Ochrana před ochránkami transformátorů v americkém boxovém provedení
Úvod do pojistek amerických transformátorů v krabici
Americké transformátory v krabici obecně používají kombinaci zapichovacích pojistek a záložních ochranných pojistek v sérii pro poskytnutí ochrany. Princip ochrany je pokročilý a spolehlivý, a jeho obsluha je jednoduchá. Záložní ochranná pojistka je olejově naplněná proudově omezující pojistka, obvykle nainstalovaná uvnitř transformátoru v krabici. Provede se pouze v případě, že dojde k poruše uvnitř transformátoru v krabici, a slouží k ochraně vysokého napětí. Zapichovací pojistka je olejově naplněná zapichovací pojistka, která vyhoří, když dojde k přepážce na straně sekundární, nebo k přetížení nebo k tomu, že teplota oleje je příliš vysoká. Zapichovací pojistka je hlavním příslušenstvím pro ochranu před přetížením olejově naplněných transformátorů v krabici v distribučním systému.
Pojistky uvnitř lze rozdělit do tří typů: proudivé, dvojitě citlivé a dvojitě faktorové. Pojistku lze vyměnit bez odpojení transformátoru v krabici. Proudivá pojistka, spojená v sérii s záložní ochrannou pojistkou, tvoří "dvojitou pojistkovou ochranu". Proudivá pojistka se používá pro ochranu před přetížením, a záložní ochranná pojistka slouží k ochraně před vnitřními poruchami transformátoru (např. krátkým spojením cívek atd.). Dvojitě citlivá pojistka, spojená v sérii s záložní ochrannou pojistkou, také tvoří "dvojitou pojistkovou ochranu". Dvojitě citlivá pojistka chrání před poruchami nebo přetížením na nižší straně transformátoru hlediska proudu i teploty.
Záložní ochranná pojistka slouží k ochraně před vnitřními poruchami transformátoru (např. krátkým spojením cívek atd.). Standardní ampersekundová křivka může přesně spolupracovat s pojistkami a spínači v horní a dolní části. Dvojitě faktorová pojistka, spojená v sérii s záložní ochrannou pojistkou, tvoří "dvojitou pojistkovou ochranu". Dvojitě faktorová pojistka chrání před poruchami nebo přetížením na nižší straně transformátoru hlediska proudu i teploty. Záložní ochranná pojistka slouží k ochraně před vnitřními poruchami transformátoru (např. krátkým spojením cívek atd.), a její standardní ampersekundová křivka může přesně spolupracovat s pojistkami a spínači v horní a dolní části.
Základní struktura pojistek
Pojistky mají různé struktury podle funkcí, které plní. Tento článek stručně popisuje proudově omezující pojistku McGraw Edison NX firmy COOPER (Cooper) ve Spojených státech.
Struktura proudově omezující pojistky McGraw Edison NX je znázorněna na obrázku 1. Obsahuje splývací element s pruhem ze čistého stříbra. Příhradový nosič (spider-type support component) s čistým stříbrem je zavíjen na mika podložku, a tento nosič může generovat ionizovaný plyn, který pomáhá otevřít obvod. Pojistka a křemičitý písek jsou instalovány v izolační trubce z skloviny.
1 - Náplň z vysokočistého křemičitého písku; 2 - Mika podložka; 3 - Solidní měděný terminál; 4 - Dvojitý uzavírací systém; 5 - Identifikační štítek; 6 - Balónová pokrývka z skloviny; 7 - Pruh ze čistého stříbra.
Obrázek 1. Základní složky proudově omezující pojistky McGraw Edison NX.
Jak je znázorněno na obrázku 1, proudově omezující pojistka McGraw Edison NX (jiné modely pojistek mají podobné struktury jako tato pojistka) zahrnuje hlavně:
Náplň z vysokočistého křemičitého písku. Specifické částice, čistota a hustota poskytují tepelné absorpci a charakteristiky uhasení oblouku, které jsou nezbytné pro pojistku, aby udržovala konzistentní charakteristiky vypínání a nízkou úroveň procházející energie.
Mika podložka. Během provozu pojistky mika podložka poskytuje stabilní podporu zavíjení bez produkce plynu a akumulace tlaku.
