Amerikanlaista laatikkomuotoista muuntajan sulakkeiden suojelu

Yhdysvaltalaisen laatikkomuodon muuntajan sähköjohtimien esittely
Yhdysvaltalaisessa laatikkomuodossa olevat muuntajat käyttävät yleensä sarjapitoisia pistojohdon sähköjohtimia ja varakappaleena toimivaa suojasähköjohtinia. Suojaperiaate on edistynyt ja luotettava, ja käyttö on yksinkertaista. Varakappaleena toimiva suojasähköjohtin on öljyupotettu virtarajoitusjohtin, joka on yleensä asennettu laatikkomuotoisen muuntajan sisään. Se tulee toimeen vain, kun tapahtuu vika laatikkomuotoisen muuntajan sisällä, ja sitä käytetään korkean jännitteen suojaksi. Pistojohdon sähköjohtin on öljyupotettu pistojohdon sähköjohtin, joka rikkoutuu, kun tapahtuu lyhyyskierreto tai ylikuormitus sekundääripuolella tai öljyn lämpötila on liian korkea. Pistojohdon sähköjohtin on pääasiallinen lisälaitteisto öljyupotetuille laatikkomuotoisille muuntamille jakeluverkostossa.

Sisäiset sähköjohtimet voidaan luokitella kolmeen tyyppiin: virtatyypiksi, kaksireaktiiviseksi ja kaksifaktoriseksi. Sähköjohtinta voidaan poistaa ja vaihtaa ilman, että laatikkomuotoisen muuntajan tarvitsee kytketä pois päältä. Virtatyypin sähköjohtin, kun se on sarjapitoisuudessa varakappaleena toimivan suojasähköjohtimen kanssa, muodostaa "kaksijohdin suojan". Virtatyypin sähköjohtin käytetään ylikuorman suojaksi, ja varakappaleena toimiva suojasähköjohtin suojaa muuntimen sisäisiä vikoja (kuten pyyhkäisykierron lyhytkierroksia jne.). Kaksireaktiivinen sähköjohtin, kun se on sarjapitoisuudessa varakappaleena toimivan suojasähköjohtimen kanssa, muodostaa myös "kaksijohdin suojan". Kaksireaktiivinen sähköjohtin suojaa muuntimen sekundääripuolen vikoilta tai ylikuormitukselta sekä virran että lämpötilan osalta.

Varakappaleena toimiva suojasähköjohtin suojaa muuntimen sisäisiä vikoja (kuten pyyhkäisykierron lyhytkierroksia jne.). Standardi amperisekunnin käyrä voi tarkasti yhteistyökykyistä sähköjohtineja ja katkaisijoita ylä- ja alatasolla. Kaksifaktorinen sähköjohtin, kun se on sarjapitoisuudessa varakappaleena toimivan suojasähköjohtimen kanssa, muodostaa "kaksijohdin suojan". Kaksifaktorinen sähköjohtin suojaa muuntimen sekundääripuolen vikoilta tai ylikuormitukselta sekä virran että lämpötilan osalta. Varakappaleena toimiva suojasähköjohtin suojaa muuntimen sisäisiä vikoja (kuten pyyhkäisykierron lyhytkierroksia jne.), ja sen standardi amperisekunnin käyrä voi tarkasti yhteistyökykyistä sähköjohtineja ja katkaisijoita ylä- ja alatasolla.
Sähköjohtimien perusrakenne
Sähköjohtimet ovat eri rakenteisia riippuen niiden suorittamista tehtävistä. Tässä artikkelissa esitellään lyhyesti Yhdysvalloissa sijaitsevan COOPER (Cooper) -yrityksen McGraw Edison NX -tyyppistä virtarajoitusjohtinia.

McGraw Edison NX -tyyppisen virtarajoitusjohtimen rakenne on nähtävissä kuvassa 1. Se sisältää purtavaraosan puhtaasta hopeasta valmistetulla sähköjohtinleikkauksella. Puhtaan hopean sähköjohtinleikkaus on kiertävä mikan tukena (spider-tukiosana), ja tämä tuki voi tuottaa ionisoitunutta kaasua, joka auttaa avamaan piirin. Sähköjohtin ja kiveenkuivattu hiekka on asennettu lasikuituvarusteeseen.

