℃Apacitor FAILURE ANALYSIS: T思ったら ℃ASE STUDY

作成者: トーマス·M. 開花, P.E. t.blooming@ieee.org, イートン電気ビル, ノースカロライナ州

1.0 はじめに

鋼材加工工場は、自動的にスイッチドキャパシタバンクに原因不明のコンデンサの故障とヒューズの操作を経験していた. 工場は、自動車業界向けに鋼板をロールし、galvanizes. 生産スケジュールを妨害するいかなる問題が収益に影響を与える. 生産性の向上の要求に, プラントは、問題の再発に工数を割く余裕はありません. 工場担当者は、彼らがシャットダウンプロセスを失敗した機器を交換または再起動し続けるのではなく、発生した問題を解決する必要があります.

ユーティリティ率構造は、低力率のペナルティが含まれているため、許容可能な力率を維持することは植物にとって重要である. コンデンサが追加された際に、会計部門は電気代の低減を気づきました, 彼らは間違いなく一番下の行に貢献していることを証明する.

により植物の一つ上の可変負荷に対する 480 力率補正を必要としてVバス, プラントエンジニアは、4つの可変ステップで自動的にスイッチドキャパシタバンクを選んだ. バンク内のコンデンサやヒューズが失敗し始めたときに電気代が増加し、植物のプロセスが影響を受けました.

2.0 電力システム

2.1. システムの説明

この論文に関連する電力システムの一部を示す簡略単線結線図を図に示す。 1.

図 1. 電力システムの単線結線図

鋼材加工工場はで提供しています 13.2 ラジアル架空配電線の終わりにkVの. この行は、この電圧レベルに対して相対的に低い短絡MVAを持つ. 短絡MVAで 13.2 kVのです 55 のX / R比を持つMVA 2.99. メータから, 植物のさまざまな部分を提供する4変圧器があります. これらのトランスは、範囲 1000 へ 3000 キロボルトアンペア.

変圧器の一つ, A 13.2 480Y-kVの/ 277 V, 1500 とkVAのデルタ接地Y結線 5.6% インピーダンス, 提供しています 480 自動的にスイッチドキャパシタ·バンクがインストールされているVバス. これは、コンデンサの故障とヒューズ業務を経験してきたこの銀行である.

コンデンサバンクは、2つが含まれています 50 KVAR固定ステップと4は、以下の段階を切り替える 50 合計でそれぞれKVAR 300 左. 各ステップを構成するコンデンサがある 16.67 左, 三相細胞. KVAR評価のすべてがである 480 で. ステップのいずれも、高調波フィルタとして設定されていません. それぞれ 50 KVARグループは、電流制限ヒューズの独自のセットで保護されています. ステップは自動的にバンク内の力率補正制御アルゴリズムに基づいて、サービスの内外切り替える.

バンク内の変数のステップは、電気機械のコンタクタによって切り替えられる. 制御アルゴリズムは、目標力率を維持するために、内外の手順を切り替える. スイッチング時間の遅延が存在する, どちらのコンデンサの追加または削除, ハンチングを回避するため, ステップの内外過度の切り替え.

制御アルゴリズムはまた、切断された後1分以内のステップで切り替え回避. これはトラップされた電荷は、以下に放散することができます 50 それらを再接続する前に、V. コンデンサは、力率ペナルティにならないようにこれが行われる. システムのリリースは、彼らがトラップされた電荷を持っているときに切り替え, 容量は、過度の交換サービスにつながるかもしれない、この特定の上の問題ではありませんでした. マルチステップ, 銀行の過渡現象を自動的に交換. 理由の断続的な性質のために選択された

力率基準が満たされない場合、これら2つの制限が短時間を可能. バランスについて, しかしながら, ビューの需要の観点から、全体の力率が設定レベル以上に維持される.

この上の負荷 480 Vバスは4直流ドライブが含まれ, 2の絶縁変圧器から提供 (変圧器ごとに2つのドライブ). これらのドライブは、プロセスの要求として間欠的に動作. メイン上の平均負荷 1500 kVAの変圧器であった 550 最大でA 990 測定中. ドライブがバス上の唯一の重要な高調波発生源である. ドライブは、それらの最大電流が流れたとき, 彼らは約含むことができ、 40% バス負荷の. これは非常に頻繁には発生しません, しかしながら.

力率補正コンデンサで, 加えて、電圧対応の鋼材加工工場の利点が原因この特定のバスの負荷の多くが減少にコスト削減する.

