Beskyttelse af amerikansk stil kastanlægsfusible
Introduktion til sikringer i amerikanske boks-transformatorer
Amerikanske boks-transformatorer anvender generelt en kombination af stikkablede sikringer og reservebeskyttelsessikringer i serie for at give beskyttelse. Beskyttelsesprincippet er avanceret og pålideligt, og operationen er enkel. Reservebeskyttelsessikringen er en oliebaseret strømbegrænsende sikring, der normalt installeres indeni boks-transformator. Den virker kun, når der opstår en fejl indeni boks-transformator, og den bruges til at beskytte højspændingslinjen. Stikkablede sikring er en oliebaseret stikkablede sikring, der bliver igennembrændt, når der opstår en kortslutningsfejl på sekundærside, eller hvis der er overbelastning eller olie-temperaturen er for høj. Stikkablede sikring er et primært tilbehør til overstrømmebeskyttelse af oliebaserede boks-transformatorer i spændingsforsyningsnetværket.
Sikringerne indeni kan inddeles i tre typer: strømtype, dobbeltfølsomhedstype og dobbeltfaktortype. Sikringen kan trækkes ud til erstatning uden at slukke boks-transformator. Strømtydets sikring, når den er forbundet i serie med reservebeskyttelsessikring, danner en "dobbelt-sikring-beskyttelse". Strømtydets sikring bruges til overbelastningsbeskyttelse, og reservebeskyttelsessikring bruges til at beskytte mod interne fejl i transformator (som spole kortslutning m.v.). Dobbeltfølsomheds-sikring, når den er forbundet i serie med reservebeskyttelsessikring, danner også en "dobbelt-sikring-beskyttelse". Dobbeltfølsomheds-sikring beskytter mod fejl eller overbelastning på lavspændingssiden af transformator både i forhold til strøm og temperatur.
Reservebeskyttelsessikring bruges til at beskytte mod interne fejl i transformator (som spole kortslutning m.v.). Standardamper-sekund kurven kan præcist samarbejde med sikringer og kredsløbsbrydere på øverste og nederste niveau. Dobbeltfaktor-sikring, når den er forbundet i serie med reservebeskyttelsessikring, danner "dobbelt-sikring-beskyttelse". Dobbeltfaktor-sikring beskytter mod fejl eller overbelastning på lavspændingssiden af transformator både i forhold til strøm og temperatur. Reservebeskyttelsessikring bruges til at beskytte mod interne fejl i transformator (som spole kortslutning m.v.), og dens standardamper-sekund kurve kan præcist samarbejde med sikringer og kredsløbsbrydere på øverste og nederste niveau.
Grundlæggende struktur af sikringer
Sikringer har forskellige strukturer i henhold til de funktioner, de udfører. Denne artikel introducerer kort McGraw Edison NX type strømbegrænsende sikring fra COOPER (Cooper) Company i USA.
McGraw Edison NX type strømbegrænsende sikringsstruktur vises på figur 1. Den indeholder en smelteelement med en ren sølv siksring. Den rene sølv sikring er viklet om en mika støtte (edderkoppe-type støttekomponent), og denne støtte kan producere ioniseret gas, der hjælper med at åbne kredsløbet. Sikringen og kvartsand er installeret i en glasfiber isolerende rør.
1 - Højpuritet kvartsand fyld;2 - Mika støtte;3 - Solid kobber terminal;4 - Dobbelt-lukningssystem;5 - Identifikationsmærke;6 - Glasfiber overdrag;7 - Ren sølv sikring.
Figur 1. Grundlæggende bestanddele af McGraw Edison NX type strømbegrænsende sikring.
Som vist på figur 1, McGraw Edison NX type strømbegrænsende sikring (andre sikringsmodeller har lignende strukturer som denne sikring) inkluderer hovedsageligt:
Højpuritet kvartsand fyld. Den specifikke partikelstørrelse, renhed og tæthed giver varmeabsorption og buelukningsegenskaber, som er afgørende for, at sikringen bibeholder konsekvente klaringsegenskaber og et lavt energigennemgangsniveau.
