Аутор: Пол Ц. Буддингх, П.Енг. Члан, ИЕЕЕ Универсал Динамицс Лимитед 100 - 13700 Интернатионал Плаце Рицхмонд, БЦ В6В 2Кс8 Канада
Ауторски материјал ИЕЕЕ – Папир бр. ПЦИЦ 2002-11
Ја. УВОД
Ова студија случаја описује истрагу аутора кварова хармонијског филтера у хемијској фабрици у Северној Америци. Постројење користи велике статичке претвараче да прима долазну ниску струју високог напона 60 Хз, Наизменичну струју и исправите је на ниски напон, веома велика струја једносмерне струје за рад електрохемијских ћелија. Очекује се стварање хармонијске струје у овом типу електроенергетског система и хармонијски филтери се обично користе за ограничавање нивоа хармоника и заштиту компоненти електроенергетског система.
Позив из електране је указао на то да су доживели нешто што се чинило као да се прегрева скуп реактора који се користе у хармоничном филтеру повезаном са једним од система претварача фабрике. Реактори у 5ог хармонска грана филтера је променила боју, а тамне траке су биле евидентне на површини од стаклених влакана реактора.
Филтер је првобитно уграђен 1988 и имао историју проблема. The 5ог хармонијски реактори су раније отказивали, а јасан узрок никада није идентификован. Како су прегледане историјске информације и прикупљени подаци мерења, постало је очигледно да се дешава нешто необично.
Овај рад описује системе филтера снаге и хармоника у постројењу, расправља о томе како се стварају некарактеристични хармоници, анализира потешкоћу, идентификује узрок и даје акциони план који се користи за исправљање проблема.
ИИ. КОНФИГУРАЦИЈА СИСТЕМА ЕНЕРГИЈЕ
Фабрика има две производне линије, Линије А и Б, свака се састоји од низа електрохемијских ћелија.
Линија А се састоји од а 1978 старински 6-импулсни исправљач у једносмерном АНСИ 45 конфигурација са међуфазним трансформатором. Примарни напон је 13.8 кВ. Сваки од 6 фазе или "ноге" има осам паралелних тиристора. Петља за закључавање фазе (ПЛЛ) имплементиран је систем управљања типом који користи дискретну аналогну електронику.
Смоква. 1: Хармонични филтер линије А
Уграђен је трокраки хармонички филтер, који се састоји од грана прецизно подешених на 5ог, 7ог и 11ог хармоничан са 6.9 ефективни МВАР кондензатора.
Линија Б исправљачки систем се напаја директно на 66 кВ, у АНСИ 45/46 12-конфигурација импулса је померила додатних 15° да би се направио систем са 24 импулса. The rectifiers are equipped with a single branch harmonic filter, also at 66 кВ, tuned at the 4.7ог harmonic and rated at 15 MVAR effective.
III. BACKGROUND
It has been well known, since at least the 1930’s, that rectifiers produce harmonic currents as they convert electric power from AC to DC. A classic paper from the days of the mercury arc rectifiers, still relevant today, was written in 1945 by J. Ц. Читати. [1]. The proliferation of large thyristor rectifiers in the late 1960s and early 1970s created a resurgence and exacerbation of harmonics issues, largely a result of the increased size of the converters (in the 20 MW to 30 MW range). These new larger rectifiers typically required large capacitor banks for power factor correction, creating an ideal environment for parallel resonance disturbances. In response, настао је велики број одличних радова који се баве овим новим обртом старог проблема [2] [3].
Смоква. 2: Електрични једнолинијски цртеж који приказује главну дистрибуцију струје
Овај рад није намењен да буде буквар или теоријска расправа о хармоници. Постоји много референцираних одличних радова који детаљно објашњавају хармонике електроенергетског система. Посебно, Ј. Арриллага и др, „Хармоници система напајања” [4], препоручује се. Неколико нагласака који се односе на овај случај, међутим, биће сажети.