2.2 問題の説明

彼らは、問題を調査する前に、鋼材加工工場は、しばらくの間、自動的にスイッチドキャパシタ·バンクに問題が発生しました. バンクは定期的にチェックされていないため、問題はすぐに発見されませんでした. 問題は、まず電気代に認められた. 常設オンサイト監視は早く問題を検出している可能性があります.

自然の最初のアクションは単純に発見されたヒューズと交換してくださいすることでした. それは、後でいくつかのキャパシタセルでも失敗していたことに気付いた. これらは、交換された. 問題が持続する場合には、詳細な検査が行われた.

測定の時点で, いくつかのヒューズが溶断され、いくつかのキャパシタセルは、失敗していた. 可変ステップヒューズ 1 と 4 吹き飛ばさ三の1た 16.7 左 (3相の) ステップ中の細胞 3 そうステップ失敗していた 3 のみ供給された 33.3 むしろその公称よりKVAR 50 左.

明白な原因を実施した測定中に観察されなかった. 問題は、時間の経過とともに累積効果によるものであったか、それは測定中に発生しなかった断続的な問題だったのどちらか.

障害が問題の原因を特定するためにさらなる分析が必要でなされた測定中に発生しなかったという事実. 障害が測定中に発生した場合は, 故障時の測定データが分析されている可能性があり、原因がはるかに早く決定されていてもよい.

3.0 電源システムの測定

3.1 高調波測定結果

コンデンサの故障とヒューズ操作のための考えられる原因は、過剰な高調波や過渡を含め (過電圧). 測定は、高調波が障害の原因であるかどうかを調べるために、コンデンサ高調波電圧および電流を定量するために実施した. それらが発生した場合、これらの測定に使用されるパワーモニタはまた、過渡状態をキャッチするであろう. 測定はまた、電力システムの他の部分で行った, 高調波を引き起こすことが知られているDCドライブを含む, より大規模な研究の一環として、.

電圧の全高調波歪みの平均値 (THD) とRMS, 基本, 異なるKVARステップ構成でコンデンサバンクでの高調波電圧は、表に示されている 1. すべての構成も含まれる 100 固定されたステップのまま. 与えられたすべての値は、三相の平均である. 全ての高調波は、基本のパーセントで与えられている.

のような高次の偶数次高調波 8^番目の, 10^番目の, 12^番目の, 14^番目の, エトセトラは通常報告されていない, 彼らは、この場合にあっ. これは、これらの周波数の近くの可能な高調波共振条件を検討するために行った.

現在のTHDの平均値と実効値, 基本, 異なるKVARステップ構成で、キャパシタバンクに流れる高調​​波電流を、表に提示されている 2. すべての構成も含まれる 100 固定されたステップのまま. 与えられたすべての値は、三相の平均である. 全ての高調波は、基本のパーセントで与えられている.

現在のTHDの平均値と実効値, 基本, およびいくつかの他の重要な場所に流れる高調​​波電流は、表に提示されている 3. 与えられたすべての値は平均値であるthreephase. 全ての高調波は、基本のパーセントで与えられている. DCドライブの場合, すべてのデータは、大きな負荷の期間中に提示されている. ドライブはドライブのデータに含まれていない動作していないし、時間.

テーブル 1. コンデンサの電圧測定の概要

テーブル 2. コンデンサの電流測定の概要

テーブル 3. 電流測定の概要をロード

測定は、比較的高い表示, しかし珍しいことではない, パルス幅変調によって生成される高調波のレベル (PWM) ドライブ. 比較して, コンデンサバンク内や変圧器の高調波は、予想されるレベルよりもはるかに高いを持っている 11^番目の と 13^番目の ドライブでシステムに注入高調波に比べて高調波. これは、調波共振条件を示唆している. この現象は、セクションIVにさらに検討されている, 調和解析.

3.2 トランジェント測定結果

測定の過程で測定された唯一のいくつかの重要な過渡現象がありました, のいずれも問題を引き起こすことが予想されないであろう. 最高電圧過渡た 1.74 ユニット. 非常に高い電圧の過渡のいずれも、より長く続いたん 50 マイクロ秒.

現在の対応の増加を持っていた唯一の過渡電圧は、いくつかのコンデンサスイッチング過渡ました. 目的はヒューズ操作の原因だけでなく、コンデンサの故障を見つけることであることを思い出してください. したがって、電流は、関心もある, だけでなく、電圧. 記録された過渡現象の一つは、図2に示す。 7 およびセクションVIに記載されている.