1 - Korkeapuhtaan kiveenkuivatun hiekan täyttöaine;2 - Mikan tuki;3 - Kiinteä kuparin päätepiste;4 - Kaksoisulosteistema;5 - Tunnistemerkit;6 - Lasikuituvaruste;7 - Puhtaan hopean sähköjohtinleikkaus.

Kuva 1. McGraw Edison NX -tyyppisen virtarajoitusjohtimen perusrakenteen osat.

Kuten kuvassa 1 nähdään, McGraw Edison NX -tyyppinen virtarajoitusjohtin (muut johtintyypit ovat samankaltaisia tämän johtimen kanssa) sisältää pääasiassa:

•  Korkeapuhtaan kiveenkuivatun hiekan täyttöaine. Tiettyjen koon, puhtauden ja tiheyden ominaisuudet tarjoavat lämpöenergian absorboinnin ja kaaren sammuttamisen ominaisuudet, jotka ovat välttämättömiä sähköjohtimen yhdenmukaiselle puhdistumiselle ja alhaalle energian kuljetustasolle.

•  Mikan tuki. Kun sähköjohtin toimii, mikan tuki tarjoaa vakaiden kiertokäytävien tuen ilman kaasun ja paineen kertymistä.

• Kiinteä kuparin päätepiste. Messingpiikki on valittu tarjoamaan sähköinen yhteys, jonka pituus on 0,25–10 tuumaa.

• Kaksoisulosteistema. Nitriliharmaa-asbestin kumilevy ja epoksiharmaa-asbestin tiivistemateriaali voivat taata sähköjohtimen ulosteiston eheys.

• Vahva tunnistemerkit. Ne mahdollistavat käyttäjien saamisen jännite- ja virramäärityksiä, tilausnumeroita ja muita tietoja.

• Lasikuituvaruste. Se tarjoaa sähköjohtimelle korkean vahvuuden ja ylläpidon eheyden, mikä mahdollistaa sähköjohtimen suojaksi minimaalista sulamisvirrasta maksimissaan 50 kA kaikki keskeyttämisprosessit.

• Puhtaan hopean sähköjohtinleikkaus. Se voi säilyttää vakauden virran kiertokäytävillä ja lämpöpaineolosuhteissa ja tarjoaa yhdenmukaisia sulamisominaisuuksia. Isoiden virtojen keskeyttämisessä sähköjohtinleikkaus voi tehokkaasti hallita ja vähentää kaaren jännitteen huippuarvoa. Keskeyttämisprosessissa tämä komponentti voi tehokkaasti hallita ja rajoittaa sallittua kulkevaa virtaa ja energiaa.

Sähköjohtimen toimintamääritykset ja suojaperiaate
Sähköjohtimen toimintaprosessi riippuu sen sisällä olevan sähköjohtimen mallista. Kaikilla sähköjohtimilla isojen virhevirtapiirien puhdistaminen on periaatteessa sama. Virta kiertää sähköjohtimen kokonaan, mikä sulauttaa purtavaraosan koko pituudella, ja tuottama kaari aiheuttaa purtavaraosan räjähtämisen, joka kuiviaa kiveenkuivatun hiekan ja muodostaa lasimäisen kanavan, joka rajoittaa kaaren kehitystä. Tämä lasimäinen kanava rajoittaa kaarta kasvattamalla vastusta, vähentämällä virtaa ja pakottaen sen nollastumaan ennakoituun aikaan.

Paikallisissa tai koko laajuudessaan sähköjohtimissa keskisuurten tai pienempien virtojen puhdistaminen on estettävä. Esimerkiksi McGraw Edison -tyyppisessä virtarajoitusjohtimessa "M" -piste (eli tinasekoitusnaru) on sijoitettu pääpurtoelementin keskelle alentamaan sen sulamislämpötilaa, kuten kuvassa 2(a). Kun purtoelementti sulautuu M-pisteessä, virta siirtyy apupurtoelementille. Ohut lanka on yhdistetty pääpurtoelementtiin 1/4 välistä pääelementin yhdestä päästä. Jännitegradientti ulottuu M-pisteen kaarelle ja apupurtoelementin välille, kuten kuvassa 2(b). Siksi, jos pääpurtoelementti jatkaa kaaran syntyä, tämä langayhteys ilmenee välttämättä kolmessa paikassa, mikä laajentaa kaaren pituutta kolminkertaiseksi ja käyttää tätä aluetta piirin energian levittämiseen, kuten kuvassa 2(c). Kaaren alkuvaiheessa kerätään riittävästi lämpöä hajottamaan kyseinen alueen verkkorakenne, ja verkkorakenteesta tuhlautuva kaasu jäähtää pehmeäksi kivenkuivatuksi hiekaksi ja vähentää kaaren pituutta, kunnes virhetapahtuma voidaan keskeyttää.