ИВ. НЕКА ТЕОРИЈА
Полуконтролисани претварачи који се састоје од мешавине диода и тиристора неће бити разматрани у овом раду.. Полуконтролисани претварачи инхерентно производе чак и хармонике и не користе се у апликацијама велике снаге.
Као што је детаљно размотрено у референтним радовима, добро избалансиран „идеалан“ статички претварач – који је, претварач са једнаким струјама у свакој фази исправљача производиће хармонике на страни наизменичне струје претварача према:
х = кп ± 1 (1)
где: х хармонијски ред к било који цео број (1, 2, 3,...) п број импулса кола са величином:
Јах = И1/х (2)
где: Их хармоничка струја И1 величина основне струје х хармонијски ред
У пракси, комутирајућа реактанса и угао кашњења фазе тиристора ће донекле смањити амплитуду струје на сваком од следећих карактеристичних хармоника:
Хармоничан 5 7 11 13 17 19 23 25
Цуррент 0.175 0.111 0.045 0.029 0.015 0.01 0.009 0.008 (Јединица)
Ове нормалне или „карактеристичне“ хармонијске фреквенције почевши од 5ог и 7ог од 6импулсног исправљача се очекују хармоници. Слично, систем са 12 импулса ће имати карактеристичне хармонике почевши од 11ог и 13ог а 24-пулсни ће имати карактеристичне хармонике почевши од 23рд и 25ог секундарне фреквенције, итд. Исправљач делује као извор хармоничне струје, убризгавајући ове хармонске струје назад у систем наизменичне струје. Ако је систем наизменичне струје разумно симетричан и време паљења исправљача је тачно, настале хармонијске струје биће једнаке у све три фазе.
Теорија Жана Бабтиста Фуријеа се користи за математичко објашњење резултујућег хармонијског спектра. 6-импулсни исправљач се састоји од два једносмерна, 3-пулсни исправљачи, било спојено у серију у виду конфигурације моста, или паралелно, као у овом случају. Фуријеова теорија показује да за системе са 3 импулса 3рд, 9ог, 15ог…хармоника је нула. Једносмерно, 3-пулсни систем није полуталасан симетричан око нулте осе и производи чак и хармонике 2, 4, 6,…. Конфигурација од 180° два паралелна исправљача ствара 6-пулсни симетрични систем, што обично елиминише парне фреквенције.
Смоква. 3: Шема 6-импулсне двоструке Вај везе са међуфазним трансформаторима
У стварном свету, увек постоје неки заостали абнормални непарни и парни хармоници на страни напајања наизменичном струјом. Оне су класификоване као "некарактеристичне" хармонијске фреквенције.
Уобичајено, „некарактеристични“ хармоници су узроковани несавршеностима у систему напајања наизменичном струјом укључујући толеранције фазних углова намотаја трансформатора, комутационе реактансе и присуство улазних хармонских напона напајања наизменичном струјом. Ове несавршености на страни напајања наизменичном струјом утичу на тајминг паљења тиристора, пошто је његов синхронизациони сигнал узет са основне фреквенције наизменичне струје. Нормално, асиметрија је мала, резултујућа дисторзија је мала, а ефекти минимални.
Претпоставља се да је фазна контрола времена или паљења идентична за све полупроводнике на фази, временски период од фазе до фазе је координисан и да се свака фазна група прецизно испаљује једна у односу на другу. За отказивање, потребно нам је прецизно и поновљиво пуцање. Ово је још једна област у којој толеранције играју велику улогу. Одступања у паљењу ће такође створити некарактеристичне хармонске струје. У правилно пројектованом и оперативном исправљачу, "некарактеристични" хармоници су обично минимални, и нису брига.
Конструисани су хармонични филтери, стога, на основу прихваћене "теорије", само за третирање нормалних карактеристичних хармоника. Из разлога трошкова, обично нису дизајнирани да подносе прекомерне "некарактеристичне" хармонијске струје.