4.0 調和解析

IEEE規格 519-1992 [2] コンデンサの高調波の影響の可能性を議論. 節の一部 6.5 このドキュメントの以下に示す:

電力系統内のコンデンサの使用に起因する主要な関心事は、システムの共振の可能性である. この効果は、共振ない場合よりもかなり高い電圧と電流を課す. コンデンサバンクのリアクタンスは周波数とともに減少する, と銀行, 従って, 高調波電流のシンクとして機能する. この効果は、加熱と誘電体のストレスを増加させ. 高調波によってもたらさ増加加熱と電圧ストレスの結果が短く、コンデンサの寿命である.

コンデンサを追加すると、電源システムは、特定の高調波に同調されることになります. これは、コンデンサとソース間に並列共振として知られている (変圧器を含む) インダクタンス. 並列共振の共振周波数またはその近くで高調波を注入し、高インピーダンスを提供. これは直列共振と混同すべきではない, システムからその周波数を除去するために、特定の周波数に低インピーダンスを提供するように高調波フィルタに利用される.

並列共振周波数は、工場内の注入された高調波周波数に近い場合, これらの周波数で電圧と電流が増幅される. いくつかの可能な共振周波数が存在するので、キャパシタバンクは、複数のステップの切り替えバンクである場合、これは可能性が高い. レゾナンスは増加し、高調波問題が発生する可能性があり、コンデンサの故障につながる可能性.

計算は、オンライン容量の異なるレベルの電力システムの共振周波数を推定するために実施した. システムの共振周波数, 二次変圧器で, 次式で推定することができる. H システムのチューニング高調​​波がある, X℃ 変圧器の二次バスに接続されたすべてのキャパシタの容量性インピーダンスである, と Xザ 変圧器の誘導性インピーダンスである (プラスプライマリソース誘導性インピーダンス, 可能な場合は).

変圧器のための情報 #3 以下のとおりである: 1500 キロボルトアンペア, Z = 5.6％, 13.2 480Y-kVの/ 277 V. における短絡MVA 13.2 kVのレベル (変圧器の一次) です。 55 のX / R比を持つMVA 2.99. 共振周波数の計算は、表1に示す結果が得られ 4.

高調波インピーダンススキャンは、図に示されている 2. これらのスキャンは、3つのシステム構成のための周波数の範囲でのインピーダンスを示す. 最初の構成では、二次変圧器に接続されている任意のコンデンサやフィルタなしです. 第二の構成はである 150 KVARのオンライン, 測定中にしばしばそうであったように. 第3 configurationis 150 A4.7に置き換えKVARコンデンサバンク^番目の 高調波フィルター.

テーブル 4. 共振周波数の計算

インピーダンススキャンは、最悪の場合の分析のためのシステムに接続されたプラントの負荷なしで実行されている. 接続された負荷が減衰する傾向にある, と少し変える, 四捨五入して、システムのインピーダンスをスキャン (下げ), そしておそらく少し動く, プロット中のピーク. インピーダンススキャンの目的は、可能なシステムの共振周波数を識別することである. これらの周波数は、より明確に目立つようにするには, 分析では、システムへの植物の負荷を接続せずに行われている.

与えられた周波数での高インピーダンスは、その周波数でシステムに注入すべての高調波電流は、異なる周波数で同じ大きさの注入された電流よりも大きな電圧歪みの原因となることを意味します. 高調波電流は、高インピーダンスの周波数で注入される高調波共振の問題が発生する.

図 3 を有する、キャパシタバンクの存在またはフィルタバンク相対による高調波周波数の可能な倍率を示すでもない. どちらとコンデンサバンクと、フィルターを備えたシステムのインピーダンスはシステムのインピーダンスで割った. 再び, 減衰提供する抵抗性負荷の存在なし, これは最悪のケース分析である.

図 2. 高調波の周波数に対するインピーダンス

 

図 3. 高調波の周波数に対する倍率

コンデンサバンクの存在が明らかに高調波の範囲を増幅. 6パルスドライブの特性高調波が含まれる 5^番目の, 7 , 11 , 13 , 17 , 19 , エトセトラ, 量の減少に. しかし、現場での測定中にコンデンサやメイン 1500 kVAの変圧器は、かなり多くの運んでいた 11^番目の と 13^番目の より高調波電流 5^番目の と 7^番目の. これははるかに高いにも関わらず発生した 5^番目の と 7^番目の 高調波電流注射. これは、オンラインコンデンサバンクを使用してシステムのチューニングによって説明することができる. このシステムの高調波共振ある程度は明らかに存在し.

周波数の小さな範囲を除き (フィルタの並列共振によるもの) フィルタは、任意のコンデンサなしのシステムに高調波インピーダンスを相対的に低下させる傾向があるだろう. フィルタはドライブによって生成された高調波電流を増幅することを避けるために6パルスドライブによって生成最低の特性高調波周​​波数以下に調整した.

