CAPACITOR FAILURE AANÁLISE: A TAnomalias CASE STUDY

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

1.0 Introdução

Uma usina de processamento de aço estava experimentando falhas inexplicáveis ​​de capacitores e operações de fusíveis em um banco de capacitores ligado automaticamente. A planta rola e galvaniza chapa de aço para a indústria automotiva. Qualquer problema que interfira com os cronogramas de produção afeta a linha de fundo. Com o aumento das exigências de produtividade, a planta não pode dar ao luxo de dedicar horas-homem para problemas recorrentes. O pessoal da fábrica precisa resolver os problemas à medida que ocorrem, em vez de continuar a substituir o equipamento falhou ou reiniciar processos de paragem.

A manutenção de um fator de potência aceitável é importante para a planta porque a estrutura de taxa de serviço público inclui uma multa por baixo fator de potência. O departamento de contabilidade notou uma redução na conta de energia elétrica, quando foram adicionados os capacitores, provando que eles são, definitivamente, contribuindo para a linha de fundo.

Devido à carga variável sobre uma planta de 480 V ônibus que precisavam de correção do fator de potência, engenheiros da fábrica escolheu um banco de capacitores ligado automaticamente com quatro etapas variáveis. Quando os capacitores e os fusíveis no banco começou a falhar a conta de energia elétrica aumentou e processos da planta foram afetados.

2.0 Sistema Elétrico de Potência

2.1. Descrição do Sistema

Um diagrama simplificado de uma linha que mostra as partes do sistema de potência relevante para este trabalho é mostrado na figura 1.

Figura 1. Uma Linha Diagrama do Sistema de Potência

A planta de processamento de aço é servido no 13.2 kV no final de uma linha de distribuição aérea radial. Esta linha tem um relativamente baixo MVA de curto-circuito para este nível de tensão. O MVA de curto-circuito 13.2 kV é 55 MVA com uma relação X / R do 2.99. A partir da medição, há quatro transformadores que atendem diversas partes da planta. Estes transformadores variam desde 1000 para 3000 kVA.

Um dos transformadores, um 13.2 kV-480Y/277 V, 1500 kVA Wye aterrado-delta com um 5.6% impedância, serve a 480 Ônibus V, onde o banco de capacitores ligado automaticamente é instalado. É esse banco que tem vindo a registar falhas de capacitores e operações de fusíveis.

O banco de capacitores contém dois 50 passos fixos kvar e quatro etapas de comutação 50 Kvar cada um para um total de 300 esquerda. Os condensadores que formam cada um dos passos são 16.67 esquerda, células trifásicos. Todas as classificações estão em kvar 480 Em. Nenhum dos passos são configurados como filtros harmónicas. Cada 50 kvar grupo é protegido por seu próprio conjunto de fusíveis limitadores de corrente. Os passos mudar dentro e fora de serviço automaticamente com base no algoritmo de controle de correção do fator de potência no banco.

Os passos de variáveis ​​no banco são ligados por meio de contatores eletromecânicos. O algoritmo de controle alterna passos dentro e fora, a fim de manter um factor de potência alvo. Há um atraso de tempo quando se muda, ou a adição ou remoção de capacitores, para evitar a caça, a comutação excessivo dentro e para fora de uma etapa.

O algoritmo de controlo também evita comutação em um passo dentro de um minuto após ter sido desligado. Isto permite carga retida para dissipar a menos de 50 V antes de reconectar-los. Isso é feito para que os capacitores não estão em penalidades do fator de potência. Lançamento de sistema ligado em quando eles têm uma carga presa, capacidade não era um problema neste particular, que pode levar a um serviço de comutação excessiva. A multi-etapa, transitória bancária automaticamente comutada. foi escolhido por causa da natureza intermitente

Estas duas limitações permitem curtos períodos de tempo em que o critério de fator de potência não é cumprida. No balanço, contudo, o fator de potência global do ponto de vista da procura é mantido acima do nível definido.

A carga sobre esta 480 Ônibus V inclui quatro unidades de DC, servido de dois transformadores de isolamento (duas unidades por transformador). Essas unidades funcionam de forma intermitente como as demandas de processos. A carga média na principal 1500 kVA transformador estava 550 Uma, com um máximo de 990 Um durante as medições. As unidades são as únicas fontes harmônicas significativas no ônibus. Quando as unidades de chamar a sua corrente máxima, eles podem conter cerca de 40% da carga de ônibus. Isso não acontece com muita frequência, contudo.

Com os capacitores para correção de fator de potência, A planta de processamento de aço beneficia de apoio de tensão, além de redução de custos, devido à redução de muitas das cargas sobre este ônibus especial.

2.2 Descrição do problema

A planta de processamento de aço estava experimentando problemas com o banco de capacitores ligado automaticamente por algum tempo antes que investigou o problema. O problema não foi descoberto imediatamente, porque o banco não é verificada regularmente. O problema foi notado pela primeira vez na conta de energia elétrica. Acompanhamento permanente no local pode ter detectado o problema, mais cedo.