У. АНАЛИЗА
Постојао је низ препрека у истраживању и анализи система претварача постројења. Једна је била анализа проблема прегревања без могућности директног мерења 5ог струја гране хармонијског филтера. То је отежавало добијање потпуне слике о постојећим хармонским условима. Хармонички филтер се састоји од три гране прецизно подешене на 5ог, 7ог и 11ог хармоничан. Свака грана се састоји од реактора са ваздушним језгром са сетом кондензатора за фазе А, Б, и
Ц. Филтер се напаја једним металним „Тецк“ каблом преко прекидача опремљеног струјним трансформаторима. Једина практична тачка везе за мерење била је на струјном трансформатору који напаја све три гране филтера.
ТАБЛЕ 1 Измерене хармонске струје на улазу исправљача линије А
Хармоничне струје које производи исправљач биле су разумне са некарактеристичним компонентама вишим од идеалних, али не толико необично за исправљач из 1978. године. Било је запажено, међутим, да су мерења на улазу исправљача имала мањи износ од 4ог хармоничне струје него на улазу филтера. Ово је дало први наговештај да су некарактеристичне хармонске струје извор невоље у реактору.
Мерења на прекидачу линије А показала су да је систем напајања наизменичном струјом прихватљив и да није разлог за забринутост.
Када су извршена мерења на филтеру линије А, све је изгледало разумно. Измерене струје нису прелазиле оцену реактора, а температуре околине су биле унутар тестне оцене реактора од 30°Ц.
Тако, шта је изазвало прегревање? Додатни трагови су откривени док смо прегледали историју рада исправљача. Разговори са особљем за одржавање постројења указали су на то да је недавно завршена обимна реконструкција енергетског дела исправљача, са инсталираним превеликим уређајима. Ово је елиминисало поновљене кварове тиристора до којих је дошло пре реконструкције и био је јак показатељ да је проблем повезан са неправилностима у контроли.
Ако време паљења није идентично за паралелни сет тиристора, неравномерно оптерећење може резултирати стварањем појединачних кварова полупроводника и гравитирати ка каскадном низу кварова кроз систем јер све мање уређаја носи све више и више оптерећења. Уградњом уређаја већих димензија, биљка је елиминисала симптом.
Следеће, систем напајања је анализиран са посебним нагласком на прецизирању било каквих абнормалних услова хармонијске резонанције.
Проверене су различите конфигурације електроенергетског система које се користе током нормалног рада постројења. Занимљиво откриће је направљено када је линија А радила са искљученим исправљачем линије Б и филтером. The 5ог грана филтера у линији А (серија тачно подешена 300 Хз) утврђено је да показује снажну паралелну резонанцу са електроенергетским системом на 4ог хармоничан када је систем линије Б ван употребе. Када систем Линије Б ради, паралелна резонанца је и даље присутна, али ни приближно тако значајно.
Накнадна анализа је показала да ако је линија Б искључена и исправљач производи најмање 5% 4ог хармоника струја, појачава се и изазива а 40% струјно преоптерећење у 5ог грана филтера линије А.
Овај налаз дао је теоријску основу за растућу сумњу да је равномерна хармонична резонанца извор прегревања реактора. Остало је једно питање: постројење нормално ради пуним капацитетом, 24 сати дневно, током целе године — да ли би кратак годишњи прекид одржавања на линији Б био довољан да изазове прегревање и резултирајуће тамне траке на реакторима?
Реактори имају нормалан максимални пораст температуре од 60°Ц у односу на температуру околине од 30°Ц. Произвођач наводи да изолација реактора неће променити боју док не достигне 130°Ц. Да би се достигла ова температура, укупна струја у реактору би требало да се повећа на 140% од рејтинга реактора. Пошто реактори имају малу топлотну масу, ова температура би се јавила у року од неколико минута.
Наоружани овим подацима, теорија која је висока, некарактеристични хармоници који су узроковали прегревање могли би се тестирати. Други сет мерења је направљен на линији А да би се квантификовали прекиди, некарактеристичне хармонијске струје које долазе из исправљача и њихово појачање у 5ог хармонска грана филтера.
