Autor: Paul C. Buddingh, P.Eng. Membro, IEEE Universal Dynamics Limitada 100 - 13700 Internacional Place Richmond, BC V6V 2X8 Canadá
Direitos autorais de materiais IEEE – Livro Não. PCIC 2002-11
Eu. INTRODUÇÃO
Este estudo de caso descreve uma investigação por parte do autor de falhas de filtros harmônicos em uma usina química na América do Norte. A usina utiliza grandes conversores estáticos para tomar Alta Tensão baixa corrente de entrada 60 Hz, Alimentação CA e corrigi-lo em para Baixa Tensão, muito alta potência DC corrente para o funcionamento das células eletroquímicas. Geração de correntes harmônicas é esperado neste tipo de sistema de potência e filtros de harmônicas são comumente usados para limitar os níveis de harmônicas e proteger os componentes do sistema de alimentação.
Uma chamada a partir da planta indicou que eles estavam experimentando o que parecia ser o superaquecimento de um conjunto de reatores usada em um filtro harmônico associado a um dos sistemas de conversão da planta. Os reactores na 5ª ramo harmônica do filtro tinha descolorido, e faixas escuras eram evidentes no vidro & tímido; superfície da fibra dos reatores.
O filtro foi originalmente instalado em 1988 e tinha um histórico de problemas. O 5ª reatores harmônicas havia falhado antes, e uma causa clara nunca foi identificado. Como informação histórica foi revisado e dados de medição coletados, tornou-se evidente que algo incomum estava ocorrendo.
Este artigo descreve os sistemas de energia e filtro harmônico na planta, discute como harmônicos incaracterístico são gerados, analisa a dificuldade, identifica a causa e fornece um plano de ação para corrigir o problema.
II. SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO DE CONFIGURAÇÃO
A planta tem duas linhas de produção, Linhas A e B, cada um consistindo de uma série de células electroquímicas.
Linha A é constituída por um 1978 vintage retificador de 6 pulsos em uma única maneira ANSI 45 configuração com transformador inter-fase. A tensão primária é 13.8 kV. Cada um dos 6 fases ou "pernas" tem oito tiristores paralelas. A PLL (PLL) sistema de controle de tipo usando eletrônica analógica discretos é implementado.
Figo. 1: A linha de filtros de harmônicos
Um filtro de harmônicas de três ramo está instalado, constituído por ramos ajustados precisamente para o 5ª, 7ª e 11ª harmônico com 6.9 MVAR eficaz de condensadores.
O sistema de Linha B retificador é fornecida diretamente pelo 66 kV, em um ANSI 45/46 12-configuração de pulso deslocado um extra de 15 ° para além de fazer um sistema de 24 pulsos. Os retificadores são equipados com um filtro harmônico único ramo, também em 66 kV, sintonizado no 4.7ª harmônico e avaliado em 15 MVAR eficaz.
III. JUSTIFICATIVA
Tem sido bem conhecido, pelo menos desde a década de 1930, retificadores que produzem correntes harmônicas como eles convertem energia elétrica de CA para CC. Um artigo clássico desde os dias dos retificadores de vapor de mercúrio, ainda relevantes hoje, foi escrita em 1945 por J. C. Ler. [1]. A proliferação de grandes retificadores tiristores no final dos anos 1960 e início dos anos 1970 criou um ressurgimento e exacerbação de problemas de harmônicos, em grande parte um resultado do aumento do tamanho dos conversores (no 20 MW para 30 Faixa de MW). Estes novos retificadores maiores normalmente necessários grandes bancos de capacitores para correção de fator de potência, criando um ambiente ideal para perturbações de ressonância paralelas. Em resposta, uma série de excelentes trabalhos foram produzidos abordar esta torção nova em um velho problema [2] [3].
Figo. 2: Elétrica Linha desenho mostrando Main Power Distribution
Este documento não se destina a ser um primer ou tratado teórico sobre harmônicos. Há muitas obras excelentes referenciados que explicam harmônicas do sistema de energia em detalhes. Em particular, J. Arrillaga et al, "Sistema Harmônicos Power" [4], Recomenda. Alguns destaques pertinentes a este caso, contudo, serão resumidos.