A primeira ação natural era simplesmente substituir os fusíveis queimados que foram encontrados. Mais tarde, foi notado que algumas células de capacitores também tinha falhado. Estas também foram substituídos. Quando os problemas persistiram um exame detalhado foi realizado.

No momento das medidas, alguns fusíveis foram destruídas e algumas células de capacitores não tinha. Os fusíveis em Passos variáveis 1 e 4 foram sopradas e um dos três 16.7 esquerda (trifásica) células em Passo 3 tinha falhado tão Passo 3 só estava fornecendo 33.3 kvar ao invés de seu nominal 50 esquerda.

Sem causa aparente foi observada durante as medições que foram realizadas. Ou o problema era devido a efeitos cumulativos ao longo do tempo ou que era um problema intermitente que não ocorreu durante as medições.

O facto de as deficiências não ocorreu durante as medições feitas análises adicionais necessários para determinar a causa do problema. Se tivesse ocorrido falhas durante as medições, os dados de medição no momento em que as falhas podem ter sido analisada e a causa pode ter sido determinado muito mais cedo.

3.0 Medidas Power System

3.1 Resultados da medição de harmônicas

As possíveis causas para as falhas de capacitores e operações de fusíveis incluído harmônicos excessivos e transientes (sobretensões). As medições foram realizadas para quantificar as tensões harmónicas e correntes nos condensadores, a fim de estudar se harmónicas foram a causa das falhas. O monitor de potência utilizado para estas medições também pegar transientes se eles estavam a ocorrer. As medições também foram efectuadas em outras partes do sistema de energia, incluindo as unidades de DC, que são conhecidos por causar harmônicos, como parte de um esforço maior estudo.

Os valores médios para a distorção harmônica total de tensão (THD) e os rms, fundamental, e tensões harmónicas no banco de condensadores com diferentes configurações de escalões kvar são apresentados na Tabela 1. Todas as configurações também incluem o 100 Passo fixo esquerda. Todos os valores indicados são as médias de três fases. Todos os harmônicos são dadas em percentagem dos direitos fundamentais.

Ordem superior harmónicas pares tais como o 8^ª, 10^ª, 12^ª, 14^ª, et cetera normalmente não são relatados, mas eram, neste caso,. Isto foi feito para investigar uma possível condição de ressonância harmônica perto essas freqüências.

Os valores médios para o THD atual e os rms, fundamental, e as correntes harmónicas fluindo no banco de condensadores com diferentes configurações de escalões kvar são apresentados na Tabela 2. Todas as configurações também incluem o 100 Passo fixo esquerda. Todos os valores indicados são as médias de três fases. Todos os harmônicos são dadas em percentagem dos direitos fundamentais.

Os valores médios para o THD atual e os rms, fundamental, e as correntes harmónicas fluir em várias outras localizações importantes são apresentados no Quadro 3. Todos os valores indicados são as médias de três fases. Todos os harmônicos são dadas em percentagem dos direitos fundamentais. Para as unidades DC, todos os dados são apresentados durante períodos de carga significativa. Momento em que as unidades não estavam operando não está incluído nos dados da unidade.

Mesa 1. Resumo Medição Capacitor Voltage

Mesa 2. Resumo Capacitor Medição de Corrente

Mesa 3. Carregar Resumo Medição de Corrente

As medições mostram relativamente alta, mas não é incomum, níveis de harmónicas serem produzidos pela largura de pulso modulada (PWM) unidades. Por comparação, os harmônicos no banco de capacitores e no transformador tem muito maior do que os níveis esperados de 11^ª e 13^ª harmónicas relativos às harmónicas injectadas no sistema pelas unidades. Isto sugere uma condição de ressonância harmônica. Este fenômeno é mais explorada na Seção IV, Análise Harmônica.

3.2 Resultados da medição transitórios

Durante o curso das medições, havia apenas alguns transientes significativos medidos, nenhum dos quais seria capaz de causar problemas. A mais elevada tensão transitória foi 1.74 Unidade. Nenhum dos transientes com significativa alta tensão durou mais de 50 ms.

As únicas transientes de tensão que tiveram aumentos correspondentes de corrente foram alguns capacitor transientes de comutação. Lembre-se que o objetivo é encontrar a causa das operações de fusíveis, bem como as falhas de capacitores. Portanto atual também é de interesse, não só a tensão. Um dos transientes gravadas é mostrado na figura 7 e é discutido na Seção VI.