図 4 とコンデンサバンクに線間電圧および全電流を示しています 150 KVARのオンライン, 測定中に記録された. これらの波形は、電流と電圧の波形は、共振状態でのように見えることができるものを示して. に乗って追加の周波数があることに注意してください 60 Hzの波形, 特に電流波形.

ととも​​に 150 KVARのオンライン, 計算は、約共鳴を推定する 11.1^セント 高調波. この高調波付近の周波数も増幅してもよい. 電流波形は、強力を示す 11^番目の と 13^番目の に重畳高調波成分 60 ヘルツ. 共振に起因つに生じる共振周波数にピークの数をカウントすることにより波形で同定することができる 60 Hzのサイクル. 両方が存在するので、これは、この場合には幾分明らかである 11^番目の と 13^番目の ハーモニックス, が、1つは数えることができる 11 1における「支配的」なピーク 60 Hzのサイクル.

図 5. 図から高調波電流スペクトル 4

図 5 図に電流波形に対して計算高調波スペクトルを示し 4. それは明らかに優性とを示している 13 harmonicproducing負荷がより生成されるという事実にもかかわらず、高調 5^番目の と 7^番目の 高調波電流.

詳細な高調波解析高調波フィルタは、高調波レベルを低減することができるか研究し、そのようなフィルタを設計に起因その後の発見に実行されなかった.

高調波は、コンデンサバンク内の問題の原因であることが見出されなかったが, コンデンサは、高調波共振状況を引き起こしていた. このため, または高調波は、将来的に問題のより多くなった場合, それがあれば、力率補正が他の場所より少ない高調波を生産負荷があった工場で必要とされたことを推奨されていました, それはその領域にこのコンデンサバンクを移動するために良いでしょう. 次に、高調波フィルタとして構成バンクに置き換える必要がある.

別の可能性, この研究で検討されていない, 「脱チューン「コンデンサバンクになります. これは、フィルタの高調波に同調するバンクをしないだろう, しかしチューンそれは高調波共振を起こす原因にもなりますのでだろう. デチューニング炉の添加はまた、キャパシタスイッチング時の過渡過電圧を低下させる.

5.0 失敗した機器の検討

5.1 はじめに

このようなケースでは, 失敗した機器の分析は、多くの場合、貴重な手がかりが得られ、この場合も例外ではなかった. クリアしたヒューズは、それらの動作の原因を特定するために、X線照射した. このX線は、検査のためのヒューズメーカーに送られた. 失敗したキャパシタセルは、製造業者によって調べた.

5.2 コンデンサの検査

コンデンサの製造元に失敗しましたキャパシタにおける誘電性流体は、炭素堆積物からほとんど黒であることがわかった. 炭素堆積物は、誘電体材料を燃焼または分解し、アーク放電によって引き起こされる.

内部放電 (またはブリードオフ) 抵抗 (米国電気コードで必要 [3] 定格コンデンサを放電する 600 Vと下へ 50 Vまたは1分以内少ない) 接続タブを燃やし、外していることが判明した. これは、障害の原因や効果であったかどうかは明らかではない.

失敗していなかったコンデンサの放電抵抗を確認するには, 彼らがオンラインであった後に良好なコンデンサのいくつかは、システムから切断された. 電圧は、その後コンデンサが適切に排出されるかどうかを確認するために監視した. あらゆる場合に, 適切に排出されコンデンサは放電抵抗がまだ接続されたことを示していると自分の仕事をやって.

いくつかの優れたコンデンサは、それらの容量を確認するために、サービスから削除された. 全ての場合において、容量は期待値に非常に近かった.

メーカーは、障害のために2つの原因が示唆された: 断続的な接続に過大な高調波電流ドローおよび過電圧状態. 過大な高調波電流は、モータドライブまたは共振条件が原因である可能性が. 断続的な接続は、より深刻なスイッチング過渡現象をもたらすことができるコンデンサにトラップされた電荷を残すことができます (高い過電圧) 電圧が再印加されたとき. 手動でコンデンサバンクを切り替えるとき1に注意する必要がある理由です. ステップは、それが放電するために、少なくとも1分間オフのままにしておく必要が手動でオフにされたとき 50 V以下. これは、セクションVIIで詳しく説明されている, コンデンサのスイッチング過渡.

5.3 ヒューズの背景

この場合のコンデンサヒューズは電流制限ヒューズです. コンデンサを保護するために、電流制限ヒューズを使用すると、低電圧で一般的ですが、一般的に中または高電圧コンデンサで行われていない (4160 Vと高い) コストに起因する.