Пажљив протокол мерења потврдио је да се појачање у ствари дешава. Меасурементс оф 20% до 58% од 4ог хармоника струја (као проценат укупне струје филтера) забележени су у периоду од приближно 13 секунди на филтеру линије А. Утврђено је да је 5ог гранани филтер је црпео скоро половину укупне струје филтера, и 70% од 4ог хармоника струја. Као резултат, за кратке периоде ови реактори су оптерећени са више од 200% називне струје. Са спуштеном линијом Б, ефекат би вероватно био знатно гори.
Овај последњи податак је употпунио слику.
Смоква. 5: Сериес & Параллел Ресонанце оф 5ог Филтер & 13.8 кВ Бус
ВИ. ВИШЕ ТЕОРИЈЕ
Као што је горе објашњено, чак се и хармоници могу створити у исправљачким системима отпуштањем временских неправилности. Галловаи [7] описује хармонску нестабилност као ненормалан рад система претварача због хармонијског изобличења напона извора напајања узрокованог самим хармонијским струјама. Ј.Д.. Аинсворт је написао класичан рад на исту тему 35 пре година [8].
Галловаи [7] објашњава различите начине временских неправилности. Неправилности су дефинисане у три врсте.
Тип 1 — Девијација пулса — Један од шест импулса се не јавља у тачно време или на прави начин. Ово доводи до „укупног“ повећања хармонијских струја, са лошим поништавањем непарних хармоника и производњом парних хармонских струја због полуталасне дисиметрије око нуле.
Тип 2 — Phase Unbalance — Phase unbalance does not produce evens; it acts like a single-phase rectifier and produces the full spectrum of odd harmonics with modulation components of ± 2 of normal harmonic frequencies.
Тип 3 — Group Unbalance — Pulses 1, 3 и 5 are displaced an equal amount from 2, 4 и 6. This results in the generation of even harmonics, који је, multiples of 3 ±1.
Measurements made in the plant seemed to indicate that a Type 1 problem was occurring due to random timing variations, as periods of elevated harmonics across the spectrum, including even harmonics were noted. With the older control electronics, међутим, the failure mode was hard to isolate, and a Type 3 problem, with inter-phase saturation, could be occurring.
Међуфазни трансформатори су обично дизајнирани да апсорбују само малу количину неравнотеже између половина исправљача и могу брзо да пређу у засићење. Када систем исправљача није добро избалансиран, излазне струје две групе са 3 импулса које теку у супротним смеровима у међуфази производе значајну једносмерну магнетизацију језгра. Како иде у засићење и постаје неефикасан, исправљач ради као два, одвојено, 3-импулсне групе са повезаним тачкама звезда и полупроводницима који проводе само преко половине нормалних 120°. Резултујући угао проводљивости од 60° резултира око а 17% повећање снаге полупроводника (вати) губитак. Ово доводи до значајног повећања загревања тиристора, осигурачи као и секундар трансформатора.
Ова неуравнотеженост такође резултира ефективном једносмерном струјом коју секундар трансформатора мора да носи. Трансформатор може прећи у засићење, повећање губитака и стварање великих количина топлоте и несразмерне количине струје трећег хармоника.
ВИИ. НАЛАЗИ
Комади слагалице су почели да се спајају. Све више и више доказа указује на равномерну хармонијску резонанцу као узрок прегревања филтера.
Порекло потешкоћа је проблем кола са паљењем тиристора. Старост контролног система и резултирајућа електронска компонента „дрифт“, изгледа да је створио Тип 1 временска неправилност.
Асиметрија паљења више није директно утицала на рад исправљача са великим тиристорима који су недавно инсталирани, али је и даље утицало на хармонијски филтер под одређеним условима рада постројења.
Исправљач линије А је готов 30 године и, док је прилично прошао свој првобитни дизајнерски век, континуирани рад ових робусних машина уобичајен је у електрохемијској индустрији. Ахилово лечење ових јединица је типично старење електронике контролног система. Електронска опрема има криву поузданости у облику каде и ова опрема је вероватно на узлазном нагибу те криве. Укратко, код старијих исправљача се могу очекивати проблеми управљачког система.
