Защита на предпазителите на американския тип кутиен трансформатор
Въведение в предпазните предпаливащи устройства на американския тип кутийни трансформатори
Американският тип кутийни трансформатори обикновено използват комбинация от включващи се предпаливащи устройства и резервни предпазни предпаливащи устройства в сериозен ред за осигуряване на защита. Принципът на защитата е напредничав и надежден, а управлението е просто. Резервното предпазно предпаливо устройство е масло-замачкано ограничително предпаливо устройство, обикновено инсталирано в кутийния трансформатор. То ще действа само при наличие на дефект в кутийния трансформатор и се използва за защита на високоволтната линия. Включващото се предпаливо устройство е масло-замачкано включващо се предпаливо устройство, което ще изгори при наличието на дефект на вторичната страна, или при наличието на прекомерна натовареност или ако температурата на маслото е твърде висока. Включващото се предпаливо устройство е основен аксесоар за защита срещу прекомерна токова натовареност на масло-замачкани кутийни трансформатори в системата за разпределение на електроенергия.
Предпаливащите устройства вътре могат да бъдат класифицирани в три типа: токов, двойно-чувствителен и двойно-факторен. Предпаливото устройство може да бъде извадено за замяна без изключване на кутийния трансформатор. Токовото предпаливо устройство, когато е свързано в сериозен ред с резервното предпазно предпаливо устройство, образува "двойна предпаливаща защита". Токовото предпаливо устройство се използва за защита срещу прекомерна натовареност, а резервното предпазно предпаливо устройство се използва за защита срещу вътрешни дефекти на трансформатора (например коротки замък на бобината и др.). Двойно-чувствителното предпаливо устройство, когато е свързано в сериозен ред с резервното предпазно предпаливо устройство, също образува "двойна предпаливаща защита". Двойно-чувствителното предпаливо устройство предпазва срещу дефекти или прекомерна натовареност на нисковолтната страна на трансформатора както по отношение на тока, така и на температурата.
Резервното предпазно предпаливо устройство се използва за защита срещу вътрешни дефекти на трансформатора (например коротки замък на бобината и др.). Стандартната ампер-секундна крива може точно да съдейства с предпаливащите устройства и прекъсвителите на горните и долните нива. Двойно-факторното предпаливо устройство, когато е свързано в сериозен ред с резервното предпазно предпаливо устройство, образува "двойна предпаливаща защита". Двойно-факторното предпаливо устройство предпазва срещу дефекти или прекомерна натовареност на нисковолтната страна на трансформатора както по отношение на тока, така и на температурата. Резервното предпазно предпаливо устройство се използва за защита срещу вътрешни дефекти на трансформатора (например коротки замък на бобината и др.), а неговата стандартна ампер-секундна крива може точно да съдейства с предпаливащите устройства и прекъсвителите на горните и долните нива.
Основна структура на предпаливащите устройства
Предпаливащите устройства имат различни структури в зависимост от функциите, които изпълняват. Тази статия кратко представя типовото ограничително предпаливо устройство McGraw Edison NX на компанията COOPER (Купър) в САЩ.
Структурата на типовото ограничително предпаливо устройство McGraw Edison NX е показана на фигура 1. То съдържа плавката с чисто сребърна плавка. Чисто сребърната плавка е намотана на мусив подпора (паен-тип подпорен компонент), а тази подпора може да генерира ионизиран газ, който помага за отваряне на контура. Предпаливото устройство и кварцов пясък са инсталирани в стъклопластов изолационен цилиндър.
1 - Пълнител от високо чист химически кварцов пясък;2 - Мусив подпора;3 - Твърдо медно контактно устройство;4 - Двойна уплътнителна система;5 - Идентификационна етикета;6 - Стъклопластово покритие;7 - Чисто сребърна плавка.
Фигура 1. Основни съставни елементи на типовото ограничително предпаливо устройство McGraw Edison NX.