4.0 Análise Harmônica

IEEE Std 519-1992 [2] discute os possíveis efeitos de harmônicos sobre capacitores. Porções da Seção 6.5 deste documento são apresentados a seguir:

Uma das principais preocupações decorrentes da utilização de condensadores de um sistema de energia é a possibilidade de ressonância do sistema. Este efeito impõe tensões e correntes, que são consideravelmente mais elevadas do que seria o caso sem ressonância. A reatância de um banco de capacitores diminui com freqüência, eo banco, portanto, atua como um dissipador de correntes harmônicas mais altas. Este efeito aumenta o aquecimento e estresses dielétricos. O resultado do aumento do aquecimento e tensão tensão provocada pelas harmônicas é uma vida encurtada capacitor.

Adicionando capacitores fará com que o sistema de energia para ser ajustado para uma determinada harmônica. Esta é conhecida como ressonância paralelo entre os condensadores e da fonte (incluindo o transformador) indutância. Uma ressonância paralela apresenta uma alta impedância de harmónicas injectadas na ou perto da frequência de ressonância. Isto não deve ser confundido com a ressonância série, o qual é utilizado em filtros de harmónicas para apresentar uma baixa impedância para uma determinada frequência de remover essa frequência do sistema.

Se a freqüência de ressonância paralela está perto de freqüências harmônicas injetadas dentro da fábrica, tensões e correntes nessas freqüências será ampliado. Isto é mais provável quando o banco de capacitores é um banco ligado com várias etapas, desde há várias freqüências ressonantes possíveis. Ressonância pode resultar em aumento dos problemas de harmônicas e podem levar a falhas de capacitores.

Os cálculos foram realizados para estimar as freqüências de ressonância do sistema de alimentação com diferentes níveis de capacidade on-line. A frequência de ressonância de um sistema, a um transformador secundário, pode ser calculada com a seguinte fórmula. h é o harmônico sintonizado do sistema, XC é a impedância capacitiva de todos os condensadores ligados ao bus secundário do transformador, e XO é a impedância indutiva do transformador (mais primário impedância da fonte indutiva, se disponível).

A informação para o transformador #3 é como se segue: 1500 kVA, Z = 5,6%, 13.2 kV-480Y/277 V. O MVA de curto-circuito no 13.2 nível kV (primário do transformador) é 55 MVA com uma relação X / R do 2.99. Os cálculos de frequências ressonantes produziu os resultados apresentados na Tabela 4.

Scans de impedância harmônicas são mostrados na Figura 2. Esses exames mostram a impedância em uma faixa de frequências para três configurações do sistema. A primeira configuração é, sem quaisquer filtros ou condensadores ligados ao transformador secundário. A segunda configuração é com 150 Kvar on-line, como foi frequentemente o caso durante as medições. Os terceiros configurationis com um 150 banco de capacitores kvar substituído por A4.7^ª filtro de harmônicas.

Mesa 4. Cálculos freqüência de ressonância

Os exames de impedância são realizadas sem cargas de plantas conectadas ao sistema para uma análise de pior caso. Conectado cargas tendem a amortecer, e alterar ligeiramente, impedância scans de um sistema de arredondamento (baixa), e possivelmente mover ligeiramente, os picos na trama. O objetivo das varreduras de impedância é identificar possíveis freqüências de ressonância do sistema. Para permitir que essas freqüências para se destacar de forma mais clara, a análise é realizada sem a ligação das cargas de plantas para o sistema.

A alta impedância a uma dada frequência significa que quaisquer correntes harmônicas injetadas no sistema em que a freqüência causará uma maior distorção da tensão de correntes injetadas da mesma magnitude em diferentes freqüências. Problemas de ressonância harmônica ocorrer quando correntes harmônicas são injetados em freqüências com altas impedâncias.

Figura 3 demonstra a possibilidade de ampliação de frequências harmónicas, devido à presença de uma bateria de condensadores ou um banco de filtros em relação ao que tem nem. As impedâncias de o sistema, com o acumulador de condensador e com o filtro foram divididos pela impedância do sistema com nenhum. Novamente, sem a presença de cargas resistivas para proporcionar amortecimento, esta é uma análise de caso pior.

Figura 2. Impedância Versus Harmonic Frequency

 

Figura 3. Ampliação Versus Harmonic Frequency

A presença da bateria de condensadores amplifica claramente uma gama de harmónicas. Harmônicos característicos de seis unidades de pulso incluem o 5^ª, 7 , 11 , 13 , 17 , 19 , etc, em quantidades decrescentes. Mas, durante as medições no local os capacitores e os principais 1500 kVA transformador estavam carregando significativamente mais 11^ª e 13^ª corrente harmônica de 5^ª e 7^ª. Isso ocorreu apesar de muito maior 5^ª e 7^ª injeções de correntes harmônicas. Isto pode ser explicado pela afinação do sistema, com a bateria de condensadores em linha. Existe claramente um certo grau de ressonância harmónica neste sistema.

Exceto por uma pequena faixa de freqüências (devido à ressonância paralela do filtro) o filtro tende a reduzir a impedância de harmónica em relação ao sistema sem quaisquer condensadores. O filtro foi ajustado abaixo do menor freqüência harmônica característica produzido pelas unidades de seis pulsos para evitar ampliando quaisquer correntes harmônicas produzidas pelas unidades.