IV. Alguma teoria
Conversores controlados por meio consistem em uma mistura de diodos e tiristores não será contemplado neste trabalho. Conversores controlados por meio inerentemente produzir harmônicos e não são usados em aplicações de alta potência.
Como discutido em pormenor nos documentos de referência, um poço & tímido; conversor estático "ideal" equilibrada – que é, um conversor com correntes iguais em cada fase do retificador irá produzir harmônicas no lado CA do conversor de acordo com:
h = ± kp 1 (1)
onde: h ordem harmônica k qualquer inteiro (1, 2, 3,...) p é o número de impulsos do circuito com uma magnitude:
Euh = Eu1/h (2)
onde: Ih harmônica I1 corrente fundamental atual magnitude h ordem harmônica
Na prática, reactância e o ângulo de retardamento de fase de comutação dos tiristores irá reduzir um pouco a amplitude da corrente em cada uma das seguintes características harmónicas:
Harmônico 5 7 11 13 17 19 23 25
Atual 0.175 0.111 0.045 0.029 0.015 0.01 0.009 0.008 (Unidade)
Estas freqüências harmônicas normais ou "característica", partindo do 5ª e 7ª harmônicos são esperados a partir de um 6 & tímido; retificador de pulso. Similarmente, um sistema de 12 impulsos terão harmónicas característicos começando no 11ª e 13ª e 24 pulsos terá harmônicos característicos começando no 23rd e 25ª harmônicos, etc. O retificador atua como uma fonte de corrente harmônica, injetar essas correntes harmônicas de volta para o sistema de AC. Se o sistema de AC é razoavelmente simétrica e calendário do disparo do retificador é exata, as correntes harmônicas resultantes serão iguais em todas as três fases.
A teoria de Jean Babtiste Fourier é usada para explicar matematicamente o espectro harmônico resultante. Um retificador de 6 pulsos é composta de dois single-modo, 3-retificadores de pulso, ou ligados em série, sob a forma de uma configuração de ponte, ou em paralelo, como neste caso. A teoria de Fourier mostra que para 3 & tímido; sistemas de pulso os 3rd, 9ª, 15ª... Harmônicos são zero. Um único e tímido, forma, 3-sistema de pulso não é meia onda simétrica sobre o eixo zero e produz harmônicos 2, 4, 6,…. A configuração de 180 ° dos dois rectificadores paralelas cria um sistema simétrico de 6 impulsos, que normalmente até mesmo elimina as frequências.
Figo. 3: Esquema de um de 6 pulsos Connection Duplo Wye com Transformadores Inter-Phase
No mundo real, há sempre alguns harmônicos pares e ímpares anormais residuais do lado da fonte de alimentação AC. Estes são classificados como "não característicos" freqüências harmônicas.
Geralmente, Harmônicos "incaracterísticos" são causados por imperfeições no sistema de abastecimento de energia AC, incluindo tolerâncias em transformador de enrolamento ângulos de fase, reatância de comutação ea presença de entrada da fonte de alimentação AC tensões harmônicas. Essas imperfeições no lado de alimentação do AC afetar o tempo de disparo do tiristor, como o seu sinal de sincronização é tomada a partir da frequência fundamental AC. Normalmente, a assimetria é menor, a distorção resultante é pequeno e os efeitos mínimo.
Supõe-se que a fase de controlo de temporização ou de queima é idêntico para todos os semi-condutores sobre uma fase, sincronismo de fase-a-fase é coordenado e que cada grupo de fase é disparado precisamente com respeito uns aos outros. Para cancelamento, precisamos de disparo preciso e repetitivo. Esta é outra área onde as tolerâncias desempenham um papel importante. Desvios de queima também irá gerar correntes harmônicas incaracterísticos. Num devidamente projetado e retificador operacional, os harmônicos não característicos "" são normalmente mínima, e não são uma preocupação.
Filtros de harmônicas são projetados, portanto, com base na "teoria" aceito, apenas para tratar os harmônicos característicos normais. Por razões de custo, eles normalmente não são projetados para lidar com excessivas "incaracterísticos" correntes harmônicas.