Мерења су то показала када је линија Б у функцији, велике количине 4ог хармонична струја је преоптеретила филтер линије А 5ог огранак на кратке периоде. Реактори имају малу топлотну масу, и може достићи екстремне температуре у року од неколико минута. За периоде од најмање 13 секунди, реактори су били изложени а 200% оптерећење. Ако је линија Б искључена под овим условима, струје ће вероватно бити знатно веће. Функција која је исплатива је то што се линија Б ретко гаси на кратке интервале одржавања. Кумулативни ефекти поновљеног прегревања током времена су оптерећивали реакторе.
У 1992, један од 5ог замењени су хармонијски реактори. Ово објашњава зашто само два од три постојећа реактора показују знаке оштећења. Новији реактор није био изложен истом степену поновљеног прегревања као два старија реактора петог хармоника.
Секундарна брига су ефекти померања једносмерне струје на међуфазно и секундарно коло трансформатора. Док је трансформатор у добром стању, повишене једносмерне струје могу значајно повећати загревање и довести до дуготрајне деградације. Тап цхангер, стезаљке за језгро и други унутрашњи хардвер могу имати локализоване ефекте грејања са повећаним нивоима на хармонијским струјама [10], посебно са некарактеристичним хармонијским струјама за које машина никада није била пројектована.
ВИИИ. АКЦИОНИ ПЛАН
Физички преглед 5ог реактори на линији А је завршен и иако под стресом, нису били у непосредној опасности да пропадну, посебно ако се линија Б држи на мрежи.
Инсталација новог контролног система исправљача је значајан капитални издатак, и фабрика сада разматра овај корак. У међувремену, спроведене су следеће мере.
Смоква. 6: Линија А управљачки систем исправљача
Прво, релеј за заштиту од вршног сензора се замењује модерним програмабилним релејем који је осетљив на хармонијске фреквенције ниског реда које се јављају на овом систему. Ово ће обезбедити аларм и искључивање филтерске групе ако реакторима прети опасност од преоптерећења. Овај релеј такође мери и бележи нивое хармоника.
Други, редизајниран 5ог хармонијски филтер реактори се инсталирају како би се паралелна резонанца између филтера и електроенергетског система померила испод 4ог. Нови дизајн ће значајно смањити осетљивост на резонанцију. Наручени су нови реактори и заказана замена.
Коначно, интервал између узорака раствореног гаса трансформатора је смањен да би се побољшало праћење стања трансформатора. Анализа раствореног гаса је одличан алат за процену стања трансформатора, посебно када су суочени са неизвесним хармонијским стресом. Тада се могу предузети корективне мере према потреби.
ИКС. ЗАКЉУЧЦИ
Трајни исправљач 4ог хармонијски ниво од 5% или више, у време када је линија Б искључена, је преоптеретио реакторе и проузроковао да се загреју и обезбоје. Током година, дошло је до кумулативног ефекта који је погоршао стање. Ако се ништа није урадило, Историја рада постројења је утврдила да ће уследити неуспех.
Као први корак, заштитни релеј филтера је модификован да детектује а 4ог хармонијско струјно преоптерећење и да алармира и искључује по потреби.
Резонантни ефекти подешавања хармонијског филтера линије А тачно на сваку хармонијску фреквенцију која се третира нису узети у обзир у оригиналном дизајну. Подешавање сваког од 5ог, 7ог и 11ог грана на фреквенцију 2% до 10% испод циљне фреквенције би ублажио паралелну резонанцу.
Редизајн оштећених филтер реактора је завршен и предвиђена је монтажа нових реактора.
Нови већи тиристори, који су недавно замењени, су у стању да у много већој мери издрже неправилности у систему управљања, са резултирајућим побољшањем поузданости. Неправилности система управљања које су раније узроковале проблеме са исправљачем, међутим, и даље утичу на систем напајања наизменичном струјом.