電流制限ヒューズは2つの方法でクリアすることができます: オーバーロード と ショート, ヒューズメーカーの言葉で. コンサルティング電力のエンジニアは、これら2つのイベントを呼び出す 過電流 と 衝撃エネルギー (私は²T).

米国電気コード [3] 次のように過負荷を定義します:

正常を超える機器の操作, 全負荷定格, または定格電流容量を超える導体のこと, それは十分な長さの時間持続するとき, 損傷や危険な過熱を引き起こす. 故障, このような短絡や地絡など, 過負荷ではない.

オーバーロードは、典型的には、電流である「1と6倍の正常な電流レベルとの間で。」 [4] ヒューズが動作します, またはクリア, 過負荷は、時間 - 電流特性に基づいて、一定の長さのために存在する場合 (TCC). 過負荷が持続時間が非常に短い場合, ヒューズは、一般に、それを無視するように設計されている. 例えば, モーターの突入とトランス通電は短時間高電流が発生し、ヒューズを動作させるべきではない通常のシステムイベントです.

ショート」は、多くのファクター倍回路の通常の全負荷電流を超える過電流である (十, 何百, または数千) 大きい。 " [4] 過負荷とは異なり、, 短絡が頻繁に故障によって引き起こされる.

米国電気コード [3] 定義 電流制限過電流保護装置 次のように:

...デバイスその, その電流制限範囲内の電流を遮断する際に, デバイスは、同等のインピーダンスを有する固体導体で置き換えた場合、同一の回路で得られるものよりも実質的に小さい大きさに障害が発生回路に流れる電流を減少させる.

電流制限ヒューズは「ピーク故障電流の大きさを制限し、より良い機器保護の障害の持続時間を減少させる」ように設計されている [5] これらは、1未満の半サイクルにおける短絡電流を遮断することができ, 現在は自然の現在のゼロに達したであろう前に、.

電流制限ヒューズ特性, 電流が十分に高い場合、それらは、電流制限モードで動作させるための, そのIに記載されている²t値. 私は²tはエネルギーに比例した値である (私はされるであろう²RT). 抵抗は, R, ヒューズ内で一定である, ヒューズの性能は、で表され 私は (現在) と T (時間) 変数. 多くの場合、I²tはエネルギーと互換的に使用される, この論文の残りの部分で行われますように.

最低溶融I - 「エネルギー値の二種類があります²Tおよびlet-Iから²T. 最低溶融I²tは、ヒューズの要素を溶融するために必要なエネルギー量の指標である. ましょうスルーI²tは、ヒューズが電流を操作してクリアする前に、障害を通過させるであろうエネルギーの量の指標である。 " [5]

コンデンサバンクを保護するために使用されるヒューズのタイプは、完全な範囲の電流制限ヒューズである. これは、それが過負荷のために動作するだけでなく、高い短絡電流の電流制限モードで動作することを可能にするTCCを有することを意味する. これは、これらの各機能を実行するために別個の要素を有する。.

ヒューズ内で溶融するために設計されて合金製と明確な過負荷のためではなく、短絡のために動作しませんされている「Mスポット」がある. 過負荷のために短絡が溶融し、明確なを設計したがされていないいくつかの「弱点」または「弱いリンク」もあります。.

追加の定常電流を引き起こす過度の高調波に関する問題がある場合, これは、Mが溶融するスポットとクリアを引き起こすことが予想される. 短絡回路に問題がある場合、弱いスポットが溶融して消去することが予想される.

5.4 ヒューズ検査

先に述べたように, クリアしたヒューズは、その動作の原因を特定するために、X線撮影し、. このX線は、検査のためのヒューズメーカーに送られた.

図 6 クリアヒューズの6のX線を示している. 6ヒューズのいずれにおいても過負荷のせいではなかったことを示す明確なMスポットをしました. 6ヒューズ1の全てにおいて, 二つ, または3弱点がクリア. コンデンサバンクにおける短絡や故障があった場合, すべての4つの弱いスポットがクリアされただろう.

述べたX線を分析したヒューズメーカーエンジニア:

リンクの上の 'M'スポットが溶融しないかを注意してください. これは、現在が終わったことを示唆している 500% ヒューズの定格の. 今, 弱いスポットの全てが開かれていない. これは、過負荷を示唆している, ショートさせない. 2一緒に入れて & あなたはの大きさに何かを得る 600%-800%. 高調波だけ加熱効果に追加する必要があります, 主な関心事ではない.