Em. ANÁLISE
Havia uma série de obstáculos na investigação e análise do sistema conversor de planta. Um deles foi analisar o problema de superaquecimento, sem a capacidade de medir diretamente a 5ª filtro harmônico atual ramo. Isto tornou difícil para obter uma imagem completa das condições harmônicas existentes. O filtro harmônico consiste em três ramos ajustados precisamente para o 5ª, 7ª e 11ª harmônico. Cada ramo é constituído por um reactor com núcleo de ar, com um conjunto de condensadores para as fases A, B, e
C. O filtro é fornecido por um cabo de metais folheados ou chapeados "Teck" através de um disjuntor equipado com transformadores de corrente. O único ponto de conexão prático para a tomada de medidas foi no transformador de corrente que fornece todos os três ramos do filtro.
TABELA 1 Medido Correntes Harmônicas na Linha A retificador de entrada
As correntes harmônicas produzidas pelo retificador eram razoáveis com os componentes não característicos superiores ideal, mas não tão incomum para um retificador 1978-vintage. Foi notável, contudo, que as medições na entrada do retificador tinha uma quantidade mais baixa de 4ª corrente harmónica do que na entrada do filtro. Isto proporcionou o primeiro indício de que as correntes harmônicas não características eram a fonte da angústia reator.
Medidas na Linha Um disjuntor indicaram que o sistema de alimentação AC era aceitável e não um ponto de preocupação.
Quando as medições foram feitas na Linha Um filtro, tudo parecia razoável. As correntes medidas não excede a classificação dos reatores e temperaturas ambientes estavam dentro da 30 ° C classificação teste do reator.
Assim, o que estava causando o superaquecimento? Pistas foram descobertos como analisamos a história da operação do retificador. As discussões com o pessoal de manutenção das plantas indicaram que um extenso retrofit da secção de potência retificador recentemente tinha sido concluída, com dispositivos de grandes dimensões instalados. Este tinha eliminado as falhas tiristores repetidas que ocorrem antes do retrofit e foi um forte indício de que o problema foi associado a irregularidades controle.
Se os tempos de disparo não é idêntico para um conjunto paralelo de tiristores, distribuição irregular de carga pode resultar a produção de semi e tímido individuais; falhas de condutores e gravitar em torno de uma cascata posterior de falhas através do sistema quanto menos dispositivos transportar mais e mais da carga. Com a instalação de dispositivos de grande porte maiores, a planta havia eliminado o sintoma.
Próximo, o sistema de energia foi analisado com particular ênfase para identificar quaisquer condições anormais ressonância harmônica.
Várias configurações de sistemas de energia utilizadas durante as operações normais da planta foram verificados. Uma descoberta interessante foi feita quando a Linha A estava operando com o retificador Linha B e filtro desligado. O 5ª ramo de filtro na linha A (série ajustado para exactamente 300 Hz) exibia forte ressonância paralelo com o sistema de potência no 4ª harmônico quando o sistema Linha B está fora de serviço. Quando o sistema está a funcionar a Linha B, a ressonância paralela ainda está presente, mas não tão significativa.
A análise posterior indicou que, se Linha B é desligado eo retificador produz tão pouco quanto 5% 4ª corrente harmônica, é amplificado e provoca uma 40% sobrecarga de corrente no 5ª ramo do filtro de linha A.
Essa descoberta forneceu a base teórica para uma suspeita crescente de que uma ressonância harmônica mesmo era a fonte do superaquecimento do reator. Uma pergunta permaneceu: a planta normalmente opera em plena capacidade, 24 horas por dia, durante todo o ano - poderia uma queda de manutenção anual curto na Linha B ser suficiente para provocar o superaquecimento e resultantes faixas escuras sobre os reatores?
Reactores tem um aumento de temperatura máximo normal de 60 ° C ao longo de um 30 ° C de temperatura ambiente. O fabricante informa que o isolamento do reator não descolorir até atingir 130 ° C. Para chegar a esta temperatura, a corrente total no reactor seria necessário aumentar a 140% da classificação reator. Uma vez que os reactores apresentam pouca massa térmica, esta temperatura iria ocorrer na ordem de minutos.
Armado com estes dados, a teoria de que a alta, harmônicos não característicos estavam causando o superaquecimento poderia ser testado. Outro conjunto de medidas foi tomada em linha A para quantificar intermitente, correntes harmônicas não características próximas do retificador e sua amplificação na 5ª ramo harmônica do filtro.