Както е показано на фигура 1, типовото ограничително предпаливо устройство McGraw Edison NX (други модели на предпаливащи устройства имат подобна структура на това предпаливо устройство) включва:
Пълнител от високо чист химически кварцов пясък. Специфичният размер на частиците, чистотата и плътността му предоставят характеристики за абсорбиране на топлина и изгасване на дъга, които са необходими за предпаливото устройство, за да поддържа последователни характеристиките на изчистване и ниско равнище на преминаващата енергия.
Мусив подпора. По време на операцията на предпаливото устройство, мусив подпора предоставя стабилна поддръжка на намотката без генериране на газ и натрупване на налягане.
Твърдо медно контактно устройство. Изборът на медната спойка е направен, за да предостави електрически проводен контакт с дължина между 0.25 до 10 инча.
Двойна уплътнителна система. Найлоновата каучукова прокладка и епоксидната смола за уплътняване могат да гарантират целостта на уплътнението на предпаливото устройство.
Задължителна идентификационна етикета. Тя е удобна за потребителите, за да получат информация за напрежението, параметрите на тока, номера на поръчката и други данни.
Стъклопластово покритие. То предоставя висока здравина за предпаливото устройство и целостта на поддръжката, позволяващо на предпаливото устройство да издържи диапазон на защита от минималния ток на изгаряне до максимум 50 kA по време на всеки процес на прекъсване.
Чисто сребърна плавка. Тя може да поддържа стабилност при циркулиране на ток и термично налягане и предоставя последователни характеристики на изгаряне. По време на прекъсване на големи токове, плавката може ефективно да контролира и намалява пиковото ниво на напрежението на дъгата. По време на процеса на прекъсване, този компонент може ефективно да контролира и ограничава допустимия преминаващ ток и енергия.
Експлоатационни характеристики и принцип на защита на предпаливото устройство
Процесът на работа на предпаливото устройство зависи от модела на плавката в него. За всички предпаливащи устройства, изчистването на големи дефектни токове е основно еднакво. Потокът на тока ще изтопи плавката по цялата ѝ дължина, а генерираната дъга ще причини плавката да избухне, витрифициращ кварцов пясък и формирайки стъклена канала, която ограничава развитието на дъгата. Тази стъклена канала ограничава дъгата, увеличавайки стойността на съпротивлението, намалявайки тока и принуждавайки го да достигне нула предварително.
В местното или пълноразмерно предпаливо устройство, изчистването на средни или малки токове трябва да бъде предотвратено. Например, в типовото ограничително предпаливо устройство McGraw Edison, точка "M" (т.е., жица от оловно сплав) е поставена в центъра на основната плавка, за да намали температурата на топене, както е показано на фигура 2(a). Когато плавката се изтопи в точка M, токът се прехвърля към вспомогателната плавка. Тънка жица е свързана с основната плавка с 1/4 разстояние от единия край на основната плавка. Напрегнатостта на напрежението се разпростира през дъгата в точка M и разстоянието на вспомогателната плавка, както е показано на фигура 2(b). Следователно, ако основната плавка продължи да издава дъга, тази жица ще се появи неизбежно на три позиции, разширявайки дължината на дъгата три пъти и използвайки тази област, за да дисипира енергията на контура, както е показано на фигура 2(c). В началния етап на издаването на дъга, достатъчно количество топлина е събрано, за да декомпозира паената структура в тази област, и газът, издут от паената структура, може да охлади топящата се скала и да намали дължината на дъгата, докато дефектната точка може да бъде изолирана.
Фигура 2 Процесът на намаляване на тока от типовото ограничително предпаливо устройство McGraw Edison NX
Изборът на ограничителните предпаливащи устройства се основава главно на техните параметри на номинално напрежение. При определянето на подходящите параметри, трябва да се вземат предвид няколко фактора, включително типът на електрическата система, максималното напрежение на системата, условията на намотката на трансформатора (ако предпаливото устройство се използва за защита на трансформатора), статусът на заземяване на нейтралната жица и типът на натоварване.
