Protection des fusibles de transformateurs en boîte américaine
Présentation des fusibles des transformateurs de type boîte américains
Les transformateurs de type boîte américains utilisent généralement une combinaison de fusibles à emboîtement et de fusibles de protection de secours en série pour assurer la protection. Le principe de protection est avancé et fiable, et l'opération est simple. Le fusible de protection de secours est un fusible limitateur de courant à immersion dans l'huile, généralement installé à l'intérieur du transformateur de type boîte. Il ne s'actionne que lorsqu'une panne se produit à l'intérieur du transformateur de type boîte, et il est utilisé pour protéger la ligne haute tension. Le fusible à emboîtement est un fusible à immersion dans l'huile qui fondra en cas de panne de court-circuit sur le côté secondaire, ou en cas de surcharge ou de température d'huile trop élevée. Le fusible à emboîtement est un accessoire principal pour la protection contre les surintensités des transformateurs de type boîte à immersion dans l'huile dans le système de distribution.
Les fusibles à l'intérieur peuvent être classés en trois types : type courant, type double sensibilité et type double facteur. Le fusible peut être retiré pour être remplacé sans débrancher le transformateur de type boîte. Le fusible de type courant, lorsqu'il est connecté en série avec le fusible de protection de secours, forme une "protection par double fusible". Le fusible de type courant est utilisé pour la protection contre les surcharges, et le fusible de protection de secours est utilisé pour protéger contre les pannes internes du transformateur (telles que les courts-circuits de bobine, etc.). Le fusible de double sensibilité, lorsqu'il est connecté en série avec le fusible de protection de secours, forme également une "protection par double fusible". Le fusible de double sensibilité protège contre les pannes ou les surcharges sur le côté basse tension du transformateur en termes de courant et de température.
Le fusible de protection de secours est utilisé pour protéger contre les pannes internes du transformateur (telles que les courts-circuits de bobine, etc.). La courbe ampère-seconde standard peut coopérer précisément avec les fusibles et disjoncteurs des niveaux supérieurs et inférieurs. Le fusible de double facteur, lorsqu'il est connecté en série avec le fusible de protection de secours, constitue une "protection par double fusible". Le fusible de double facteur protège contre les pannes ou les surcharges sur le côté basse tension du transformateur en termes de courant et de température. Le fusible de protection de secours est utilisé pour protéger contre les pannes internes du transformateur (telles que les courts-circuits de bobine, etc.), et sa courbe ampère-seconde standard peut coopérer précisément avec les fusibles et disjoncteurs des niveaux supérieurs et inférieurs.
Structure de base des fusibles
Les fusibles ont des structures différentes selon les fonctions qu'ils remplissent. Cet article présente brièvement le fusible limiteur de courant NX de McGraw Edison de la société COOPER (Cooper) aux États-Unis.
La structure du fusible limiteur de courant de type NX de McGraw Edison est présentée à la figure 1. Il contient un élément fusible avec une bande fusible en argent pur. La bande fusible en argent pur est enroulée sur un support en mica (composant de support en forme d'araignée), et ce support peut générer un gaz ionisé qui aide à ouvrir le circuit. Le fusible et le sable de silice sont installés dans un tube isolant en fibre de verre.
1 - Charge de sable de silice de haute pureté ; 2 - Support en mica ; 3 - Bornes en cuivre massif ; 4 - Système de double scellement ; 5 - Étiquette d'identification ; 6 - Couverture en fibre de verre ; 7 - Bande fusible en argent pur.
Figure 1. Éléments constitutifs de base du fusible limiteur de courant de type NX de McGraw Edison.
Comme indiqué à la figure 1, le fusible limiteur de courant de type NX de McGraw Edison (d'autres modèles de fusibles ont des structures similaires à ce fusible) comprend principalement :
Charge de sable de silice de haute pureté. La granulométrie spécifique, la pureté et la densité fournissent des caractéristiques d'absorption thermique et d'extinction d'arc, essentielles pour que le fusible maintienne des caractéristiques de coupure cohérentes et un niveau d'énergie passante faible.
Support en mica. Pendant le fonctionnement du fusible, le support en mica fournit un support d'enroulement stable sans produire de gaz ni d'accumulation de pression.
Bornes en cuivre massif. Le bouchon en laiton est choisi pour fournir une connexion conductrice électrique avec une longueur allant de 0,25 à 10 pouces.
Système de double scellement. Le joint en caoutchouc nitrile et le scellant en résine époxyde assurent l'intégrité du scellement du fusible.
Étiquette d'identification solide. Elle permet aux utilisateurs d'obtenir des informations sur la tension, le courant, les numéros de commande, etc.
Couverture en fibre de verre. Elle offre une grande résistance au fusible et l'intégrité de l'entretien, permettant au fusible de supporter une plage de protection allant du courant de fusion minimum à un maximum de 50 kA pendant tout processus d'interruption.