Kuva 2 McGraw Edison NX -tyyppisen virtarajoitusjohtimen prosessi virtan vähentämiseksi

Virtarajoitusjohtimien valinta perustuu ensisijaisesti niiden suositeltuihin jänniteparametreihin. Kun määritetään sopivat parametrit, on otettava huomioon useita tekijöitä, mukaan lukien sähköjärjestelmän tyyppi, järjestelmän maksimijännite, muuntimen kierrontatila (jos sähköjohtin käytetään muuntimen suojaksi), neutraalijohdon maantila, ja kuormityksen tyyppi.

Yleisesti ottaen yksiphasia piiriä voidaan suojata virtarajoitusjohtimella, jonka suositeltu parametri on suurempi kuin yksiphasen maan yhteyden jännite. Mutta kolmiphasia piiriä varten sähköjohtin on oltava sopiva interfaasiparametri. Tietyissä tapauksissa, jos oletetaan, että sähköjohtimeen sovellettava positiivijärjestyskatkaisujännite ei ylitä suurinta suunnittelujännitettä, yksiphasen maan yhteyden parametrit voivat olla sovellettavissa kolmiphasiseen järjestelmään. Tällaisissa olosuhteissa oletetaan, että kaksi sarjapitoista virtarajoitusjohtinta jakavat sovellettavan jännitteen annetussa virhetilanteessa. Taulukko 1 havainnollistaa suositeltujen virtarajoitusjohtimien jänniteparametrien ja virtarajoitusjohtimien soveltamisparametrien välisen suhteen.

Sähkölaitteiden suojaksi sähköjohtimien katkaisuvaatimukset on yhteistyökykyistä suojattavien laitteiden kanssa. Lisäksi sähköjohtimien aikavirtakäyrät on yhteistyökykyistä järjestelmän suojalaitteiden kanssa, erityisesti silloin, kun varakappaleena toimivat sähköjohtimet ovat mukana ja pienempien virtojen puhdistaminen perustuu purtojohtimiin.

Taulukko 1 Suositeltujen virtarajoitusjohtimien jänniteparametrit ja virtarajoitusjohtimien soveltamisparametrit

Samankuin tavallisilla sähköjohtimilla, virtarajoitusjohtimet voivat myös kokea tehon alenemisen tietyssä ympäristölämpötilassa. Eri sovellustilanteiden degradointikerroin on nähtävissä kuvassa 3.

Kuva 3 Ympäristölämpötilan vaikutus NX-tyyppisten virtarajoitusjohtimien soveltamiseen

Jakeluverkon muuntimien sähköjohtinsuojan soveltamisen avaintekijä on, että sähköjohtin on täytettävä seuraavat vaatimukset:

• Tarjota lyhyyskierreto suojaa ja erotella viallinen muuntaja järjestelmästä ensimmäiseksi. Sähköjohtin ei tulisi rikkoutua inrush-virran, kylmän kuorman käynnistysvirran tai lyhytaikaisen ylikuormituksen aikana. Se tulisi yhteistyökykyistä ylälaite (rikkoa ennen segmentoinnin toiminta).

• Estää vakavia ylikuormituksen tilanteita, jotka voivat aiheuttaa muuntimelle ylikuumenemisvaurioita tai mekaanisia vaurioita. On huomioitava, että tarvittaessa kohta ② voidaan lykätä, koska sähköjohtinsuojan ensisijainen tavoite on ylikuormisuksen suojaksi eikä lyhyyskierreto suojaksi.

Jakeluverkon muuntimen inrush-virta/kylmän kuorman käynnistysvirran aikavirtakäyrä arvioidaan seuraavien tilanteiden perusteella: 0,01 sekunnissa virta on 25 kertaa täysi kuormitusvirta; 0,1 sekunnissa virta on 12 kertaa täysi kuormitusvirta; 1 sekunnissa virta on 6 kertaa täysi kuormitusvirta; 10 sekunnissa virta on 3 kertaa täysi kuormitusvirta; ja 100 sekunnissa virta on 2 kertaa täysi kuormitusvirta.