Figura 4 mostra a tensão de linha-a-linha e corrente total para o banco de capacitores com 150 Kvar on-line, gravado durante as medições. Estas formas de onda mostram que as formas de onda de corrente e tensão podem olhar como em uma condição de ressonância. Note que existem freqüências adicionais que montam no 60 Formas de onda Hz, especialmente a forma de onda de corrente.

Com 150 Kvar on-line, os cálculos estimar uma ressonância a cerca de o 11.1^ª harmônico. Frequências perto deste harmônico também podem ser amplificados. A forma de onda atual mostra uma forte 11^ª e 13^ª componentes harmónicas sobrepostas na 60 Hz. A ressonância pode ser identificado na forma de onda por meio da contagem do número de picos devido à frequência ressonante que ocorrem dentro de um 60 Ciclo Hz. Isso é um pouco menos claro, neste caso, porque há tanto 11^ª e 13^ª harmônicos, mas pode-se contar 11 picos "dominantes" em um 60 Ciclo Hz.

Figura 5. Harmonic Spectrum atual a partir da Figura 4

Figura 5 mostra o espectro de harmónica calculado para a forma de onda de corrente na figura 4. Isto mostra claramente o dominante e 13 harmónicas, apesar do facto de que a carga está a gerar mais harmonicproducing 5^ª e 7^ª corrente harmônica.

A análise harmônica detalhada estudando como um filtro harmônico poderia reduzir os níveis de harmônicas e projetar esse filtro não foi realizada devido a descobertas posteriores.

Embora harmônicos não foram encontrados para ser a causa dos problemas no banco de capacitores, os capacitores estavam causando uma situação de ressonância harmônica. Por esta razão, ou se harmônicos se mais de um problema no futuro, foi recomendado que se a correção do fator de potência foi necessário em outras partes da planta onde havia menos cargas harmônica produtoras, seria uma boa idéia para mover este banco de capacitores para essa área. Em seguida, deve ser substituída por um banco configurado como um filtro harmónico.

Outra possibilidade, Não investigado neste estudo, seria a "de-tune" o banco de capacitores. Isso não seria ajustar o banco para filtrar harmônicos, mas ajustá-lo para evitar causar ressonância harmônica. A adição dos reatores de-ajuste também reduziria as sobretensões transitórias durante capacitor de comutação.

5.0 Exame de equipamentos avariados

5.1 Introdução

Em casos como este, uma análise do equipamento falhou muitas vezes produz pistas valiosas e este caso não foi excepção. Os fusíveis que tinham erradicado foram raio-x para determinar a causa de sua operação. Este raio-x foi enviado para o fabricante do fusível para exame. Uma célula capacitor não foi examinado pelo fabricante.

5.2 Capacitor Exame

O fabricante capacitor descobriu que o fluido dielétrico no capacitor não foi quase preto a partir de depósitos de carbono. Depósitos de carbono são causadas pela formação de arco que queima ou quebra o material dielétrico.

A descarga interna (ou sangrar-off) resistores (exigido pelo Código Elétrico Nacional [3] para descarregar condensadores de 600 V e inferior a 50 V ou menos dentro de um minuto) foram encontrados para ter queimado e desconectado guias de conexão. Não está claro se isso foi a causa ou o efeito da falha.

Para verificar as resistências de descarga em capacitores que não tinham falhado, vários dos bons condensadores foram desligados do sistema depois de terem estado em linha. As tensões foram então monitorados para ver se os capacitores descarregados corretamente. Em cada caso, os capacitores descarregados corretamente indicando que as resistências de descarga ainda estavam ligados e fazer o seu trabalho.

Vários bons capacitores também foram retirados do serviço, a fim de verificar a sua capacidade. Em todos os casos, a capacitância é muito próximo do valor esperado.

O fabricante sugere duas causas possíveis para as falhas: sorteio e sobretensão condições correntes harmônicas excessivas devido a uma conexão intermitente. Corrente harmônica excessiva poderia ser devido ao acionamento de motores ou de uma condição de ressonância. Uma conexão intermitente pode deixar uma carga presa no capacitor que pode resultar em transientes de chaveamento mais graves (sobretensões mais elevadas) quando a tensão for reaplicada. É por isso que se deve ter cuidado ao alternar manualmente os bancos de capacitores. Quando um passo é desligado manualmente, deve ser deixado de fora por pelo menos um minuto para que possa cumprir a 50 V ou menos. Isso é discutido mais adiante na Seção VII, Capacitores de comutação Transitórios.

5.3 Fusível Fundo

Os fusíveis de capacitores neste caso são fusíveis limitadores de corrente. Usando fusíveis limitadores de corrente para proteger os capacitores é comum com baixas voltagens, mas geralmente não é feito com média ou alta tensão capacitores (4160 V e maior) devido ao custo.