Bande fusible en argent pur. Elle peut maintenir sa stabilité sous des conditions de circulation de courant et de pression thermique et fournit des caractéristiques de fusion cohérentes. Lors de l'interruption de forts courants, la bande fusible peut contrôler efficacement et réduire le niveau de pic de la tension d'arc. Pendant le processus d'interruption, ce composant peut contrôler et limiter efficacement le courant et l'énergie autorisés à passer.
Caractéristiques de fonctionnement et principe de protection du fusible
Le processus de fonctionnement du fusible dépend du modèle de l'élément fusible à l'intérieur. Pour tous les fusibles, l'élimination des grands courants de défaut est fondamentalement la même. Le flux de courant fera fondre l'élément fusible sur toute sa longueur, et l'arc généré fera exploser l'élément fusible, vitrifiant le sable de silice et formant un canal vitreux qui restreint le développement de l'arc. Ce canal vitreux limite l'arc en augmentant la valeur de résistance, en réduisant le courant et en le forçant à atteindre zéro plus tôt.
Dans le fusible local ou total, l'élimination des courants moyens ou petits doit être évitée. Par exemple, dans le fusible limiteur de courant de type McGraw Edison, un point "M" (c'est-à-dire un fil en alliage d'étain) est placé au centre de l'élément fusible principal pour abaisser sa température de fusion, comme indiqué à la figure 2(a). Une fois que l'élément fusible fond au point M, le courant est transféré à l'élément fusible auxiliaire. Un fil fin est connecté à l'élément fusible principal avec un écart de 1/4 depuis une extrémité de l'élément principal. Un gradient de tension s'étend entre l'arc au point M et l'écart de l'élément fusible auxiliaire, comme indiqué à la figure 2(b). Ainsi, si l'élément fusible principal continue à arquer, cette connexion de fil apparaîtra inévitablement à trois positions, étendant la longueur de l'arc par trois et utilisant cette zone pour dissiper l'énergie du circuit, comme indiqué à la figure 2(c). Au stade initial de l'arcing, suffisamment de chaleur est accumulée pour décomposer la structure en forme d'araignée dans cette zone, et le gaz soufflé par la structure en forme d'araignée peut refroidir la roche fondue et réduire la longueur de l'arc jusqu'à ce que le point de panne puisse être déconnecté.
Figure 2 Processus de réduction du courant du fusible limiteur de courant de type NX de McGraw Edison
Le choix des fusibles limiteurs de courant est principalement basé sur leurs paramètres de tension nominale. Lors de la détermination des paramètres appropriés, plusieurs facteurs doivent être pris en compte, notamment le type de système électrique, la tension maximale du système, les conditions d'enroulement du transformateur (si le fusible est utilisé pour la protection du transformateur), le statut de mise à la terre du fil neutre, et le type de charge.
Généralement, un circuit monophasé peut être protégé par un fusible limiteur de courant dont les paramètres nominaux sont supérieurs à la tension de mise à la terre monophasée. Cependant, pour un circuit triphasé, le fusible doit avoir des paramètres interphasiques appropriés. Dans des cas spécifiques, en supposant que la tension de rupture positive séquentielle appliquée au fusible ne dépasse pas la tension de conception maximale, les paramètres de mise à la terre monophasée peuvent être applicables au système triphasé. Dans de telles circonstances, on suppose que deux fusibles limiteurs de courant en série partageront la tension appliquée dans la condition de défaut donnée. Le tableau 1 illustre la relation entre les paramètres de tension nominale recommandés et les paramètres d'application des fusibles limiteurs de courant.
Pour la protection des appareils électriques, les exigences de rupture des fusibles limiteurs de courant doivent être coordonnées avec les appareils qu'ils protègent. De plus, les courbes temps-courant des fusibles doivent également être coordonnées avec les dispositifs de protection du système, en particulier lorsque des fusibles de secours sont impliqués et que l'élimination des pannes à faible courant dépend d'un fusible expulseur.
Tableau 1 Paramètres de tension nominale recommandés des fusibles limiteurs de courant et les paramètres d'application des fusibles limiteurs de courant
Comme les fusibles ordinaires, les fusibles limiteurs de courant peuvent également subir une réduction de puissance à une certaine température ambiante. Les facteurs de déclassement pour divers scénarios d'application sont présentés à la figure 3.
Figure 3 Facteurs de déclassement de température ambiante pour les applications de fusibles limiteurs de courant de type NX
La clé de l'application de la protection par fusible pour les transformateurs de distribution est que le fusible doit répondre aux exigences suivantes :
Fournir une protection contre les courts-circuits et séparer d'abord le transformateur défectueux du système. Le fusible ne doit pas fondre pendant le courant d'entrée, le courant de démarrage à froid et le surcourant de courte durée. Il doit coopérer avec le dispositif de niveau supérieur (fondre avant que le sectionneur ne fonctionne).
Empêcher les situations de surintensité graves qui pourraient causer des dommages par surchauffe ou mécaniques au transformateur. Il convient de noter que, si nécessaire, le point ② peut être reporté car l'objectif principal de la protection par fusible est la protection contre les surintensités plutôt que la protection contre les courts-circuits.