メーカーによると, ザ 100 コンデンサバンクを保護するために使用される電流制限ヒューズは、最低溶融Iを有した²のT 5,000 A²秒、ピークレットスルーI²のT 11,000 A²秒. これは、私が持っていた短絡用²のT 5,000 A²秒, ヒューズの弱いスポットが溶け始めると明らかだろう. 弱点はすべてクリアするために期待されない, しかしながら. 非常に高い短絡のために, 弱点は全てクリアすることが予想される.

なぜなら, すべてのヒューズX線撮影で, 4つだけ弱点の1〜3個はクリア, 私²ヒューズを動作させるイベントのtが間にあると予想された 5,000 と 11,000 A²秒.

この情報に基づいて、それはヒューズがクリアするために引き起こしていた過渡としたことが明らかだった, 最も可能性が高い, 失敗するコンデンサ. セクションVII, コンデンサのスイッチング過渡, 過渡の原因と予想外に厳しいトランジェントを発生させたユニークな状況を調べ、.

6.0 故障解析

6.1 ヒューズ分析

測定は、ヒューズの各rms電流がそれらに接近しないことを示した 100 評価. 各セットのことを思い出してください 100 ヒューズが保護する 50 コンデンサのKVARグループ. 各の全負荷電流 50 KVAR基であり、 60 A. ヒューズ定格です 166% 公称全負荷電流の. ヒューズの速いクラスが使用される場合, 彼らはしばしば、より高い大きさである.

ヒューズ定格は、コンデンサの突入電流を可能にするために選択される (全負荷よりもはるかに高いとすることができる) 各ステップはで切り替えられたとき. これは、通常のシステムイベント中に動作してからヒューズを防ぎ.

高調波がヒューズに過度の加熱を引き起こしていた場合は、M個のスポットは、定常状態の過負荷を示すクリアしている必要があります. これは発生しませんでした. コンデンサは高調波の非常にかなりの量をシンクしているが, 高調波は、ヒューズ操作の原因ではありませんでした.

コンデンサキャビネット内の障害があった場合, 電流は、ヒューズリンクに弱いスポットのすべてをクリアするのに十分高くなければならない. で入手可能な三相短絡電流 480 Vバスである 21.9 kAで、利用可能なライン対地短絡電流される 24.6 kAの, 両方の唯一のソースとトランスインピーダンスを考慮. 弱点のすべてが明確でなかったので, 障害がヒューズ操作の可能性の高い原因ではない.

ヒューズが動作する原因となったおおよその現在のでした 600-800 A (600-800% の 100 ヒューズ) メーカーによると. この電流は、コンデンサの通電の過渡から開発することができる.

問題は、測定データは、ヒューズを動作させることが予想される任意の一時的なイベントを含んでいなかったことである. 実際には, 測定中に全く障害がありませんでした.

図に示す過渡波形 7 コンデンサの通電である場合 50 左ステップ 2 ベースで通電した 100 すでにサービスでKVAR. 通電前後の定常状態電流は約た 124 Aと 180 A, それぞれ (60 用A 50 残りのグループ). このときのピーク電流であった -1480 A. これは測定中に記録された最大ピーク電流ました.

私²Tに関連付けられている 1480 ピークだった 793 A²秒. 以下の正のピークが増加し、私を含め²Tへ 1058 A²秒. これらは、よく下の両方にある 5,000 A²溶融するために開始するの弱点の秒のヒューズ定格.

このタイプのイベントは、論文のセクションVIIで詳しく分析する, コンデンサのスイッチング過渡. 図に 7 また、図中のものと同様の電流波形の共振注目に値する 4.

要約で, ヒューズがクリアされた理由測定データは明らかにしなかった.

6.2 コンデンサの分析

コンデンサは、基準に従ってそれらの定格を超える電圧及び電流に耐えるように構築されなければならない. 電力用コンデンサに適用可能な標準は、IEEE Stdです 18-1992, シャント電源コンデンサ用のIEEE規格. [6] 追加情報は、IEEE規格に記載されている 1036-1992, シャント電源コンデンサの応用のためのIEEEガイド. [7]

IEEE規格 18-1992 以下の許容不測の事態の連続過負荷制限を与えます.

• 110% の定格rms電圧
• 120% 定格ピーク電圧
• 180% 定格電流実効値の (公称電流定格KVARおよび電圧に基づいて、)
• 135% 定格無効電力の

これは、コンデンサは、しばしば以下に融合していることに留意すべきである 180% のように、現在のRMSを評価した。 180% 制限は、通常は近づいていません.

短時間過負荷電圧は、IEEE規格で指定されている 18-1992 とIEEE規格 1036-1992 以下に与えられている. これらの規格は、コンデンサが見ることが予想されると述べている 300 そのサービスの生活の中でそのような過電圧.