Mika støtte. Under sikringens drift yder mikastøtten stabil vindingsstøtte uden at producere gas og trykakkumulering.
Solid kobber terminal. Messingplugget er valgt for at give en elektrisk leddeling med en længde mellem 0,25 og 10 tommer.
Dobbelt-lukningssystem. Nitrilgummiringen og epoxi-hårdner kan sikre integriteten af sikringens lukning.
Fast identifikationsmærke. Det gør det nemt for brugere at få voltage, strømparametre, ordrenumre og anden information.
Glasfiber overdrag. Det giver høj styrke til sikringen og integriteten af vedligeholdelse, hvilket gør, at sikringen kan modstå en beskyttelsesområde fra den mindste smeltestrøm til maksimalt 50 kA under ethvert afbrydelsesforløb.
Ren sølv sikring. Den kan bibeholde stabilitet under strømcirkulation og termisk pres og giver konsekvente smelteegenskaber. Under afbrydelsen af store strømme kan sikringen effektivt kontrollere og reducere topniveauet for buespændingen. Under afbrydelsesprocessen kan denne komponent effektivt kontrollere og begrænse den tilladte gennemgangsstrøm og energi.
Arbejdskarakteristikker og beskyttelsesprincip for sikringen
Arbejdsgangen for sikringen afhænger af typen af smeltelementet indeni. For alle sikringer er klaringen af store fejlstrømme grundlæggende den samme. Strømmens flyd vil smelte smeltelementet langs hele dens længde, og den producerede bue vil forårsage, at smeltelementet eksploderer, vitrificerer kvartsanden og danner et glassagtigt kanal, der begrænser buens udvikling. Denne glassagtige kanal begrænser buen ved at øge resistansværdien, reducere strømmen og tvinge den til at nå nul forud.
I lokal eller fuldskala sikring skal klaringen af middel eller små strømme undgås. For eksempel, i McGraw Edison type strømbegrænsende sikring, placeres et "M" punkt (dvs. en tinlegat tråd) i midten af det primære smeltelement for at sænke dets smeltepunkt, som vist på figur 2(a). Når smeltelementet smelter ved M-punktet, overføres strømmen til det sekundære smeltelement. En tynd tråd er forbundet til det primære smeltelement med en 1/4 gab i en ende af det primære element. En spændingsgradient spænder buen ved M-punktet og gabet i det sekundære smeltelement, som vist på figur 2(b). Derfor, hvis det primære smeltelement fortsætter med at bue, vil denne trådforbindelse uundgåeligt optræde på tre positioner, forlænger buens længde tre gange og bruger dette område til at dissipere kredsløbets energi, som vist på figur 2(c). I begyndelsen af buedyrkning, er der samlet tilstrækkelig varme til at nedbryde edderkoppestrukturen i det område, og den blæste ud gas fra edderkoppestrukturen kan køle det smeltede sten og reducere buens længde, indtil fejlstedet kan afbrydes.
Figur 2 Processen for McGraw Edison NX type strømbegrænsende sikring for at reducere strømmen
Valget af strømbegrænsende sikringer baseres hovedsageligt på deres nominale spændingsparametre. Når de passende parametre fastsættes, skal flere faktorer tages i betragtning, herunder typen af elektriske system, systemets maksimale spænding, vindingsforholdene for transformator (hvis sikringen bruges til transformatorbeskyttelse), jordstatus for neutralledningen, og typen af belastning.
Generelt kan en enefasede kredsløb beskyttes af en strømbegrænsende sikring med en nominel parameter større end den enefase jordspænding. Men for en tre-fasede kredsløb, skal sikringen have passende fasespændingsparametre. I specifikke tilfælde, antager man, at den positive sekvensbrydningsspænding, der anvendes på sikringen, ikke overstiger den maksimale designspænding, kan den enefase jordparameter være anvendelig for tre-fasede system. Under sådanne omstændigheder, antages det, at to serieforbundne strømbegrænsende sikringer vil dele den anvendte spænding under den givne fejltilstand. Tabel 1 illustrerer forholdet mellem de anbefalede nominelle spændingsparametre og anvendelsesparametre for strømbegrænsende sikringer.