Solidní měděný terminál. Měděný terminál je vybrán pro poskytnutí elektricky vodivého spojení s délkou od 0,25 do 10 palců.
Dvojitý uzavírací systém. Kautschukové prstýnko a epoxidová lepidlo mohou zajistit celistvost uzavírání pojistky.
Pevný identifikační štítek. Umožňuje uživatelům získat informace o napětí, proudu, objednávkových číslech a dalších parametrech.
Balónová pokrývka z skloviny. Poskytuje vysokou sílu pojistce a celistvost údržby, umožňuje pojistce snést ochranný rozsah od minimálního splývacího proudu až po maximální 50 kA během jakéhokoli procesu přerušení.
Pruh ze čistého stříbra. Může udržovat stabilitu za průběhu proudu a termického tlaku a poskytuje konzistentní charakteristiky splývání. Během přerušení velkých proudů pruh ze stříbra efektivně kontroluje a snižuje vrcholovou úroveň napětí oblouku. Během procesu přerušení tento komponent efektivně kontroloval a omezil dovolený průchodný proud a energii.
Funkční charakteristiky a princip ochrany pojistky
Pracovní proces pojistky závisí na modelu splývacího elementu uvnitř. Pro všechny pojistky je zásadně stejným procesem splývání velkých poruchových proudů. Průtok proudu roztaví splývací element po celé délce, a vygenerovaný oblouk způsobí, že splývací element exploduje, vitifikuje křemičitý písek a vytvoří skleněný kanál, který omezí rozvoj oblouku. Tento skleněný kanál omezí oblouk zvýšením hodnoty odporu, snížením proudu a nutností dosáhnout nuly předčasně.
V lokální nebo celkové pojistce musí být zabráněno splývání středních nebo malých proudů. Například v proudově omezující pojistce typu McGraw Edison je "M" bod (tj. drát z slitiny cínu) umístěn uprostřed hlavního splývacího elementu, aby byla snížena jeho teplota tavení, jak je znázorněno na obrázku 2(a). Jakmile splývací element roztaví na M bodu, proud se přesune na pomocný splývací element. Tenký drát je spojen s hlavním splývacím elementem s 1/4 mezerou od jednoho konce hlavního elementu. Rozdíl napětí probíhá mezi obloukem na M bodu a mezerou pomocného splývacího elementu, jak je znázorněno na obrázku 2(b). Proto, pokud hlavní splývací element nadále vytváří oblouk, tento drátový spoj se nevyhnutelně objeví na třech pozicích, což rozšíří délku oblouku třikrát a použije tuto oblast k disipaci energie obvodu, jak je znázorněno na obrázku 2(c). V počáteční fázi vzniku oblouku je shromážděno dostatečné množství tepla, aby se rozložila pavučinová struktura v této oblasti, a plyn vyfouknutý z pavučiny může ochladit roztavenou horninu a snížit délku oblouku, dokud není možné odpojit místo poruchy.
Obrázek 2 Proces snižování proudu proudově omezující pojistkou typu McGraw Edison NX
Výběr proudově omezujících pojistek je primárně založen na jejich nominálních parametrech napětí. Při určování vhodných parametrů je třeba zohlednit několik faktorů, včetně typu elektrického systému, maximálního napětí systému, stavu zavíjení transformátoru (pokud je pojistka použita pro ochranu transformátoru), stavu zemnění neutrálního vodiče a typu zatížení.
Obecně lze jednofázový obvod ochránit proudově omezující pojistkou s nominálními parametry většími než napětí jednofázového zemnění. Nicméně, pro třífázový obvod musí mít pojistka vhodné mezifázové parametry. V konkrétních případech, pokud se předpokládá, že kladná sekvence přerušovacího napětí aplikovaná na pojistku nepřesahuje maximální návrhové napětí, mohou být parametry jednofázového zemnění použity pro třífázový systém. V takových situacích se předpokládá, že dvě sériově spojené proudově omezující pojistky budou sdílet aplikované napětí v dané poruchové situaci. Tabulka 1 ukazuje vztah mezi doporučenými nominálními parametry napětí proudově omezujících pojistek a jejich aplikací.
