Protecció de fusibles de transformadors en caixa estil americà
Introducció als fusibles dels transformadors de caixa estil americà
Els transformadors de caixa estil americà solen utilitzar una combinació de fusibles d'enganxament i fusibles de protecció de suport en sèrie per proporcionar protecció. El principi de protecció és avançat i fiable, i l'operació és simple. El fusible de protecció de suport és un fusible limitador de corrent immers en oli, normalment instal·lat a l'interior del transformador de caixa. Només funcionarà quan es produeixi un defecte a l'interior del transformador de caixa, i s'utilitza per protegir la línia d'alta tensió. El fusible d'enganxament és un fusible d'enganxament immers en oli, que es fondrà quan es produeixi un defecte de curtcircuït al costat secundari, o quan hi hagi sobrecàrrega o la temperatura de l'oli sigui massa alta. El fusible d'enganxament és un accessorí principal per a la protecció contra sobrecorrents dels transformadors de caixa immersos en oli en el sistema de distribució.
Els fusibles interiors es poden classificar en tres tipus: de corrent, doble sensible i doble factor. El fusible es pot retirar per a la substitució sense apagar el transformador de caixa. El fusible de corrent, connectat en sèrie amb el fusible de protecció de suport, forma una "protecció doble fusible". El fusible de corrent s'utilitza per a la protecció contra sobrecàrregues, i el fusible de protecció de suport s'utilitza per a protegir contra els defectes interns del transformador (com ara els curtcircuïts de bobines, etc.). El fusible doble sensible, connectat en sèrie amb el fusible de protecció de suport, també forma una "protecció doble fusible". El fusible doble sensible protegeix contra defectes o sobrecàrregues al costat de baixa tensió del transformador tant en termes de corrent com de temperatura.
El fusible de protecció de suport s'utilitza per a protegir contra defectes interns del transformador (com ara defectes de curtcircuït de les bobines, etc.). La corba amper-segon standard pot col·laborar amb precisió amb els fusibles i els interruptors de nivells superiors i inferiors. El fusible doble factor, connectat en sèrie amb el fusible de protecció de suport, constitueix una "protecció doble fusible". El fusible doble factor protegeix contra defectes o sobrecàrregues al costat de baixa tensió del transformador des dels aspectes de corrent i temperatura. El fusible de protecció de suport s'utilitza per a protegir contra defectes interns del transformador (com ara defectes de curtcircuït de les bobines, etc.), i la seva corba amper-segon standard pot col·laborar amb precisió amb els fusibles i els interruptors de nivells superiors i inferiors.
Estructura bàsica dels fusibles
Els fusibles tenen diferents estructures segons les funcions que realitzen. Aquest article introdueix breument el fusible limitador de corrent del tipus NX McGraw Edison de la companyia COOPER (Cooper) dels Estats Units.
La estructura del fusible limitador de corrent del tipus NX McGraw Edison es mostra a la Figura 1. Conté un element fusible amb una tira de fusible d'argent pur. La tira de fusible d'argent pur es trenca en un suport de mica (component de suport en forma d'araña), i aquest suport pot generar gas ionitzat que ajuda a obrir el circuit. El fusible i la silicà es fan servir en un tub d'aïllament de fibra de vidre.
1 - Ompliment de sorra de sílica de alta purezza;2 - Suport de mica;3 - Terminal de cobre maci;4 - Sistema de doble estanquitat;5 - Etiqueta d'identificació;6 - Cobertura de fibra de vidre;7 - Tira de fusible d'argent pur.
Figura 1. Elements constituents bàsics del fusible limitador de corrent del tipus NX McGraw Edison.
Com es mostra a la Figura 1, el fusible limitador de corrent del tipus NX McGraw Edison (altres models de fusibles tenen estructures similars a aquest fusible) inclou principalment:
Ompliment de sorra de sílica de alta purezza. La mida específica de partícula, la purezza i la densitat proporcionen característiques d'absorció de calor i extinció d'arc, essencials per al fusible per mantenir característiques de neteja consistents i un nivell baix d'energia passant.