Fusíveis limitadores de corrente pode apagar de duas maneiras: sobrecarga e curto-circuito, nas palavras de fabricantes de fusíveis. Engenheiros Consultores de energia também chamar esses dois eventos sobrecorrente e energia de impulso (Eu²t).

O Código Elétrico Nacional [3] define uma sobrecarga do seguinte modo:

A operação do equipamento em excesso do normal, classificação de plena carga, ou de um condutor em excesso de capacidade de corrente nominal que, quando persiste por um período de tempo suficiente, causaria danos ou superaquecimento perigoso. Uma falha, como um curto-circuito ou falta à terra, não é uma sobrecarga.

Uma sobrecarga é uma corrente que é tipicamente "entre um e seis vezes o nível de corrente normal." [4] Um fusível irá operar, ou claro, Se a sobrecarga está presente durante um determinado período de tempo com base na sua característica de tempo-corrente (TCC). Se a sobrecarga é muito curta duração, fusíveis são geralmente projetados para ignorá-la. Por exemplo, irrupção do motor e energização do transformador são eventos normais do sistema que causam altas correntes por um breve tempo e não deve causar um fusível para operar.

Um curto-circuito é "uma sobrecorrente que excede a corrente de carga total normal de um circuito por um factor de muitos tempos (dezenas, centenas, ou milhares) maior. " [4] Ao contrário de uma sobrecarga, um curto-circuito geralmente é causado por uma falha.

O Código Elétrico Nacional [3] define um limitador de corrente dispositivo de proteção de sobrecorrente do seguinte modo:

Um dispositivo que ..., quando interromper correntes em sua faixa de limitador de corrente, irá reduzir o fluxo de corrente no circuito de falha de uma magnitude substancialmente menos do que o obtido no mesmo circuito, se o dispositivo foi substituído por um condutor sólido com impedância comparável.

Fusíveis limitadores de corrente são projetados para "limitar culpa pico magnitude atual e reduzir a duração do tempo de falha para uma melhor proteção do equipamento." [5] Eles podem interromper uma corrente de curto-circuito em menos de metade de um ciclo, antes da atual teria atingido um zero corrente natural.

Características limitando atual fusível, quando a corrente é suficientemente elevada para que eles operam num modo de limitação de corrente, são descritas pelo seu I²valores de t. Eu²t é um valor que é proporcional à energia (que seria I²Rt). Uma vez que a resistência, R, é constante dentro do fusível, o desempenho do fusível é expressa em termos da Eu (atual) e t (tempo) variáveis. Muitas vezes eu²t é usado como sinônimo de energia, como será feito no restante deste artigo.

"Há dois tipos de valores de energia - melt mínimo I²t e deixe-through I²t. Derreter mínima I²t é uma indicação da quantidade de energia necessária para fundir um elemento fusível. Deixe-through I²t é uma indicação da quantidade de energia que um fusível irá deixar passar a uma falha antes de operar e limpar uma corrente. " [5]

O tipo de fusível utilizada para proteger a bateria de condensadores é um fusível de corrente limitando gama. Isto significa que ele tem um TCC que lhe permite operar em sobrecargas, bem como operar num modo de corrente para limitar correntes de curto circuito. Ele tem elementos separados para realizar cada uma dessas funções.

Dentro do fusível não é um "ponto M" que é feito de uma liga que é concebida para derreter e claro para sobrecargas, mas não funcionarão para curto-circuitos. Há também vários "pontos fracos" ou "elos fracos" que são projetados derretimento e claras para curto-circuitos, mas não para sobrecargas.

Se houver um problema com harmónicos excessivas causando corrente de estado estacionário adicional, este seria esperado para causar o ponto M para derreter e clara. Se houver um problema com os curto-circuitos dos pontos fracos que seria esperado para derreter e clara.

5.4 Fusível Exame

Como mencionado anteriormente, fusíveis que tinham erradicado foram raio-x para determinar a causa de sua operação. Este raio-x foi enviado para o fabricante do fusível para exame.

Figura 6 mostra um raio-x de seis dos fusíveis que abriu. Em nenhum dos seis fusíveis se o ponto M clara, indicando que uma sobrecarga não tinha culpa. Em todos os seis fusíveis um, dois, ou três pontos fracos apuradas. Se tivesse havido um curto-circuito ou uma falha no banco de capacitores, todos os quatro pontos fracos teria apagado.

O engenheiro com o fabricante do fusível que analisou as radiografias declarados:

Note-se como pontos a 'M' sobre os links não são derretidos. Isto sugere que a corrente foi mais 500% de classificação do fusível. Agora, nem todos os pontos fracos estão abertas. Isto sugere uma sobrecarga, não um curto. Coloque os dois juntos & você conseguir alguma coisa na magnitude da 600%-800%. Os harmônicos só deve adicionar aos efeitos do aquecimento, não ser a principal preocupação.