Pro ochranu elektrických zařízení musí být požadavky na přerušení proudově omezujících pojistek koordinovány s zařízeními, která chrání. Kromě toho musí být časoproudové křivky pojistek koordinovány s ochrannými zařízeními v systému, zejména když jsou zapojeny záložní pojistky a přerušení menších poruchových proudů závisí na expulzní pojistce.
Tabulka 1 Doporučené nominální parametry napětí proudově omezujících pojistek a jejich aplikace
Podobně jako u běžných pojistek, mohou proudově omezující pojistky také za určité okolní teploty zaznamenat snížení výkonu. Deratacní faktory pro různé scénáře použití jsou znázorněny na obrázku 3.
Obrázek 3 Deratacní faktory okolní teploty pro použití proudově omezujících pojistek typu NX
Klíčem k použití pojistkové ochrany pro distribuční transformátory je, že pojistka musí splňovat následující požadavky:
Poskytnout ochranu před krátkým spojením a oddělit vadný transformátor od systému. Pojistka by neměla vyhořet během proudu při zapínání, chladného zatížení a krátkodobého přetížení. Měla by spolupracovat s zařízením v horní části (vyhořet před tím, než se provede rozdělení).
Zabránit vážným přetížením, která by mohla způsobit přetopení nebo mechanické poškození transformátoru. Je třeba si všimnout, že pokud je to potřeba, položka ② může být odložena, protože hlavním cílem pojistkové ochrany je ochrana před přetížením, nikoli před krátkým spojením.
Časoproudová křivka proudu při zapínání/chladném zatížení distribučního transformátoru je odhadnuta na základě následujících situací: v 0,01 s je proud 25krát větší než plný proud; v 0,1 s je proud 12krát větší než plný proud; v 1 s je proud 6krát větší než plný proud; v 10 s je proud 3krát větší než plný proud; a v 100 s je proud 2krát větší než plný proud.
Aby bylo zajištěno, že pojistka použitá pro ochranu distribučního transformátoru nevyhoří během proudu při zapínání nebo chladném zatížení, musí být křivka pojistky na pravé straně křivky proudu při zapínání/chladném zatížení. Jinými slovy, doba vyhoření pojistky by měla být delší než doba trvání těchto proudů.
Křivka poškození transformátoru může být získána od výrobce nebo z normy ANSIC57 a může být zakreslena na stejný graf. Jak bylo zmíněno dříve, pokud je třeba udělat ústupky, měla by být prioritně zohledněna křivka poškození transformátoru před křivkou proudu při zapínání.
Obrázek 4 ukazuje časoproudovou křivku proudu při zapínání/chladném zatížení jednofázového transformátoru s napěťovou úrovní 13,8 kV a nominálnou kapacitou 50 kV·A. Plný proud transformátoru je 3,62 A. Na obrázku je předpokládána křivka pojistky. Ve skutečnosti existují dvě křivky pojistky. Minimální křivka tavení dává nejkratší dobu, kdy pojistka vyhoří, a maximální křivka vypnutí dává nejdelší dobu, kdy pojistka vypne poruchu. Maximální doba vypnutí expulzní pojistky by nikdy neměla být nižší než 0,8 cyklů (tj. 0,0133 s), takže tato křivka je horizontálně zakreslena na 0,0133 s.
Obrázek 4 ukazuje časoproudovou křivku proudu při zapínání/chladném zatížení distribučního transformátoru. Je třeba si všimnout, že křivka pojistky by měla zajišťovat koordinaci mezi pojistkou a ochranným zařízením v horní části. Ochranné zařízení v horní části může být například členící zařízení, jako je pojistka nebo recloser. Pojistka pro ochranu transformátoru by měla vyhořet před tím, než vyhoří pojistka v horní části, nebo před tím, než se zamkne recloser v horní části.
Některé distribuční transformátory jsou považovány za plně samoobslužné (CSP), tj. mají funkce ochrany před přetížením a proudem při zapínání.