• 2.20 の単位RMS電圧あたり 0.1 秒(6 実効基本周波数の周期)
• 2.00 の単位RMS電圧あたり 0.25 秒(15 実効基本周波数の周期)
• 1.70 の単位RMS電圧あたり 1 第2
• 1.40 の単位RMS電圧あたり 15 秒
• 1.30 の単位RMS電圧あたり 1 分
• 1.25 の単位RMS電圧あたり 30 分
• 古い標準, IEEE規格 18-1980 また、次の許容過電圧を含め.
• 3.00 0.0083secondsの単位RMS電圧あたり (RMS基本周波数の1/2サイクル)
• 2.70 0.0167secondsの単位RMS電圧あたり (1 実効基本周波数の周期)

これらの許容差はいずれも、測定中に超えられなかった.

7.0 コンデンサのスイッチング過渡

7.1 概要

コンデンサスイッチング過渡は、コンデンサが通電されたときに発生する可能性が通常のシステムイベントです. この過渡が原因システム電圧とコンデンサの電圧との差のために発生します. コンデンサの基本的な特徴は、それらの両端の電圧が瞬間的に変化しないことです. コンデンサは、ゼロ電圧とシステム電圧である場合に適用される, システム電圧が瞬間的にほぼゼロに引き下げされます.

その後、コンデンサ電荷としてコンデンサ突入電流があるでしょう. コンデンサの電圧が回復すると、システム電圧をオーバーシュートします, その後、システム電圧を中心に振動する. この過電圧が到達することが可能である 2.0 ユニット (二回のピークシステム電圧) コンデンサは、最初は非荷電である場合. システムダンピング (抵抗) 通常理論ピークの下に、この過電圧を保持.

コンデンサ電圧が周囲に振動するように続ける 60 Hzの基本波形, 振動が徐々に出減衰ばかりで, 通常サイクル内. トランジェントの大きさとその固有振動周波数は、当該電力系統の特性に依存する.

図 7. 被測定容量通電過渡

トランジェントの大きさは、切り替え時に二つの変数に基づいて変化する.

これらの変数は、コンデンサの初期電圧である (捕獲された電荷, コンデンサが放電を許可された場合は、ゼロに通常近い) そして、スイッチング時の瞬間的なシステム電圧. これら2つの電圧の差が大きいほど, トランジェントの大きさが大きい. システム電圧がピーク電圧であり、逆極性のピークシステム電圧のコンデンサにトラップされた電荷があるときに、過渡が発生し、最悪の場合.

米国電気コードが定格のコンデンサを放電する抵抗が必要であることを思い出してください 600 Vと下へ 50 Vまたは1分以内少ない. コンデンサバンク内の制御アルゴリズムは、切断された後、1分以内のステップでスイッチングが回避. 切り替え時にそのように、通常動作時に、コンデンサにはほとんど捕獲された電荷があるはずです.

過渡電圧は、コンデンサがすぐに失敗する可能性が十分に高い場合. そうでない場合, 過渡電圧の累積効果 (ピーク系統電圧よりも大きい) 時間をかけて障害点まで誘電体を強調する可能性. 過渡電流は、高いIの原因になります²Tレベル

図 8. コンデンサの通電過渡 (シム。) コンデンサに事前チャージん, 私は²T = 1857 A²秒

7.2 コンデンサの通電シミュレーション

コンデンサ通電シミュレーションは、2つの理由を行った. コンデンサの故障の原因となったとヒューズ操作が測定とヒューズの検査中に発生しなかったイベントは、トランジェントがありそうな原因であることが示された. 鋼の加工工場の電力システムからの情報は、異なる条件下でのイベントを切り替えるいくつかのコンデンサをシミュレートするために使用された.

図 8 の通電を示し 50 なしトラップされた電荷を持つとサービスには他のコンデンサステップでKVARコンデンサステップ. 通電ピークシステム電圧で発生した. これは私をtransienthad²のT 1,857 秒.

回路に切り替えられるコンデンサ上の任意の無償, 私²t値は以下の通りです 5,000 A²秒, 最低溶融I²コンデンサを保護するために使用されるヒューズのt値. これは, もちろん, 予想される結果. これはそうではなかった場合, ヒューズは、一般的なシステムイベントを定期的に動作する.

図 9 の通電を示し 50 トラップされた電荷を持つとサービスには他のコンデンサステップでKVARコンデンサステップ. 通電ピークシステム電圧で発生した. この過渡は、I tを有した 5,661 秒.