De acordo com o fabricante, o 100 A fusíveis limitadores de corrente utilizados para proteger a bateria de condensadores tinham uma massa fundida que mínimo²t de 5,000 A²seg e um pico passante I²t de 11,000 A²seg. Isto significa que por um curto-circuito, que tinha um I²t de 5,000 A²seg, os pontos fracos do fusível iria começar a derreter e limpar. Todos os pontos fracos não seria esperado para limpar, contudo. Por um curto circuito muito alta, todos os pontos fracos que seria esperado para limpar.

Porque, em todos os fusíveis radiografado, apenas um a três dos quatro pontos fracos compensados, o I²t do evento que causou os fusíveis de operar era esperado para estar entre 5,000 e 11,000 A²seg.

Com base nessas informações, foi agora claro que era transitórios que foram fazendo com que os fusíveis para limpar e, provavelmente, os capacitores de falhar. Seção VII, Capacitores de comutação Transitórios, examina a causa dos efeitos transitórios e à situação original que causaram inesperadamente transientes severas para ocorrer.

6.0 Análise de Falhas

6.1 Análise do fusível

As medições mostraram que a corrente eficaz em cada um dos fusíveis não abordar o seu 100 A classificação. Lembre-se que cada conjunto de 100 Um fusível protege um 50 grupo kvar de capacitores. A corrente de carga completa de cada 50 grupo é kvar 60 A. O fusível é 166% da corrente nominal plena carga. Quando as classes mais rápidas de fusíveis são usados, muitas vezes eles são feitos sob medida ainda maior.

O fusível é selecionada para permitir correntes de energização de capacitores (o que pode ser muito mais elevada do que a carga total) quando cada passo é comutado. Isto impede que o fusível de operar durante tais eventos normais do sistema.

Se harmônicos estavam causando aquecimento excessivo no fusível do ponto M deve ter apagado indicando uma sobrecarga de estado estacionário. Isto não ocorreu. Embora os capacitores estão afundando uma quantidade muito significativa de harmônicas, os harmônicos não foram a causa das operações de fusíveis.

Se houvesse uma falha dentro do armário condensador, a corrente deve ser alta o suficiente para limpar todos os pontos fracos no elo fusível. O trifásico corrente de curto-circuito disponível no 480 Ônibus V é 21.9 kA ea corrente de curto-circuito fase-terra disponível é 24.6 e, tanto considerando apenas origem e transformador de impedância. Uma vez que todos os pontos fracos não clara, a culpa não é a causa provável das operações de fusíveis.

O atual aproximado que causou o fusível para operar foi 600-800 A (600-800% de um 100 Um fusível) de acordo com o fabricante. Esta corrente pode ser desenvolvido a partir de um transiente, tal como um condensador de energização.

O problema é que os dados de medição também não continha quaisquer eventos transitórios que seriam esperados para fazer com que os fusíveis para operar. Na verdade, durante as medições não foram fracassos.

A forma de onda mostrada na Figura transiente 7 é um condensador quando a energização 50 Passo esquerda 2 foi alimentado com a base 100 kvar já em serviço. As correntes de estado estável antes e depois da energização eram aproximadamente 124 A e 180 A, respectivamente (60 A por 50 grupo kvar). A corrente de pico neste caso era -1480 A. Esta foi a maior corrente de pico registrado durante as medições.

A I²t associado com o 1480 Um pico foi 793 A²seg. Incluindo o seguinte pico positivo aumenta a I²t a 1058 A²seg. Estes são ambos bem abaixo do 5,000 A²seg fusível para os pontos fracos para começar a derreter.

Este tipo de evento é analisado com maior profundidade no capítulo VII do papel, Capacitores de comutação Transitórios. Na figura 7 é também importante notar a ressonância em forma de onda atual semelhante ao da Figura 4.

Em síntese, os dados de medição não revelou por que os fusíveis tinha cancelado.

6.2 Análise Capacitor

Capacitores devem ser construídos para suportar tensões e correntes em excesso de suas classificações de acordo com os padrões. A norma aplicável para condensadores de potência é IEEE 18-1992, Padrão IEEE para Shunt Capacitores de Potência. [6] Informações adicionais são fornecidas no padrão IEEE 1036-1992, Guia IEEE para Aplicação de Energia Capacitores Shunt. [7]

IEEE Std 18-1992 dá os seguintes limites de sobrecarga contínua contingência permitidas.

• 110% da tensão nominal rms
• 120% tensão de pico de classificação
• 180% rms da corrente nominal (corrente nominal com base em kvar e tensão nominal)
• 135% potência reativa de classificação

Deve notar-se que os capacitores são frequentemente fundidos abaixo 180% rms da corrente nominal de modo a 180% limite não é normalmente abordado.