Обикновено, единичен фазен контур може да бъде защитен от ограничително предпаливо устройство с номинални параметри, по-големи от напрежението при единичен фазен заземяване. Но за трифазен контур, предпаливото устройство трябва да има подходящи междуполни параметри. В специфични случаи, предполагайки, че положителната последователна напрежение, приложена към предпаливото устройство, не надвишава максималното проекционно напрежение, параметрите на единичното фазно заземяване може да се прилагат към трифазната система. В такива обстоятелства, се предполага, че две серийно свързани ограничителни предпаливащи устройства ще споделят приложено напрежение при дадено дефектно състояние. Таблица 1 илюстрира връзката между препоръчителните параметри на номиналното напрежение на ограничителните предпаливащи устройства и параметрите на приложение на ограничителните предпаливащи устройства.
За защита на електрически устройства, изискванията за прекъсване на ограничителните предпаливащи устройства трябва да бъдат координирани с устройствата, които те защитават. Освен това, временно-токовите криви на предпаливащите устройства трябва да бъдат координирани с защитните устройства в системата, особено когато се използват резервни предпаливащи устройства и изчистването на дефектни токове с ниско напрежение зависи от изхвърлящото предпаливо устройство.
Таблица 1 Препоръчителни параметри на номиналното напрежение на ограничителните предпаливащи устройства и параметрите на приложение на ограничителните предпаливащи устройства
Подобно на обикновените предпаливащи устройства, ограничителните предпаливащи устройства също може да преживеят намаление на мощността при определена околнa температура. Факторите за намаление при различни сценарии на приложение са показани на фигура 3.
Фигура 3 Фактори за намаление на околната температура за приложение на типовото ограничително предпаливо устройство NX
Ключът за приложение на защита с предпаливащи устройства за разпределителни трансформатори е, че предпаливото устройство трябва да удовлетворява следните изисквания:
Осигуряване на защита срещу коротки замъци и отделяне на дефектния трансформатор от системата първо. Предпаливото устройство не трябва да изгори при входящ ток, ток при студено натоварване и краткосрочна прекомерна натовареност. То трябва да работи в съгласуване с горното ниво устройство (да изгори преди секторизиращото устройство да се активира).
Предотвратяване на тежки случаи на прекомерна натовареност, които може да причинят прекомерно затопляне или механични повреди на трансформатора. Трябва да се отбележи, че ако е необходимо, пункт ② може да бъде отложен, тъй като основната цел на защитата с предпаливащо устройство е защита срещу прекомерна натовареност, а не срещу коротки замъци.
Временно-токовата крива на входящия ток/ток при студено натоварване на разпределителния трансформатор е оценена на основата на следните ситуации: при 0.01 с, токът е 25 пъти пълния ток; при 0.1 с, токът е 12 пъти пълния ток; при 1 с, токът е 6 пъти пълния ток; при 10 с, токът е 3 пъти пълния ток; и при 100 с, токът е 2 пъти пълния ток.
За да се гарантира, че предпаливото устройство, използвано за защита на разпределителния трансформатор, не изгаря при входящ ток или ток при студено натоварване, кривата на предпаливото устройство трябва да е в дясната част на кривата на входящия ток/ток при студено натоварване. С други думи, времето за изгаряне на предпаливото устройство трябва да е по-дълго от продължителността на тези токове.
Кривата на повредата на трансформатора може да бъде получена от производителя или от стандарта ANSIC57 и може да бъде начертана на същата графика. Както беше споменато, ако се налага да се направят уступки, кривата на повредата на трансформатора трябва да бъде предпочетена пред кривата на входящия ток.