図 9. コンデンサの通電過渡 (シム。) コンデンサの前にチャージ (-300 で), 私は²T = 5661 A²あるC言語

 

7.3 バックツーバックコンデンサ切り替え

コンデンサスイッチング過渡の別のタイプは、バックツーバックの切り替えと呼ばれている. 第2のコンデンサは、以前に通電コンデンサに近接してスイッチオンされたときである. 二つのキャパシタが相互にその電荷を共有し、同じ電圧に来るように、この場合、高速過渡が生じる. 一対のコンデンサ電圧が周りに振動させるように、別のトランジェントが存在する 60 Hzの基本電圧, 上記のように, 彼らは、単一のコンデンサバンクであるかのように.

図 10 の通電を示し 50 トラップされた電荷を持つととKVARコンデンサステップ 150 サービス内の他のコンデンサステップのKVAR. 通電ピークシステム電圧で発生した. このトランジェントは私を持っていた²のT 5,178 A²秒. 図ための時間スケール 10 大いに図にのそれと拡大表示され 8 と 9. これは、より良い、より高い周波数初期トランジェントを表示するために行われた.

図 10. バックツーバックコンデンサ切り替え (シム。) コンデンサの前にチャージ (-350 で), 電流二= 5178 A2sec

7.4 捕獲された電荷

 

シミュレーションは、コンデンサ、スイッチング過渡故障を引き起こすことができたかどうかを決定するために実施した. シミュレーションの結果は、コンデンサスイッチング·トランジェントは、私は十分に高い生成することができることが示された²トンレベルはヒューズを動作させるために. そこにトラップされた電荷が高レベルに切り替えられるキャパシタステップであって、システム電圧が切り替え時のピーク付近であった場合にのみ、真であった.

スイッチング時のトラップされた電荷のレベルが高い, コンデンサ電圧もよくかけて到達することができます 2.0 ユニット. これらのレベルは、コンデンサはすぐに失敗しないかもしれないが、コンデンサ誘電体の累積が低下​​することがあります, 最終的には失敗につながる.

_私は²

最悪の場合の条件付き, これらのTレベルがピークレットスルーIに到達しないだろう²ヒューズのT. シミュレーションの結果は、したがって、ヒューズのいずれかではないすべての弱点をクリアしたという事実と一致している.

この情報を, 植物の電気技師は、時折、がたがたと考えられていた接触器を置き換え. 問題が持続する場合, 電気技師は、コンデンサの動作を観察し、最終的には、コンデンサバンク内の制御基板を取り付け. その時以来、銀行にはコンデンサの故障やヒューズの操作がなかった.

 

参照

[1] 電力システムの「電気的過渡,"第二版, アラングリーンウッド, ©ジョン·ワイリー & ソンス, 株式会社. 1991.

[2] IEEE規格 519-1992, 電力系統におけるHarmonicControlための「IEEEの推奨プラクティスと要件,電気電子学会の「©研究所, 株式会社. 1993.

[3] NFPA 70, 米国電気コード, 1999 版, ©全国防火協会, 株式会社. 1998.

[4] 「SPD電気的保護ハンドブック - 米国電気コードに基づいて保護デバイスの選択,"©過電流装置, クーパー·インダストリーズ 1992

[5] 「流通システム過電流ProtectionWorkshop - コースノート,「©クーパーPowerSystemsは, 株式会社. 1996.

[6] IEEE規格 18-1992, シャント電源コンデンサのための「IEEE規格,電気電子学会の「©研究所, 株式会社. 1993.

[7] IEEE規格 1036-1992, シャント電源コンデンサのアプリケーションの「IEEEガイド,電気電子学会の「©研究所, 株式会社. 1993.

 

著者の伝記

トーマス·M. 開花, P.E. イートン電気の電力品質部門のシニア·プロダクト·アプリケーションエンジニアです. トムはB.Sを受け. マーケット大学で電気工学の, M.Eng. レンセラー工科大学からの電力工学の, とM.B.A. 管理のケラー大学院から. トムはイートン電気の力率補正グループで動作します (電力品質課). 彼は、力率補正キャパシタバンクに関連するアプリケーションの問題を処理する, 高調波フィルタ, staticswitchedコンデンサバンク, アクティブ高調波フィルタ, だけでなく、多くの電力品質関連の質問. トムは以前はカトラー·ハマーエンジニアリングサービスで働いていた & システム (CHESS) 電力工学の専門知識を持つクライアントをグループと提供, 電力品質と信頼性の分野で焦点. トムは、多数の測定や研究を実施しています. 加えて, 彼は電力品質問題に関するエンジニアリング·ワークショップやトレーニングセミナーを技術的な論文を発表して教えてくれました.