Suport de mica. Durant l'operació del fusible, el suport de mica proporciona un suport estable de bobinat sense produir gas ni acumulació de pressió.
Terminal de cobre maci. Es selecciona el plug de lató per proporcionar un junta conductora elèctrica amb una longitud que va de 0,25 a 10 polzades.
Sistema de doble estanquitat. La juntura de goma de nitril i l'adhesiu de resina epoxi poden assegurar la integritat de l'estanquitat del fusible.
Etiqueta d'identificació ferma. És convenient per als usuaris obtenir paràmetres de tensió i corrent, números de comanda, i altres informacions.
Cobertura de fibra de vidre. Proporciona una força elevada per al fusible i la integritat de la manutenció, permetent al fusible resistir un rang de protecció des de la corrent mínima de fusió fins a màxim de 50 kA durant qualsevol procés d'interrupció.
Tira de fusible d'argent pur. Pot mantenir la estabilitat sota condicions de circulació de corrent i pressió tèrmica i proporciona característiques de fusió consistents. Durant l'interrupció de grans corrents, la tira de fusible pot controlar eficientment i reduir el nivell màxim de la tensió d'arc. Durant el procés d'interrupció, aquest component pot controlar i limitar la corrent i l'energia passants permessos.
Característiques d'operació i principi de protecció del fusible
El procés de treball del fusible depèn del model de l'element fusible interior. Per a tots els fusibles, la neteja de grans corrents de defecte és bàsicament la mateixa. El flux de corrent fundirà l'element fusible a llarg de tota la seva longitud, i l'arc generat farà que l'element fusible exploti, vitrificant la sorra de sílica i formant un canal vítre que restringeix el desenvolupament de l'arc. Aquest canal vítre limita l'arc augmentant el valor de la resistència, reduint la corrent i forçant-la a arribar a zero amb antelació.
En el fusible local o total, la neteja de corrents mitjanes o petites ha de ser evitada. Per exemple, en el fusible limitador de corrent del tipus McGraw Edison, un punt "M" (és a dir, un fil d'allotge de estany) es col·loca al centre de l'element fusible principal per abaixar la seva temperatura de fusió, com es mostra a la Figura 2(a). Un cop l'element fusible es fon a punt M, la corrent es transferix a l'element fusible auxiliar. Un fil fin és connectat a l'element fusible principal amb un espai de 1/4 des d'un extrem de l'element principal. Un gradient de tensió es genera a l'arc a punt M i a l'espai de l'element fusible auxiliar, com es mostra a la Figura 2(b). Per tant, si l'element fusible principal continua arquejant, aquesta connexió de fil apareixerà inevitablement en tres posicions, expandint la longitud de l'arc per tres vegades i utilitzant aquesta àrea per dissipar l'energia del circuit, com es mostra a la Figura 2(c). En la fase inicial de l'arqueig, es recull calor suficient per descomposar l'estructura en aquella àrea, i el gas eixut de l'estructura pot refredar la roca fondua i reduir la longitud de l'arc fins que es pugui desconectar el punt de defecte.
Figura 2 El procés de reducció de la corrent pel fusible limitador de corrent del tipus McGraw Edison
La selecció de fusibles limitadors de corrent es basa principalment en els seus paràmetres de tensió nominal. Quan es determinen els paràmetres adequats, cal tenir en compte diversos factors, inclosos el tipus de sistema elèctric, la tensió màxima del sistema, les condicions de bobinat del transformador (si el fusible es fa servir per a la protecció del transformador), l'estat de terra del fil neutre, i el tipus de càrrega.