Varmistaakseen, että sähköjohtin, jota käytetään jakeluverkon muuntimen suojaksi, ei rikkoudu inrush-virran tai kylmän kuorman käynnistysvirran aikana, sähköjohtimen käyrän tulisi olla inrush-virta/kylmän kuorman käynnistysvirran käyrän oikealla puolella. Toisin sanoen sähköjohtimen rikkoutumisaika tulisi olla pidempi kuin nämä virtat kestävät.

Muuntimen vauriovirtakäyrä voidaan saada valmistajalta tai ANSIC57-standardista ja se voidaan piirtää samaan käyräkaavioon. Kuten aiemmin mainittiin, jos on tehtävä kompromisseja, muuntimen vauriovirtakäyrä tulisi priorisoida inrush-virtakäyrän edelle.

Kuva 4 näyttää 13,8 kV:n jänniteasteen ja 50 kV·A:n nimikappaleen yksiphasisen muuntimen inrush-virta/kylmän kuorman käynnistysvirran käyrän. Muuntimen täysi kuormitusvirta on 3,62 A. Kuvassa oletetaan sähköjohtimen käyrä. Itse asiassa on olemassa kaksi sähköjohtimen käyrää. Vähimmäissulatuskäyrä antaa lyhimmän ajan sähköjohtimen rikkoutumiselle, ja suurin puhdistuskäyrä antaa pisimmän ajan sähköjohtimen virheen puhdistamiselle. Purtojohtimen suurin puhdistusaika ei koskaan saa olla alle 0,8 kierrosta (eli 0,0133 sekuntia), joten tämä käyrä on piirretty vaakasuoraan 0,0133 sekuntia.

Kuva 4 näyttää jakeluverkon muuntimen inrush-virta/kylmän kuorman käynnistysvirran aikavirtakäyrän. On huomioitava, että sähköjohtimen käyrän tulisi varmistaa sähköjohtimen ja ylälaite suojalaitteen välinen yhteistyö. Ylälaite voi olla linjasegmentointilaitte, kuten sähköjohtin tai uudelleenkäynnistyslaitte. Muuntimen suojasähköjohtin tulisi rikkoutua ennen ylälaite sähköjohtimen rikkoutumista tai ennen ylälaite uudelleenkäynnistyslaitteen lukitsua.

Jotkut jakeluverkon muuntimet pidetään täysin itse suojattavina (CSP), eli ne sisältävät ylikuormitus- ja inrush-virtasuojan toiminnot.

Itse suojattavissa muuntimissa on yleensä suuri virtarajoitusjohtin ja sekundääripuolen katkaisin ylikuorman estämiseksi niiden koteluissa. Yleiset muuntimet suojataan yleensä sähköjohtimella, joka on lisätty primääripuolelle. Laatikkomuodossa olevat muuntimet yleensä sisältävät sähköjohtimen, joka on itsenäinen kotelusta (ei kiinteä etupaneelirakenne), joko muuntimen öljyssä tai kuivassa bushing-pojuissa tai putkessa (kiinteä etupaneelirakenne). Missä tahansa tapauksessa, asianmukainen suunnittelu tulisi hyväksyä helpottamaan sähköjohtimen paikan päällä vaihtoa.

Sähköjohtinsuhde on sähköjohtimen minimisulatusvirran suhde muuntimen täyteen kuormitusvirtaan. Tämä suhde osoittaa ylikuormisuuden suojan tärkeyttä laitteen jatkuvalle toiminnalle. Korkea sähköjohtinsuhde sallii enemmän muuntimen vikkoja ilman rikkoutumista inrush-virran tai ylikuormituksen aikana; alhainen sähköjohtinsuhde lisää sähköjohtimen rikkoutumisten määrää, ja jotkut rikkoutumiset voivat olla tarpeettomia, mutta se suojelee paremmin muuntimia ylikuormitukselta. Tyypillisessä sähköjohtinsuhteessa on arvoalue 2-4.

Itse suojattavassa muuntimessa sisäisen sähköjohtimen sähköjohtinsuhde on noin 8, koska itse suojattavan muuntimen sekundääripuolella on katkaisin, jota ylikuormitus ei vaikuta.

Sähköjohtinsuojan suojavalikko ja yhteistyö

Valittaessa sähköjohtin laatikkomuotoisen muuntimen suojaksi, yleensä sulatusnopeus voidaan laskea jakamalla muuntimen täysi kuormitusvirta sähköjohtimen minimisulatusvirran. Korkean sulatusnopeuden käyttö suojaa järjestelmää viallisilta muuntimilta, mutta se tarjoaa rajallisen ylikuormisuuden suojan; matala sulatusnopeus tarjoaa maksimaalisia ylikuormisuuden suojia, mutta sähköjohtin on altis impulsvirralle ja inrush-virralle.