Um protocolo de medição cuidadosa confirmou que a amplificação foi de fato ocorrendo. As medições de 20% para 58% de 4ª corrente harmônica (como uma percentagem da corrente total do filtro) foram registados durante um período de, aproximadamente, 13 segundos na Linha Um filtro. Verificou-se que o 5ª filtro ramo estava chegando quase a metade da corrente total do filtro, e 70% do 4ª corrente harmônica. Como resultado, por curtos períodos esses reactores são carregados com mais de 200% da corrente nominal. Com Linha B para baixo, o efeito provavelmente seria consideravelmente pior.
Este último pedaço de dados completou o quadro.
Figo. 5: Série & Paralelo de Ressonância 5ª Filtro & 13.8 kV Bus
WE. MAIS TEORIA
Como discutido anteriormente, harmônicos podem ser criados em sistemas retificadores, disparando irregularidades temporização. Galloway [7] descreve instabilidade harmônica como a operação anormal de um sistema conversor devido à distorção de tensão harmônica da fonte de energia causada pela própria correntes harmônicas. J.D. Ainsworth escreveu um artigo clássico sobre o mesmo tema 35 anos atrás [8].
Galloway [7] explica os vários modos de irregularidades de tempo. As irregularidades são definidos em três tipos.
Tipo 1 - Desvio de pulso - Um dos seis impulsos não ocorre no tempo ou modo correcto. Isso resulta em um "em toda a linha" aumento correntes harmônicas, com má cancelamento de harmônicos ímpares e produção de correntes harmônicas mesmo devido à assimetria de meia onda em torno de zero.
Tipo 2 - Fase Desequilíbrio - desbalanceamento de fase não produz nivela; ele atua como um retificador monofásico e produz todo o espectro de harmônicos ímpares com componentes de modulação de ± 2 de freqüências harmônicas normais.
Tipo 3 - Grupo Desequilíbrio - Pulsos 1, 3 e 5 são deslocados uma quantidade igual de 2, 4 e 6. Isto resulta na geração de harmónicas pares, que é, múltiplos de 3 ±1.
As medições feitas na planta parecia indicar que um tipo 1 problema estava ocorrendo devido às variações de tempo aleatórios, como períodos de harmônicos elevados em todo o espectro, incluindo harmônicos foram anotadas. Com o sistema eletrônico de controle mais velhos, contudo, o modo de falha foi difícil isolar, e um Tipo 3 problema, com saturação de inter-fase, poderia ser de ocorrência.
Os transformadores de inter-fase são normalmente concebidos para absorver apenas uma pequena quantidade de desequilíbrio entre as metades do retificador e podem rapidamente entrar em saturação. Quando o sistema retificador não é bem equilibrado, as correntes dos dois grupos de impulsos de 3-fluir em direcções opostas em inter & tímida saída; fase dc produzir magnetização significativa do núcleo. À medida que ele entra em saturação e torna-se ineficaz, o retificador opera como um dois, separado, 3-grupos de pulso com os pontos da estrela conectados e semi-condutores só a realização de mais da metade dos normais 120 °. Os resultantes 60 ° de ângulo de condução resultados em cerca de um 17% aumentar em semi-condutores de energia (watts) perda. Isto resulta num aumento substancial no aquecimento de tiristores, fusíveis, bem como a secundária dos transformadores.
Este desequilíbrio também resulta em uma corrente DC eficaz que o transformador secundário deve transportar. O transformador pode entrar em saturação, aumentando as perdas e criando grandes quantidades de calor e uma quantidade desproporcional de terceira harmônica.
VII. ACHADOS
As peças do puzzle estavam começando a se unirem. Mais e mais evidências apontaram para um mesmo ressonância harmónica como a causa do sobreaquecimento do filtro.
A origem das dificuldades encontradas é um problema de circuito de disparo do tiristor. A idade do sistema de controle e resultando "drift" componente eletrônico, parece ter criado um tipo de 1 sincronismo irregularidade.
Firing assimetria estava afetando não diretamente a operação do retificador com os tiristores de tamanho grande que tinha sido recentemente instalados, mas ainda estava afetando o filtro harmônico sob certas condições de operação da planta.