Generalment, un circuit monofàsic es pot protegir amb un fusible limitador de corrent amb un paràmetre nominal superior a la tensió de terra monofàsica. No obstant això, per a un circuit trifàsic, el fusible ha de tenir paràmetres interfasials adequats. En casos específics, assumint que la tensió de ruptura de seqüència positiva aplicada al fusible no superi la tensió màxima de disseny, els paràmetres de terra monofàsica poden ser aplicables al sistema trifàsic. En aquestes circumstàncies, es suposa que dos fusibles limitadors de corrent connectats en sèrie compartiran la tensió aplicada en la condició de defecte donada. La Taula 1 il·lustra la relació entre els paràmetres de tensió nominal recomanats i els paràmetres d'aplicació dels fusibles limitadors de corrent.
Per a la protecció d'aparells elèctrics, els requisits de ruptura dels fusibles limitadors de corrent han de coordinar-se amb els aparells que protegeixen. A més, les corbes de corrent-temps dels fusibles també han de coordinar-se amb els dispositius de protecció del sistema, especialment quan hi ha involucrats fusibles de suport i la neteja de defectes de corrent baixa depèn d'un fusible expulsor.
Taula 1 Paràmetres de tensió nominal recomanats dels fusibles limitadors de corrent i els paràmetres d'aplicació dels fusibles limitadors de corrent
Similar als fusibles normals, els fusibles limitadors de corrent també poden experimentar una reducció de potència a una certa temperatura ambient. Els factors de reducció per a diversos escenaris d'aplicació es mostren a la Figura 3.
Figura 3 Factors de reducció de temperatura ambient per a aplicacions de fusibles limitadors de corrent del tipus NX
La clau per a l'aplicació de la protecció de fusible per a transformadors de distribució és que el fusible ha de complir els següents requisits:
Proporcionar protecció contra curtcircuïts i separar el transformador defectuós del sistema primer. El fusible no ha de fondre's durant la corrent d'inrush, la corrent d'inici de càrrega freda, i la sobrecorrent a curt termini. Ha de coordinar-se amb el dispositiu de nivell superior (fondre abans que opera el sectionalizador).
Prevenir situacions de sobrecorrent greu que poden causar danys per sobrecalor o daus mecànics al transformador. Cal notar que, si és necessari, l'item ② es pot posposar perquè l'objectiu primari de la protecció de fusible és la protecció contra sobrecàrregues i no la protecció contra curtcircuïts.
La corba de corrent-temps de la corrent d'inrush/càrrega freda del transformador de distribució es calcula basant-se en les següents situacions: a 0,01 s, la corrent és 25 vegades la corrent de ple càrrega; a 0,1 s, la corrent és 12 vegades la corrent de ple càrrega; a 1 s, la corrent és 6 vegades la corrent de ple càrrega; a 10 s, la corrent és 3 vegades la corrent de ple càrrega; i a 100 s, la corrent és 2 vegades la corrent de ple càrrega.
Per assegurar que el fusible utilitzat per a la protecció del transformador de distribució no se'n fondrà durant la corrent d'inrush o la càrrega freda, la corba del fusible ha de estar a la dreta de la corba de la corrent d'inrush/càrrega freda. És a dir, el temps de fusió del fusible ha de ser més llarg que la durada d'aquestes corrents.
La corba de danys del transformador es pot obtenir del fabricant o de l'estàndard ANSIC57 i es pot dibuixar en el mateix gràfic de corbes. Com s'ha mencionat abans, si cal fer concesions, la corba de danys del transformador ha de priorititzar-se sobre la corba de la corrent d'inrush.
La Figura 4 mostra la corba de corrent-temps de la corrent d'inrush/càrrega freda d'un transformador monofàsic amb un nivell de tensió de 13,8 kV i una capacitat nominal de 50 kV·A. La corrent de ple càrrega del transformador és de 3,62 A. S'assumeix una corba de fusible a la figura. De fet, hi ha dues corbes de fusible. La corba de fusió mínima dóna el temps més curt per a que el fusible es fonda, i la corba de neteja màxima dóna el temps més llarg per a que el fusible netegi el defecte. El temps de neteja màxima del fusible expulsor no hauria de ser inferior a 0,8 cicles (és a dir, 0,0133 s), així que aquesta corba es dibuixa horitzontalment a 0,0133 s.