Tensões de sobrecarga de curta duração são especificadas no padrão IEEE 18-1992 e IEEE 1036-1992 e são dadas abaixo. Estes padrões indicam que um capacitor pode ser esperado para ver 300 tais sobretensões em sua vida de serviço.

• 2.20 rms de tensão por unidade de 0.1 segundo(6 ciclos de freqüência fundamental rms)
• 2.00 rms de tensão por unidade de 0.25 segundo(15 ciclos de freqüência fundamental rms)
• 1.70 rms de tensão por unidade de 1 segundo
• 1.40 rms de tensão por unidade de 15 segundo
• 1.30 rms de tensão por unidade de 1 minuto
• 1.25 rms de tensão por unidade de 30 atas
• Um padrão mais antigo, IEEE Std 18-1980 também incluiu os seguintes sobretensões admissíveis.
• 3.00 por unidade de tensão rms para 0,0083 segundo (½ ciclo de rms freqüência fundamental)
• 2.70 por unidade de tensão rms para 0,0167 segundo (1 ciclo da freqüência fundamental rms)

Nenhuma destas tolerâncias foram ultrapassados ​​durante as medições.

7.0 Capacitores de comutação Transitórios

7.1 Visão global

Um capacitor de comutação transitória é um evento normal do sistema, que pode ocorrer sempre que um capacitor é energizado. Este transiente ocorre devido à diferença entre a tensão do sistema e a tensão no condensador. Uma característica básica de condensadores é que a tensão entre eles não pode variar instantaneamente. Se um capacitor é a tensão zero e tensão do sistema é aplicado a ele, a tensão do sistema vai ser puxado para baixo a quase zero momentaneamente.

Em seguida, haverá uma corrente de partida capacitor como o capacitor carrega. A tensão no capacitor, então, recuperar e ultrapassar a tensão do sistema, e, em seguida, oscilar em torno do sistema de tensão. É possível que este sobretensão para alcançar 2.0 Unidade (duas vezes a tensão do sistema pico) se o condensador está inicialmente descarregado. Sistema de Amortecimento (resistência) normalmente mantém esta sobretensão abaixo do pico teórico.

A tensão do condensador irá continuar a oscilar em torno do 60 Hz onda fundamentais, com a oscilação gradualmente ficando amortecida fora, geralmente dentro de um ciclo. A grandeza do transiente e a sua frequência de oscilação característica irá depender das características do sistema de energia eléctrica em questão.

Figura 7. Medido Capacitor Energização Transient

A magnitude do transitória irá variar de acordo com duas variáveis ​​no momento da comutação.

Estas variáveis ​​são a tensão inicial no condensador (carga presa, geralmente perto de zero se o capacitor foi autorizado a descarregar) e o sistema de tensão instantânea no momento da comutação. Quanto maior for a diferença entre estas duas tensões, quanto maior for a magnitude do transiente. O pior caso transitória irá ocorrer quando a tensão do sistema é a tensão de pico e há uma carga residual no condensador de tensão do sistema de pico na polaridade oposta.

Lembre-se que o Código Elétrico Nacional requer resistores para descarregar condensadores de 600 V e inferior a 50 V ou menos dentro de um minuto. O algoritmo de controlo do banco de condensadores evita comutação de um passo dentro de um minuto após ter sido desligado. Assim, em operação normal, deve haver muito pouca carga presa nos capacitores ao alternar.

Se a tensão transitória é alta o suficiente o capacitor poderia deixar imediatamente. Se não, os efeitos cumulativos das tensões transientes (maior do que a tensão do sistema pico) pode estressar a dielétrica para o ponto de falha ao longo do tempo. As correntes transitórias fará alto I²níveis t

Figura 8. Transient energização Capacitor (Sim.) No Antes Charge on Capacitor, Eu²t = 1857 A²seg

7.2 Capacitor Energização Simulações

Capacitor simulações de energização foram realizados por duas razões. O evento que causou as falhas de capacitores e operações de fusíveis não ocorreu durante as medições e no exame dos fusíveis indicou que transientes foram a causa provável. As informações do sistema de energia da planta de processamento de aço foi usado para simular algum capacitor comutação eventos sob diferentes condições.

Figura 8 mostra a activação de um 50 passo capacitor kvar sem custo preso e sem outras medidas de capacitores em serviço. A energização ocorreu na tensão do sistema pico. Este transienthad um I²t de 1,857 A sec.

Sem qualquer custo nos capacitores de ser comutados para o circuito, o I²valores de t estão abaixo 5,000 A²seg, o derretimento Eu mínimo²t valor dos fusíveis utilizados para proteger os condensadores. Isto é, claro, um resultado esperado. Se esse não fosse o caso, os fusíveis iria operar regularmente para eventos comuns do sistema.

Figura 9 mostra a activação de um 50 passo capacitor kvar com carga presa e sem outras medidas de capacitores em serviço. A energização ocorreu na tensão do sistema pico. Este tinha um transiente I t de 5,661 A sec.