A Linha Um retificador é longo 30 anos de idade e, enquanto bem passado sua vida projeto original, operação contínua dessas máquinas robustas é comum na indústria eletroquímica. Os Aquiles curar dessas unidades é tipicamente o sistema eletrônico de envelhecimento do sistema de controle. Equipamentos eletrônicos tem uma banheira & tímido; curva de confiabilidade em forma e este equipamento é provável sobre a inclinação ascendente da curva que. Em resumo, problemas no sistema de controle são de se esperar com retificadores mais velhos.
As medições demonstraram que com a operação da linha B, grandes quantidades de 4ª corrente harmônica sobrecarregado a Linha Um filtro 5ª ramo por períodos curtos. Os reatores têm pouca massa térmica, e pode atingir temperaturas extremas na ordem de minutos. Por pelo menos 13 segundos períodos, os reactores foram expostos a uma 200% carga. Se a Linha B é desligado sob estas condições, as correntes são susceptíveis de ser significativamente maior. Um aspecto positivo é que a Linha B é encerrado com pouca freqüência para curtos intervalos de manutenção. Os efeitos cumulativos de superaquecimento repetido ao longo do tempo tem sublinhado os reatores.
Em 1992, um dos 5ª reatores harmônicas foi substituído. Isso explica por que apenas dois dos três reactores existentes estão mostrando sinais de danos. O reactor mais recente não foi exposto ao mesmo grau de sobreaquecimento repetido nos dois reactores harmónicas quinta mais velhos.
Uma preocupação secundária é compensar o DC efeitos sobre a inter & tímido; fase e circuito secundário do transformador. Enquanto o transformador está em boas condições, DC correntes elevadas podem aumentar substancialmente o aquecimento e levar a degradação a longo prazo. Toque em trocadores, braçadeiras de núcleo e outro hardware interno pode ter localizado efeitos de aquecimento com o aumento dos níveis de correntes harmônicas [10], particularmente com as correntes harmônicas não características para que a máquina nunca foi projetado.
VIII. PLANO DE AÇÃO
A inspeção física da 5ª reatores de linha A foi concluída e, embora salientou, não estavam em perigo imediato de falhar, particularmente se a Linha B é mantido em linha.
A instalação de um novo sistema de controle do retificador é uma despesa de capital substancial, ea planta está agora a considerar esta etapa. Entretanto, as seguintes medidas foram postas em prática.
Figo. 6: Linha Sistema A Controle Retificador
Primeiro, o relé de proteção de pico de detecção está sendo substituído por um relé programável moderno que é sensível à ordem baixa freqüências harmônicas experimentado neste sistema. Isto irá fornecer alarmante e disparo do banco de filtros se os reatores estão em perigo de sobrecarga. Este relé também mede e registra os níveis de harmônicas.
Segundo, redesenhado 5ª reactores de filtros de harmónicas estão a ser instalados para mover a ressonância paralelo entre o filtro e o sistema de alimentação para um valor inferior a 4ª. O novo projeto irá diminuir consideravelmente a sensibilidade à ressonância. Novos reatores foram encomendados ea substituição foi agendada.
Finalmente, o intervalo entre as amostras de gás transformador dissolvido foi diminuída para melhorar o monitoramento da condição do transformador. Análise de gases dissolvidos é uma ótima ferramenta para avaliar a condição de transformadores, especialmente quando confrontada com o estresse harmônica incerto. A ação corretiva pode ser tomada como necessária.
IX. CONCLUSÕES
Um retificador sustentado 4ª nível harmônico de 5% ou mais, em um momento em Linha B está fora, tem sobrecarregado os reatores e os fez correr quente e descolorir. Ao longo dos anos, tem havido uma intensificação do efeito cumulativo da condição. Se nada foi feito, histórico operacional planta estabeleceu que a falha se seguiria.
Como uma primeira etapa, o relé de proteção do filtro foi modificado para detectar uma 4ª sobrecarga de corrente harmônica e alarme e viagem como exigido.
Os efeitos sonoros de afinar a Linha Um filtro de harmônicas exatamente para cada freqüência harmônica de ser tratado não foi considerado no projeto original. Ajustando cada um dos 5ª, 7ª e 11ª ramos para uma freqüência 2% para 10% abaixo da meta de freqüência teria aliviado a ressonância paralela.
A reformulação dos reatores danificados filtro é completa e os novos reatores estão agendadas para instalação.