Фигура 4 показва кривата на входящия ток/ток при студено натоварване на единичен фазен трансформатор с напрежение 13.8 кV и номинална мощност 50 кV·A. Пълния ток на трансформатора е 3.62 A. В фигурата е предположена крива на предпаливото устройство. Всъщност, има две криви на предпаливото устройство. Минималната крива на изгаряне дава най-краткото време, за което предпаливото устройство ще бъде повредено, а максималната крива на изчистване дава най-дългото време, за което предпаливото устройство ще изчисти дефекта. Максималното време за изчистване на изхвърлящото предпаливо устройство никога не трябва да бъде по-ниско от 0.8 цикъла (т.е., 0.0133 с), затова тази крива е начертана хоризонтално при 0.0133 с.
Фигура 4 показва временна-токова крива на входящия ток/ток при студено натоварване на разпределителния трансформатор. Трябва да се отбележи, че кривата на предпаливото устройство трябва да гарантира съгласуваността между предпаливото устройство и горното ниво защитно устройство. Горното ниво устройство може да бъде устройство за секторизация на линията, като предпаливо устройство или повторен затварящ. Предпаливото устройство за защита на трансформатора трябва да изгори преди горното ниво предпаливо устройство да бъде повредено или преди горното ниво повторен затварящ да бъде блокиран.
Някои разпределителни трансформатори се считат, че имат пълна функция за само-защита (CSP), т.е. те имат функции за защита срещу прекомерна натовареност и входящ ток.
Само-защитните трансформатори обикновено имат голямо ограничително предпаливо устройство и вторичен прекъсвач за предотвратяване на прекомерна натовареност в техните кутии. Обикновените трансформатори обикновено са защитени от предпаливо устройство, добавено към първичната страна. Кутийните трансформатори обикновено имат предпаливо устройство, независимо от кутията (нестационарен фронтален панел дизайн), или се намира в маслото на трансформатора, или в суха бушингова яма или цилиндър (стационарен фронтален панел дизайн). Във всеки случай, трябва да се приеме подходящ дизайнерско решение, за да се опрости замяната на предпаливото устройство на място.
Коефициентът на предпаливото устройство е отношениято между минималния ток на изгаряне на предпаливото устройство и пълния ток на трансформатора. Този коефициент показва важността на защитата срещу прекомерна натовареност за постоянната работа на устройството. Висок коефициент на предпаливото устройство позволява повече повреди на трансформатора без изгаряне при входящ ток или прекомерна натовареност; нисък коефициент на предпаливото устройство увеличава броя на изгарянията, и някои от тях може да бъдат ненужни, но той може да защити по-добре трансформатора от прекомерна натовареност. Типичен коефициент на предпаливото устройство варира от 2 до 4.
В само-защитния трансформатор, коефициентът на вграденото предпаливо устройство е около 8, тъй като вторичната страна на само-защитния трансформатор е оборудвана с прекъсвач, който не е засегнат от прекомерна натовареност.
Обхват на защитата и съгласуваност на защитата с предпаливащи устройства
При избор на предпаливо устройство за защита на кутийния трансформатор, обикновено, скоростта на изгаряне може да бъде изчислена, като се раздели пълния ток на трансформатора на минималния ток на изгаряне на предпаливото устройство. Използването на висока скорост на изгаряне може да защити системата от дефектни трансформатори, но то предоставя ограничената защита срещу прекомерна натовареност; ниска скорост на изгаряне може да предостави максимална защита срещу прекомерна натовареност, но предпаливото устройство е чувствително към ударни токове и входящ ток.
Освен това, трябва да се вземат предвид комплексни фактори, включително непрекъснатостта на операцията, повреди на трансформатора, причинени от прекомерна натовареност, съгласуваността между предпаливото устройство на трансформатора и устройството за секторизация, и влиянието на входящия ток и студеното натоварване. Ако е известна характеристичната крива на трансформатора, предпаливото устройство може лесно да бъде регулирано, като временната характеристична крива на предпаливото устройство бъде поставена в областта между кривата на входящия ток на трансформатора и кривата на повредата на трансформатора.