For beskyttelse af elektriske enheder, skal brydningekravene for strømbegrænsende sikringer koordineres med enhederne, de beskytter. Desuden skal tid-strømkurverne for sikringer også koordineres med beskyttelsesenhederne i systemet, især når reserve-sikringer er involveret, og klaringen af lavstrømsfejl afhænger af en udsparkssikring.
Tabel 1 Anbefalede nominelle spændingsparametre for strømbegrænsende sikringer og anvendelsesparametre for strømbegrænsende sikringer
Ligesom almindelige sikringer kan strømbegrænsende sikringer også opleve en reduktion i effekt under en bestemt omgivelses temperatur. Nedgraderingsfaktorerne for forskellige anvendelsesscenarier vises på figur 3.
Figur 3 Omgivelses temperatur nedgraderingsfaktorer for anvendelse af NX - type strømbegrænsende sikringer
Nøglen til anvendelse af sikringbeskyttelse for distributions-transformatorer er, at sikringen skal opfylde følgende krav:
Udbyde kortslutningsbeskyttelse og adskille den defekte transformator fra systemet først. Sikringen bør ikke blive igennembrændt under inrush-strøm, kold belastningsstartstrøm og kortvarig overstrøm. Den bør samarbejde med den øvre enhed (blive igennembrændt, før sektioneringsenheden opererer).
Forebygge alvorlige overstrømsituationer, der kan forårsage overophedningsskade eller mekanisk skade til transformator. Bemærk, at hvis nødvendigt, kan punkt ② udsættes, da det primære formål med sikringbeskyttelse er overstrømmebeskyttelse snarere end kortslutningsbeskyttelse.
Tid-strømkurven for inrush-strøm/kold belastningsstartstrøm for distributions-transformator estimeres baseret på følgende situationer: ved 0,01 s, er strømmen 25 gange den fulde belastningsstrøm; ved 0,1 s, er strømmen 12 gange den fulde belastningsstrøm; ved 1 s, er strømmen 6 gange den fulde belastningsstrøm; ved 10 s, er strømmen 3 gange den fulde belastningsstrøm; og ved 100 s, er strømmen 2 gange den fulde belastningsstrøm.
For at sikre, at sikringen, der anvendes til beskyttelse af distributions-transformator, ikke bliver igennembrændt under inrush-strøm eller kold belastningsstartstrøm, bør sikringskurven være på højre side af inrush-strøm/kold belastningsstartstrøm kurven. Det vil sige, at tiden for, at sikringen bliver igennembrændt, bør være længere end varigheden af disse strømme.
Transformator-skade kurven kan fås fra producenten eller ANSIC57 standard og kan plottes på samme kurvegraf. Som nævnt før, hvis kompromiser skal laves, bør transformator-skade kurven prioriteres over inrush-strøm kurven.
Figur 4 viser inrush-strøm/kold belastningsstartstrøm kurven for en enefasede transformator med en spændingsniveau på 13,8 kV og en nominel kapacitet på 50 kV·A. Den fulde belastningsstrøm for transformatoren er 3,62 A. En sikringskurve antages i figuren. Faktisk findes der to sikringskurver. Den minimale smeltekurve giver den korteste tid for, at sikringen bliver igennembrændt, og den maksimale klarkurves giver den længste tid for, at sikringen klarer fejlen. Den maksimale klartid for udsparkssikring bør aldrig være lavere end 0,8 cyklus (dvs. 0,0133 s), så denne kurve er horisontalt plottet ved 0,0133 s.