Чак и хармоници ће такође узроковати да трансформатор исправљача ради топлије засићењем магнетног кола. Металне стезаљке, уређаји и друге компоненте могу се прегрејати унутар трансформатора, стварање локализованих жаришта. Ово може значајно смањити животни век трансформатора.
Предузети су кораци за ублажавање тренутних проблема, као што је наведено, а фабрика разматра замену система контроле.
Кс. ЗАХВАЛНИЦЕ
Желео бих да се захвалим Џону Кириченку и особљу фабрике на прилици да раде на овом веома интересантном изазову и мом колеги Бернду Шмиткеу, П.Енг. за његов изузетан рад и увид у овај пројекат.
КСИ. ЛИТЕРАТУРА
[1] Ј.Ц.. Читати, “Прорачун карактеристика перформанси исправљача и претварача”, Зборник радова лЕЕЕ, Лет. 92, Део 2, Не. 29, Октобар 1945, ПП. 495-509. [2] А.П. Џејкобс и Г.В. Валсх, „Разматрања о примени за СЦР системе напајања једносмерне струје,” ИЕЕЕ Транс. ИГА-4, јул/авг 1968. [3] Д.Е. Стеепер и Р.П. Стратфорд, „Компензација реактивне снаге и супресија хармоника за индустријске енергетске системе који користе тиристорске претвараче,” ИЕЕЕ Транс. ИА-12, 5/76 ПП. 235-255. [4] Ј. Арриллага и др, „Хармоници система напајања”, Вилеи & Синови, ИСБН 0471906409, 1985. [5] Приручник за претварач снаге, Канадска компанија Генерал Елецтриц Цо. доо, 1976. [6] ИЕЕЕ 519-1992 „Препоручене праксе и захтеви ИЕЕЕ за хармонијску контролу у електроенергетским системима“. [7] Ј.Х. Галловаи, „Хармонска нестабилност у фазно контролисаним исправљачима,” ИЕЕЕ ПЦИЦ конф. рекорд 1999, ПП. 171-175. [8] Ј.Д.. Аинсвортх, „Хармоничка нестабилност између контролисаних статичких претварача и мрежа наизменичне струје,” Проц. ИЕЕ, бр.7 стр.949-957 јул 1967. [9] Ј. Ариллага и др, „Хармоничка анализа електроенергетског система,” Џон Вајли, ИСБН 0471975486, 1998. [10] С.П. Кеннеди, „Пројектовање и примена полупроводничких исправљачких трансформатора,” ИЕЕЕ ПЦИЦ конф. 2001 запис пп. 153-159. [11] Ј. Схаефер „Кругови исправљача – Теорија & Дизајн,” Џон Вајли & Синови, 1965. [12] Б.М. Бирд ет ал, „Увод у енергетску електронику,” Џон Вајли & Синови, ИСБН 10430 2 1983. [13] A. Клосс, „Основни водич за енергетску електронику,” Џон Вајли, ИСБН 0471904325 1985. [14] П.Ц. Буддингх & Ј. Св. Марс „Нови живот за старе тиристорске енергетске исправљаче користећи савремену дигиталну контролу,” ИЕЕЕ ИАС трансакције Сеп/Окт.2000, ПП. 1449-1454.КСИИ. ВИТА
Пол Ц. Будинг је дипломирао на Универзитету Лакехеад у Тхундер Баиу, Онтарио, Canada with a degree in Electrical Engineering. Upon graduation, he spent several years working out of Toronto, Canada as an electrical consulting engineer working in heavy industry. У 1991, he co-founded a company that developed a new magnetic approach to solving zero sequence harmonic problems in low voltage systems. У 1997, he moved to Vancouver, Canada and joined Universal Dynamics. He has been designing and installing harmonic filters for 15 године. His work is centered on designing high reliability power systems for difficult loads, power converter issues and resolving power system problems for a number of industrial customers across the Americas. He is a registered Engineer in the provinces of Ontario, Manitoba and British Columbia and an author of several IEEE papers.