Os novos maiores tiristores, que foram recentemente substituídos, são capazes de resistir a irregularidades do sistema de controle para um grau muito maior, com uma consequente melhoria na confiabilidade. Irregularidades sistema de controle que anteriormente causaram problemas retificador, contudo, ainda afetar o sistema de alimentação CA.
Mesmo harmónicos também fará com que o transformador rectificador para executar mais quente pela saturação do circuito magnético. Grampos de metal, equipamentos e outros componentes podem sobreaquecer no interior do transformador, criando pontos quentes localizados. Isso pode reduzir significativamente a vida útil do transformador.
Foram tomadas medidas para mitigar os problemas imediatos como observado e um sistema de controle de substituição está em estudo pela planta.
X. AGRADECIMENTOS
Eu gostaria de agradecer a John Kirichenko e da Usina equipe pela oportunidade de trabalhar neste desafio muito interessante e meu colega Bernd Schmidtke, P.Eng. por seu excelente trabalho e uma visão sobre este projeto.
XI. Referências
[1] J.C.. Ler, “O cálculo do Retificador e Inversor Características de desempenho”, Proceedings of the IEEE, Vôo. 92, Parte 2, Não. 29, Outubro 1945, pp. 495-509. [2] A.P. Jacobs e G.W. Walsh, "Considerações de aplicação para sistemas de energia CC SCR,"IEEE Trans. IGA-4, Julho / agosto 1968. [3] D.E. Íngreme e R.P. Stratford, "Potência reativa de compensação e harmônica de Supressão de Sistemas de Potência industrial utilizando conversores Tiristores,"IEEE Trans. IA-12, 5/76 pp. 235-255. [4] J. Arrillaga et al, "Sistema Harmônicos Power", John Wiley & Filhos, ISBN 0471906409, 1985. [5] Manual do Conversor de Energia, Canadian General Electric Co.. Ltd., 1976. [6] IEEE 519-1992 "IEEE Práticas e Requisitos para Controle de Harmônicos em Sistemas Elétricos de Potência Recomendada". [7] J.H. Galloway, "A instabilidade harmônica em fase controlada retificadores,"Conf IEEE PCIC. registro 1999, pp. 171-175. [8] J.D. Ainsworth, "A instabilidade harmônica entre Controladas Conversores Estáticos e AC Networks,"Percentagem. IEE, No.7 pp.949-957 julho 1967. [9] J. Arillaga et al, "Análise de Sistemas de Potência Harmonic,"John Wiley, ISBN 0471975486, 1998. [10] S.P. Kennedy, "Concepção e aplicação de semicondutores Retificador Transformadores,"Conf IEEE PCIC. 2001 registro pp. 153-159. [11] J. Shaefer "circuitos retificadores – Teoria & Projeto,"John Wiley & Filhos, 1965. [12] B.M. Bird et al, "Uma introdução à Eletrônica de Potência,"John Wiley & Filhos, ISBN 10430 2 1983. [13] A. Kloss, "Um guia básico para Eletrônica de Potência,"John Wiley, ISBN 0471904325 1985. [14] P.C. Buddingh & J. St. Mars "Vida nova para velhos Tiristores retificadores de potência usando Controle Digital Contemporânea,"transações IEEE IAS setembro / Oct.2000, pp. 1449-1454.XII. VIDA
Paul C. Buddingh formou na Universidade de Lakehead em Thunder Bay, Ontário, Canadá com uma licenciatura em Engenharia Elétrica. Após a formatura, ele passou vários anos trabalhando fora de Toronto, Canadá como um engenheiro consultor elétrica em funcionamento na indústria pesada. Em 1991, ele co-fundou uma empresa que desenvolveu uma nova abordagem para a resolução de zero magnético sequência de problemas de harmônicos em sistemas de baixa tensão. Em 1997, ele se mudou para Vancouver, Canadá e se juntou Universal Dynamics. Ele tem sido a concepção e instalação de filtros de harmônicas para 15 anos. Seu trabalho é centrado na concepção de sistemas de energia de alta confiabilidade para cargas difíceis, questões conversores de potência e resolução de problemas no sistema de energia para um número de clientes industriais nas Américas. Ele é um engenheiro registrado nas províncias de Ontário, Manitoba e British Columbia e autor de vários artigos do IEEE.