Figur 4 viser inrush-strøm/kold belastningsstartstrøm tid-strømkurven for distributions-transformator. Det bør bemærkes, at sikringskurven bør sikre koordineringen mellem sikringen og den øvre beskyttelsesenhed. Den øvre enhed kan være en linjesektioneringsenhed, som en sikring eller en genoptagelsesbryder. Transformatorbeskyttelsessikringen bør blive igennembrændt, før den øvre sikring bliver igennembrændt, eller før den øvre genoptagelsesbryder låses.
Nogle distributions-transformatorer anses for at have en fuld selvbeskyttelsesfunktion (CSP), det vil sige, de har funktioner til overstrømme- og inrush-strøm-beskyttelse.
Selvbeskyttende transformatorer har normalt en stor strømbegrænsende sikring og en sekundær kredsløbsbryder til overlastforebyggelse i deres beholder. Almindelige transformatorer beskyttes normalt ved en sikring, der er tilføjet til primærside. Boks-transformatorer har generelt en sikring, der er uafhængig af beholderen (ikke-fast frontpanel design), enten placeret i transformatorolie eller i en tørr bushing vel eller cylinder (fast frontpanel design). I ethvert tilfælde, bør et passende design anvendes for at forenkle on-site sikringserstatning.
Sikringsforholdet er forholdet mellem den minimale smeltestrøm for sikringen til den fulde belastningsstrøm for transformator. Dette forhold angiver vigtigheden af overlastbeskyttelse for enhedens kontinuerlige drift. Et højt sikringsforhold tillader flere transformator-fejl uden at blive igennembrændt under inrush-strøm eller overlast; et lavt sikringsforhold øger antallet af sikringsbrand, og nogle brand kan være unødvendige, men det kan bedre beskytte transformator mod overlast. Et typisk sikringsforhold ligger mellem 2 og 4.
I en selvbeskyttende transformator, er sikringsforholdet for den interne sikring ca. 8, da sekundærside af selvbeskyttende transformator er udstyret med en kredsløbsbryder, der ikke påvirkes af overlast.
Beskyttelsesområde og koordinering af sikringsbeskyttelse
Når en sikring vælges til beskyttelse af en boks-transformator, kan generelt smelthastigheden beregnes ved at dividere den fulde belastningsstrøm for transformator med den minimale smeltestrøm for sikring. Ved at bruge en høj smelthastighed kan systemet beskyttes mod defekte transformatorer, men den giver kun begrænset overlastbeskyttelse; en lav smelthastighed kan give maksimal overlastbeskyttelse, men sikringen er sårbar over for puljsstrøm og inrush-strøm.
Desuden bør en række faktorer tages i betragtning, herunder driftens kontinuitet, transformatorfejl forårsaget af overlast, koordinering mellem transformatorsikring og sektioneringsenheder, samt indflydelsen af inrush-strøm og kold belastningsstart. Hvis karakteristikkurven for transformatoren er kendt, kan sikringen let justeres ved at lade tidskarakteristikkurven for sikring falde inden for området mellem transformator-inrush kurven og transformator-skade kurven.
Disse kurver er udformet i overensstemmelse med standarder, men de er ikke altid anvendelige, så sikringen skal vælges. Inrush-strøm afhænger i høj grad af restmagnetflod i jernkernen af spændingsbølgen under lukning. For at modstå inrush-strøm, bør sikringen kunne modstå 25 gange den fulde belastningsstrøm ved 0,01 s og 12 gange den fulde belastningsstrøm ved 0,1 s. Genoptagelse efter en primær strømafbrydning vil frembringe en kold belastningsstart. Når inrush-strøm kurven er kendt, bør den valgte sikringskurve være langsommere end inrush-strøm kurven. Lynnedslags-spænding kan saturere transformatorens jernkern og frembringe inrush-strøm. Generelt, hvis lynnedslags-skade er et problem, er det bedre at bruge en større sikring.