Figura 9. Transient energização Capacitor (Sim.) Antes de carga no capacitor (-300 Em), Eu²t = 5661 A²éc

 

7.3 Back-to-Back Capacitor Switching

Outro tipo de capacitor de comutação transiente é chamado de back-to-back de comutação. Isto é, quando um segundo capacitor é ligado em estreita proximidade com um capacitor previamente energizado. Neste caso, um transitório rápido ocorre quando os dois condensadores partilhar a sua carga com o outro e chegar à mesma tensão. Em seguida, há uma outra transiente, com o par de condensadores de causar a tensão a oscilar em torno do 60 Hz tensão fundamentais, como descrito acima, como se fossem um único banco de capacitores.

Figura 10 mostra a activação de um 50 passo capacitor kvar com carga presa e com 150 kvar de outras etapas de capacitores em serviço. A energização ocorreu na tensão do sistema pico. Este transiente tinha um I²t de 5,178 A²seg. A escala de tempo para a Figura 10 é grandemente ampliada de que nas Figuras 8 e 9. Isto foi feito para mostrar melhor a transiente inicial maior frequência.

Figura 10. Back-to-Back Capacitor Switching (Sim.) Antes de carga no capacitor (-350 Em), I2t = 5.178 A2sec

7.4 Preso carga

 

As simulações foram realizadas para determinar se condensador transientes de comutação seria capaz de fazer com que as falhas. Os resultados das simulações indicaram que o condensador de transientes de comutação poderia gerar bastante elevada I²os níveis de t para fazer com que os fusíveis para operar. Isto foi verdade apenas se não houvesse níveis elevados de carga retida no passo condensador sendo ligado e a tensão do sistema estava perto o seu pico no momento da comutação.

Com altos níveis de carga presos durante a comutação, as tensões capacitivas também pode atingir mais de 2.0 Unidade. Estes níveis podem não causar capacitores a falhar imediatamente, mas pode causar degradação acumulada do dielétrico capacitor, eventualmente levando à insuficiência.

_Eu²

Mesmo com piores condições, estes níveis de t não atingir o pico passante I²t dos fusíveis. Os resultados das simulações são, portanto, consistente com o facto de nem todos os pontos fracos em qualquer um dos fusíveis tinha desaparecido.

Com esta informação, os eletricistas de plantas substituiu os contatores que se acreditava tagarelar ocasionalmente. Quando os problemas persistiram, os eletricistas observado o funcionamento dos capacitores e eventualmente substituiu a placa de controle no banco de capacitores. Desde então não houve falhas de capacitores ou operações de fusíveis no banco.

 

Referências

[1] "Transitórios Elétricos em Sistemas de Potência,"Segunda Edição, Allan Greenwood, © John Wiley & Filhos, Inc. 1991.

[2] IEEE Std 519-1992, "Práticas e Requisitos para HarmonicControl em Sistemas Elétricos de Potência IEEE recomendados,"© Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos, Inc. 1993.

[3] NFPA 70, Código Elétrico Nacional, 1999 Edição, © National Fire Protection Association, Inc. 1998.

[4] "SPD Elétrica Proteção Handbook - Seleção de Dispositivos de Proteção com base no Código Elétrico Nacional,"© Bussmann, Cooper Industries 1992

[5] "Sistema de Distribuição OverCurrent ProtectionWorkshop - Curso Notas,"© Cooper PowerSystems, Inc. 1996.

[6] IEEE Std 18-1992, "Padrão IEEE para Shunt Capacitores de Potência,"© Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos, Inc. 1993.

[7] IEEE Std 1036-1992, "Guia IEEE para Aplicação de Energia Capacitores Shunt,"© Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos, Inc. 1993.

 

Biografia do autor

Thomas M. Florescente, P.E. é Engenheiro de Aplicação de Produtos Sênior da Divisão de Qualidade de Energia da Eaton Electrical. Tom recebeu uma B.s. em Engenharia Elétrica pela Universidade Marquette, um M.Eng. em Electric Power Engenharia do Instituto Politécnico Rensselaer, e um M.B.A. de Keller Graduate School of Management. Tom trabalha no Grupo Correção do Fator de Potência da Eaton Electrical (Divisão de Qualidade de Energia). Ele lida com questões relacionadas com a aplicação do fator de potência bancos de capacitores de correção, filtros de harmônicas, bancos de capacitores estática comutadas, e filtros de harmônicas ativos, assim como muitas questões relacionadas com a qualidade de energia. Tom trabalhou anteriormente nos Serviços de Engenharia Cutler-Hammer & Sistemas (XADREZ) clientes do grupo e desde que com especialização em engenharia de energia elétrica, com foco nas áreas de qualidade de energia e confiabilidade. Tom tem realizado inúmeras medições e estudos. Além, ele publicou trabalhos técnicos e ministrou oficinas de engenharia e seminários de formação sobre questões de qualidade de energia.