La Figura 4 mostra la corba de corrent-temps de la corrent d'inrush/càrrega freda del transformador de distribució. Cal notar que la corba del fusible ha d'assegurar la coordinació entre el fusible i el dispositiu de protecció de nivell superior. El dispositiu de nivell superior pot ser un dispositiu de seccionament de línia, com ara un fusible o un reclosur. El fusible de protecció del transformador ha de fondre abans que el fusible de nivell superior es fonda o abans que el reclosur de nivell superior s'enclaville.
Alguns transformadors de distribució es consideren que tenen una funció completa de autoprotecció (CSP), és a dir, tenen les funcions de protecció contra sobrecorrent i inrush.
Els transformadors d'autoprotecció solen tenir un gran fusible limitador de corrent i un interruptor secundari per a la prevenció de sobrecàrregues en les seves caixes. Els transformadors normals solen estar protegits per un fusible afegit al costat primari. Els transformadors de caixa generalment tenen un fusible independent de la caixa (disseny de panell frontal no fix), situat o bé a l'oli del transformador o bé en un pozo o cilindre de borna seca (disseny de panell frontal fix). En qualsevol cas, s'hauria d'adoptar un disseny apropiat per simplificar la substitució del fusible a lloc.
La raó de fusible és la raó entre la corrent mínima de fusió del fusible i la corrent de ple càrrega del transformador. Aquesta raó indica la importància de la protecció contra sobrecàrregues per a la continuïtat de l'operació del dispositiu. Una raó de fusible alta permet més fallades del transformador sense fondures durant la corrent d'inrush o sobrecàrrega; una raó de fusible baixa incrementa el nombre de fondures, i algunes fondures podrien ser innecessàries, però ofereix una millor protecció del transformador contra sobrecàrregues. Una raó típica de fusible oscil·la entre 2 i 4.
En un transformador d'autoprotecció, la raó de fusible del fusible intern és aproximadament 8 perquè el costat secundari del transformador d'autoprotecció disposa d'un interruptor que no es veu afectat per la sobrecàrrega.
Rang de protecció i coordinació de la protecció de fusible
Quan es selecciona un fusible per a la protecció d'un transformador de caixa, generalment, la taxa de fusió es pot calcular dividint la corrent de ple càrrega del transformador per la corrent mínima de fusió del fusible. Utilitzar una taxa de fusió alta pot protegir el sistema de transformadors defectuosos, però només proporciona una protecció limitada contra sobrecàrregues; una taxa de fusió baixa pot proporcionar la màxima protecció contra sobrecàrregues, però el fusible és vulnerable a les corrents d'impacte i d'inrush.
A més, s'han de considerar factors comprehensius, inclosa la continuïtat de l'operació, les fallades del transformador causades per sobrecàrregues, la coordinació entre el fusible del transformador i el dispositiu de seccionament, i l'impacte de la corrent d'inrush i la càrrega freda. Si es coneix la corba característica del transformador, el fusible es pot ajustar simplement fent que la corba característica temporal del fusible caigui a l'àrea entre la corba d'inrush del transformador i la corba de danys del transformador.
Aquestes corbes són formulades segons estàndards, però no sempre són aplicables, així que cal seleccionar el fusible. La corrent d'inrush depèn en gran manera del flux magnètic residual en el nucli de la ona de tensió durant la tancada. Per resistir la corrent d'inrush, el fusible hauria de poder resistir 25 vegades la corrent de ple càrrega a 0,01 s i 12 vegades la corrent de ple càrrega a 0,1 s. La reconnectació després d'un tall de corrent primari generarà una càrrega freda. Quan es coneix la corba de la corrent d'inrush, la corba de fusible seleccionada hauria de ser més lenta que la corba de la corrent d'inrush. La descàrrega de llamp pot saturar el nucli del transformador i generar una corrent d'inrush. Generalment, si el danys per llamps és un problema, és millor utilitzar un fusible de mida més gran.