Desuden, når en sikring vælges til beskyttelse af en boks-transformator, bør koordineringen mellem sikringer også tages i betragtning. Her diskuteres koordineringsproblemer i to situationer:
Koordinering mellem to strømbegrænsende sikringer. For at opnå koordineringsmålet, skal kurven starte ved 0,01 s. For tider over 0,01 s, kan koordineringen mellem to forskellige sikringer i samme sæt opnås ved simpelthen at lagre TCCS og bruge 75% koordineringsmetode; for tider under 0,01 s, kan koordineringen opnås ved at bruge de minimale smelte- og totale klare-værdier. Når to strømbegrænsende sikringer koordineres i serie, bør den maksimale strøm, der passerer gennem beskyttelsessikringen eller lastside-sikring, ikke overstige den minimale smeltestrøm for den beskyttede eller strømforsyning-side sikring. Det vil sige, at lastside-sikring vil begrænse den passerende strøm til et niveau, der ikke er tilstrækkeligt til at smelte strømforsyning-side sikring. Koordineringskontrol over 0,01 s er ikke nødvendig, da koordineringsgrænserne har faste værdier. Koordineringen er konservativ og danner en koordineringsstandard for enhver fejlstrøm. Hvis fejlstrømmen er begrænset, kan koordineringen opnås ved at ændre strømmen i kurven.
Koordinering mellem reserve-strømbegrænsende sikring og udsparkssikring. Denne beskyttelsesmetode anvendes ofte, fordi den tillader, at de fleste fejl (ved små strømme) kan klare af en billig udsparkssikring. Når en fejl opstår i den beskyttede enhed, vil strømbegrænsende sikring begrænse strømmens størrelse. Det er meget vigtigt, at udsparkssikring kan klare små strømfejl uden at skade strømbegrænsende sikring. Strømbegrænsende sikring kan passere tilstrækkelig strøm efter, at udsparkssikring er igennembrændt, og kan give tydelig fejlindikation. Sikringens egenskaber vil danne krydsningen mellem den maksimale klarkurve for udsparkssikring og den minimale smeltekurve for strømbegrænsende sikring, hvilket resulterer i en større strøm, der vil føre til synkron operation. Hvis de to strømbegrænsende sikringer er korrekt valgt, kan boks-transformator opnå fuldskala beskyttelse.
Drift og vedligeholdelse af sikringsbeskyttelse
Når en sikring anvendes til beskyttelse af en boks-transformator, bør følgende situationer bemærkes:
Stikkablede sikring er manuelt opereret, og brugere har brug for visse færdigheder og erfaring. Inden stikkablede sikring bruges til at afbryde en spændt transformator, bør operatøren have erfaring i at fjerne stikkablede sikring fra sikringsholderen. Ukorrekt håndtering kan føre til skiftfejl og kan kræve, at transformator erstattes, eller forårsage brand.
Hvis stikkablede sikring bruges til fejl-lukning, kan det forårsage alvorlig personskade. Interne fejl kan forårsage, at transformator sprækker eller topkappen løsrives. Derfor bør transformator altid spændes fra et fjernsted for at sikre sikkerhed.
(3) Hvis transformator er placeret i en lukket bygning eller kælder, eller hvis operatøren er direkte over transformator, bør stikkablede sikringssammenstilling ikke bruges til at forbinde eller afbryde transformator. I sådanne situationer er det ubekvemt for operatøren at operere korrekt, og det er svært at forlade sig sikkert i tilfælde af ukorrekt handling.
Inden stikkablede sikring opereres, bør status for transformator nøje vurderes. Kontroller, om der er en buediskludslyd i beholderen; kontroller, om beholderen er buleret eller der er spor af olielekkage eller overskridelse; kontroller, om der er spor af olielekkage, overskridelse eller kulsorte pletter på beholderen nær trykrelæsningseenhed. Hvis ovenstående situationer opstår, bør stikkablede sikring ikke bruges til at forbinde eller afbryde transformator, ellers kan det forårsage brand eller forårsage dødsofre.
Trykket i transformator bør frigøres, inden stikkablede sikring opereres. Forkert frigørelse af trykket i transformatorbeholder kan forårsage, at indsatssammenstillingen af stikkablede sikring bliver voldsomt udslynget sammen med den varme olie. Dette kan forårsage slag, brændskader og miljøforurening.