Lisäksi on otettava huomioon monia tekijöitä, mukaan lukien toiminnan jatkuvuus, muuntimen vikat ylikuormituksen vuoksi, muuntimen sähköjohtimen ja segmentoinnin välinen yhteistyö, ja inrush-virran ja kylmän kuorman käynnistysvirran vaikutukset. Jos muuntimen ominaisuuskäyrä on tiedossa, sähköjohtimen voidaan yksinkertaisesti säätää sijoittamalla sähköjohtimen aikakäyrä muuntimen inrush-käyrän ja muuntimen vauriovirtakäyrän välille.

Nämä käyrät on muodostettu standardeihin, mutta ne eivät ole aina sovellettavissa, joten sähköjohtin on valittava. Inrush-virta riippuu suuresti jännitetä aaltoon sulautuvan residuaalimagneettisen fluxin jäännöksistä. Inrush-virran vastaan sähköjohtin tulisi kestää 25 kertaa täysi kuormitusvirta 0,01 sekunnissa ja 12 kertaa täysi kuormitusvirta 0,1 sekunnissa. Uudelleenenergoituminen ensisijaisen sähkökatkoksen jälkeen aiheuttaa kylmän kuorman käynnistyksen. Kun inrush-virtakäyrä on tiedossa, valittu sähköjohtimen käyrän tulisi olla hitaampi kuin inrush-virtakäyrä. Ukkosmyrskyjen sähköiskuvaus voi saturaattaa muuntimen ruosteen ja aiheuttaa inrush-virran. Yleisesti ottaen, jos ukkosmyrskyjen aiheuttamat vahingot ovat ongelma, on parempi käyttää suurempaa sähköjohtinta.

Lisäksi laatikkomuotoisen muuntimen suojaksi valittaessa sähköjohtinta, on otettava huomioon sähköjohtimien välinen yhteistyö. Tässä käsitellään kahdessa tilanteessa yhteistyötä:

• Kahden virtarajoitusjohtimen välinen yhteistyö. Yhteistyön tavoitteen saavuttamiseksi käyrän tulisi alkaa 0,01 sekunnista. Aikojen yli 0,01 sekuntia kahden eri sähköjohtimen välisen yhteistyön sama joukossa voidaan saavuttaa yksinkertaisesti yhdistämällä TCCS ja käyttämällä 75% yhteistyömenetelmää; aikojen alle 0,01 sekuntia yhteistyö voidaan saavuttaa käyttämällä minimisulatus- ja kokonaispuhdistusarvoja. Kun kaksi virtarajoitusjohtinta on sarjapitoisuudessa, suurin virta, joka kulkee suojasähköjohtin kautta tai kuormituspuolen sähköjohtin kautta, ei saa ylittää suojattavan tai energianlähteen sähköjohtimen minimisulatusvirran. Tämä tarkoittaa, että kuormituspuolen sähköjohtin rajoittaa kulkevaa virtaa tasolle, joka ei ole riittävä sulattamaan energianlähteen sähköjohtimen. Yli 0,01 sekuntia yhteistyön tarkastus ei ole tarpeen, koska yhteistyörajojen arvot ovat kiinteät. Yhteistyö on konservatiivinen ja muodostaa yhteistyöstandardin mille tahansa virhevirtalle. Jos virhevirta on rajoitettu, yhteistyö voidaan saavuttaa muuttamalla virtaa käyrässä.

• Varakappaleena toimivan virtarajoitusjohtimen ja purtojohtimen välinen yhteistyö. Tämä suojamenetelmä on usein käytetty, koska se sallii useimmat vikat (pienet virrat) puhdistettavan halpoilla purtojohtimilla. Kun vika tapahtuu suojattavassa laitteessa, virtarajoitusjohtin rajoittaa virran suuruuden. On erittäin tärkeää, että purtojohtin voi puhdistaa pieniä virtoja ilman, että vahingoittaa virtarajoitusjohtinta. Virtarajoitusjohtin voi kulkea riittävästi virtaa purtojohtimen rikkoutumisen jälkeen ja tarjota selvän vika-osoituksen. Sähköjohtimen ominaisuudet muodostavat purto