A més, quan es selecciona un fusible per a la protecció d'un transformador de caixa, també s'ha de considerar la coordinació entre fusibles. Aquí, es discuteixen els problemes de coordinació en dues situacions:
Coordinació entre dos fusibles limitadors de corrent. Per aconseguir l'objectiu de coordinació, la corba ha de començar a 0,01 s. Per a temps superiors a 0,01 s, la coordinació entre dos fusibles diferents del mateix conjunt es pot aconseguir simplement superposant les TCCS i utilitzant el mètode de coordinació al 75%; per a temps inferiors a 0,01 s, la coordinació es pot aconseguir utilitzant els valors de fusió mínima i neteja total. Quan dos fusibles limitadors de corrent es coordinen en sèrie, la corrent màxima que passa pel fusible de protecció o el fusible del costat de la càrrega no hauria de superar la corrent de fusió mínima del fusible protegit o del costat de la font d'energia. És a dir, el fusible del costat de la càrrega limitarà la corrent que passa a un nivell que no és prou elevat per a fundir el fusible del costat de la font d'energia. No cal fer deteccions de coordinació per sobre de 0,01 s perquè els límits de coordinació tenen valors fixos. La coordinació és conservadora i forma un estàndard de coordinació per a qualsevol corrent de defecte. Si la corrent de defecte està limitada, la coordinació es pot aconseguir canviant la corrent a la corba.
Coordinació entre el fusible limitador de corrent de suport i el fusible expulsor. Aquest mètode de protecció sovint s'adopta perquè permet que la majoria dels defectes (amb corrents baixes) es neteguin amb un fusible expulsor econòmic. Quan es produeix un defecte en el dispositiu protegit, el fusible limitador de corrent limitarà la magnitud de la corrent. És molt important que el fusible expulsor pugui netejar defectes de corrents baixes sense danar el fusible limitador de corrent. El fusible limitador de corrent pot passar suficient corrent després que el fusible expulsor es fon i pot proporcionar una indicació clara del defecte. Les característiques del fusible formaran la intersecció de la corba de neteja màxima del fusible expulsor i la corba de fusió mínima del fusible limitador de corrent, resultant en una corrent més gran, que portarà a una operació sincronitzada. Si es seleccionen correctament els dos fusibles limitadors de corrent, el transformador de caixa pot assolir una protecció total.
Operació i manteniment de la protecció de fusible
Quan es fa servir un fusible per a la protecció d'un transformador de caixa, cal tenir en compte les següents situacions:
El fusible d'enganxament s'opera manualment, i els usuaris necessiten certes habilitats i experiència. Abans d'utilitzar el fusible d'enganxament per a desconectar el transformador energitzat, l'operador hauria de tenir experiència en treure el fusible d'enganxament del seu sostenedor. La manipulació inadequada pot provocar falles de commutació i pot requerir la substitució del transformador o causar un incendi.
Si el fusible d'enganxament s'utilitza per a la tancada de defecte, pot causar ferides personals greus. Defectes interns poden fer que el transformador es crequi o que la tapa superior es desconnecti. Per tant, el transformador sempre hauria de ser alimentat des d'una ubicació remota per assegurar la seguretat.
(3) Si el transformador està ubicat en un edifici tancat o un soterrani, o si l'operador està directament sobre el transformador, no s'hauria de fer servir l'assemblea de fusible d'enganxament per a connectar o desconectar el transformador. En aquestes situacions, és inconvenient per a l'operador operar correctament, i és difícil marxar-se segurament en cas d'operació incorrecta.
Abans d'operar el fusible d'enganxament, s'ha de jutjar atentament l'estat del transformador. Comproveu si hi ha soroll d'arc a la caixa; comproveu si la caixa està inflada o hi ha traces de filtració o derrame d'oli; comproveu si hi ha traces de filtració, derrame o fulles negres a la caixa proper a l'element de liberació de pressió. Si es produeixen aquestes situacions, no s'hauria de fer servir el fusible d'enganxament per a connectar o desconectar el transformador, ja que això pot causar un incendi o causar vícims.