Samoobslužné transformátory obvykle mají velkou proudově omezující pojistku a sekundární spínač pro prevenci přetížení v jejich obalech. Běžné transformátory jsou obvykle chráněny pojistkou přidanou na straně primární. Transformátory v krabici obvykle mají pojistku, která je nezávislá na obalu (nepevná frontální deska), buď umístěnou v oleji transformátoru, nebo v suchém bušinkovém studničku nebo válci (pevná frontální deska). V každém případě by měl být použit vhodný design, který usnadní výměnu pojistky na místě.
Poměr pojistky je poměr minimálního splývacího proudu pojistky k plnému proudu transformátoru. Tento poměr naznačuje význam ochrany před přetížením pro neustálou operaci zařízení. Vysoký poměr pojistky umožňuje více selhání transformátoru bez vyhoření během proudu při zapínání nebo přetížení; nízký poměr pojistky zvyšuje počet vyhoření pojistky, a některá vyhoření mohou být zbytečná, ale lépe chrání transformátor před přetížením. Typický poměr pojistky se pohybuje v rozmezí 2 až 4.
U samoobslužného transformátoru je poměr pojistky interní pojistky přibližně 8, protože sekundární strana samoobslužného transformátoru je vybavena spínačem, který není ovlivněn přetížením.
Rozsah ochrany a koordinace pojistkové ochrany
Při výběru pojistky pro ochranu transformátoru v krabici se obvykle fúzní rychlost může vypočítat dělením plného proudu transformátoru minimálním splývacím proudem pojistky. Použití vysoké fúzní rychlosti může chránit systém před vadným transformátorem, ale poskytuje pouze omezenou ochranu před přetížením; nízká fúzní rychlost může poskytnout maximální ochranu před přetížením, ale pojistka je zranitelná vůči impulsnímu proudu a proudu při zapínání.
Kromě toho je třeba zohlednit komplexní faktory, včetně kontinuity provozu, selhání transformátoru způsobené přetížením, koordinace mezi pojistkou transformátoru a členícím zařízením a vliv proudu při zapínání a chladném zatížení. Pokud je známá charakteristická křivka transformátoru, může být pojistka jednoduše upravena tak, aby časová charakteristická křivka pojistky spadala do oblasti mezi křivkou proudu při zapínání transformátoru a křivkou poškození transformátoru.
Tyto křivky jsou formulovány podle standardů, ale nejsou vždy použitelné, takže je třeba vybrat pojistku. Proudy při zapínání z velké míry závisí na reziduálním magnetickém toku v jádře napěťové vlny během zapínání. Aby bylo možné odolat proudu při zapínání, pojistka by měla být schopna odolat 25krát plnému proudu v 0,01 s a 12krát plnému proudu v 0,1 s. Opětovné zapnutí po výpadku hlavního napájení způsobí chladné zatížení. Pokud je známa křivka proudu při zapínání, vybraná křivka pojistky by měla být pomalejší než křivka proudu při zapínání. Bleskový výboj napětí může nasycenit jádro transformátoru a vygenerovat proud při zapínání. Obecně, pokud je poškození bleskem problémem, je lepší použít větší pojistku.
Kromě toho, při výběru pojistky pro ochranu transformátoru v krabici, je třeba také zohlednit koordinaci mezi pojistkami. Zde jsou diskutovány koordinační otázky v dvou situacích:
Koordinace mezi dvěma proudově omezujícími pojistkami. Chcete-li dosáhnout koordinačního cíle, křivka musí začínat v 0,01 s. Pro časy nad 0,01 s lze koordinaci mezi dvěma různými pojistkami ve stejném sadu dosáhnout prostým překryvem TCCS a použitím metody 75% koordinace; pro časy pod 0,01 s lze koordinaci dosáhnout použitím minimálního tavení a celkového vypnutí. Při sériovém zapojení dvou proudově omezujících pojistek by maximální proud procházející ochrannou pojistkou nebo pojistkou na straně zátěže neměl přesáhnout minimální splývací proud chráněné nebo postranní pojistky. Jinými slovy, pojistka na straně zátěže omezí procházející proud na úroveň, která není dostatečná k tomu, aby roztavila postranní pojistku. Koordinace nad 0,01 s není vyžadována, protože koordinační hranice mají pevné hodnoty. Koordinace je konzervativní a tvoří koordinační standard pro jakýkoli poruchový proud. Pokud je por
