoires de commutation peut générer suffisamment élevée I²t les niveaux pour faire en sorte que les fusibles de fonctionner. Ce n'était plus le cas s'il y avait des niveaux élevés de charge piégée sur le pas de condensateur étant activée et la tension du système est proche de son pic au moment de la commutation.

Avec des niveaux élevés de charge piégée lors de la commutation, les tensions des condensateurs peuvent aussi atteindre plus de 2.0 Unité. Ces niveaux pourraient ne pas provoquer des condensateurs à l'échec immédiatement, mais pourrait entraîner une dégradation cumulée de la capacité diélectrique, pour aboutir finalement à l'échec.

_Je²

Même avec les pires conditions, ces niveaux de t ne seraient pas atteindre le sommet, je laisse passer²t des fusibles. Les résultats des simulations sont donc compatibles avec le fait que tous les points faibles dans l'un des fusibles avaient défriché.

Avec cette information,, les électriciens de l'usine ont remplacé les contacteurs que l'on croyait à bavarder de temps en temps. Lorsque les problèmes ont persisté, les électriciens ont observé le fonctionnement des condensateurs et finalement remplacé le panneau de contrôle dans la banque de condensateur. Depuis ce temps, il ya eu aucune défaillance de condensateurs ou des opérations de fusibles dans la banque.

 

Références

[1] "Transitoires électriques Power Systems,"Second Edition, Allan Greenwood, © John Wiley & Sons, Inc. 1991.

[2] IEEE Std 519-1992, «Pratiques et exigences HarmonicControl dans les systèmes de l'énergie électrique IEEE recommandées,"© Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 1993.

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

[4] "SPD électrique Protection Handbook - Sélection dispositifs de protection basé sur le code national de l'électricité,"© Bussmann, Cooper Industries 1992

[5] "Système de distribution Surintens ProtectionWorkshop - Notes de cours,"© Cooper PowerSystems, Inc. 1996.

[6] IEEE Std 18-1992, "IEEE Standard for shunt condensateurs électriques,"© Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 1993.

[7] IEEE Std 1036-1992, "Guide IEEE pour l'application des condensateurs shunt de puissance,"© Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 1993.

 

Biographie de l'auteur de

Thomas M. Épanouissement, P.E. est un ingénieur d'application de produit senior pour la division Power Quality d'Eaton Electrical. Tom a reçu une B.S. en génie électrique de l'Université Marquette, une maîtrise en ingénierie. en électrique Power Engineering du Rensselaer Polytechnic Institute, et un M.B.A. de Keller Graduate School of Management. Tom travaille au sein du Groupe de correction du facteur de puissance de Eaton Electrical (Division Power Quality). Il s'occupe des questions liées à l'application de facteur de puissance des batteries de condensateurs de correction, filtres harmoniques, batteries de condensateurs à commutation statique, et des filtres actifs d'harmoniques, ainsi que de nombreuses questions liées à la qualité puissance. Tom travaillait auparavant dans les services d'ingénierie Cutler-Hammer & Systèmes (ÉCHECS) groupe et a fourni les clients avec l'expertise en ingénierie électrique de puissance, en se concentrant dans les domaines de la qualité de l'énergie et de la fiabilité. Tom a effectué de nombreuses mesures et études. En plus, il a publié des articles techniques et donné des ateliers techniques et des séminaires de formation sur les questions de qualité de l'énergie.