La courbe temps-courant du courant d'entrée/courant de démarrage à froid du transformateur de distribution est estimée en fonction des situations suivantes : à 0,01 s, le courant est 25 fois le courant nominal ; à 0,1 s, le courant est 12 fois le courant nominal ; à 1 s, le courant est 6 fois le courant nominal ; à 10 s, le courant est 3 fois le courant nominal ; et à 100 s, le courant est 2 fois le courant nominal.
Pour s'assurer que le fusible utilisé pour la protection du transformateur de distribution ne fond pas pendant le courant d'entrée ou le courant de démarrage à froid, la courbe du fusible doit se situer à droite de la courbe du courant d'entrée/courant de démarrage à froid. Autrement dit, le temps de fusion du fusible doit être plus long que la durée de ces courants.
La courbe de dommage du transformateur peut être obtenue auprès du fabricant ou de la norme ANSIC57 et peut être tracée sur le même graphique de courbe. Comme mentionné précédemment, si des concessions doivent être faites, la courbe de dommage du transformateur devrait être prioritaire par rapport à la courbe du courant d'entrée.
La figure 4 montre la courbe temps-courant du courant d'entrée/courant de démarrage à froid d'un transformateur monophasé avec un niveau de tension de 13,8 kV et une capacité nominale de 50 kV·A. Le courant nominal du transformateur est de 3,62 A. Une courbe de fusible est supposée dans la figure. En fait, il y a deux courbes de fusible. La courbe de fusion minimale donne le temps le plus court pour que le fusible soit endommagé, et la courbe de coupure maximale donne le temps le plus long pour que le fusible élimine la panne. Le temps de coupure maximal du fusible expulseur ne doit jamais être inférieur à 0,8 cycles (c'est-à-dire 0,0133 s), donc cette courbe est tracée horizontalement à 0,0133 s.
La figure 4 montre la courbe temps-courant du courant d'entrée/courant de démarrage à froid du transformateur de distribution. Il convient de noter que la courbe de fusible doit garantir la coordination entre le fusible et le dispositif de protection de niveau supérieur. Le dispositif de niveau supérieur peut être un dispositif de sectionnement de ligne, tel qu'un fusible ou un reclosseur. Le fusible de protection du transformateur doit fondre avant que le fusible de niveau supérieur ne soit endommagé ou avant que le reclosseur de niveau supérieur ne soit verrouillé.
Certains transformateurs de distribution sont considérés comme ayant une fonction de protection complète (CSP), c'est-à-dire qu'ils ont les fonctions de protection contre les surintensités et les courants d'entrée.
Les transformateurs à auto-protection ont généralement un grand fusible limiteur de courant et un disjoncteur secondaire pour la prévention des surcharges dans leur boîtier. Les transformateurs ordinaires sont généralement protégés par un fusible ajouté au côté primaire. Les transformateurs de type boîte ont généralement un fusible indépendant du boîtier (conception de panneau frontal non fixe), soit situé dans l'huile du transformateur, soit dans un puits de gaine sèche ou un cylindre (conception de panneau frontal fixe). Dans tous les cas, une conception appropriée doit être adoptée pour simplifier le remplacement du fusible sur site.
Le ratio de fusible est le rapport entre le courant de fusion minimal du fusible et le courant nominal du transformateur. Ce ratio indique l'importance de la protection contre les surintensités pour le fonctionnement continu de l'appareil. Un ratio de fusible élevé permet plus de pannes de transformateur sans fondre pendant le courant d'entrée ou la surcharge ; un ratio de fusible faible augmente le nombre de fusions, et certaines fusions peuvent être inutiles, mais il peut mieux protéger le transformateur contre les surcharges. Un ratio de fusible typique varie de 2 à 4.
Dans un transformateur à auto-protection, le ratio de fusible du fusible interne est d'environ 8 car le côté secondaire du transformateur à auto-protection est équipé d'un disjoncteur qui n'est pas affecté par les surcharges.
Portée de protection et coordination de la protection par fusible
Lors de la sélection d'un fusible pour la protection d'un transformateur de type boîte, généralement, le taux de fusion peut être calculé en divisant le courant nominal du transformateur par le courant de fusion minimal du fusible. L'utilisation d'un taux de fusion élevé peut protéger le système des transformateurs défectueux, mais elle ne fournit qu'une protection limitée contre les surcharges ; un taux de fusion faible peut offrir une protection maximale contre les surcharges, mais le fusible est vulnérable aux courants d'impulsion et aux courants d'entrée.
En outre, des facteurs globaux doivent être pris en compte, y compris la continuité de fonctionnement, les pannes de transformateur causées par les surcharges, la coordination entre le fusible du transformateur et le dispositif de sectionnement, et l'impact du courant d'entrée et du courant de démarrage à froid. Si la courbe caractéristique du transformateur est connue, le fusible peut être simplement ajusté en faisant en sorte que la courbe caractéristique temporelle du fusible tombe dans la zone entre la courbe d'entrée du transformateur et la courbe de dommage du transformateur.
Ces courbes sont formulées selon des normes, mais elles ne sont pas toujours applicables, donc le fusible doit être sélectionné. Le courant d'entrée dépend largement du flux magnétique résiduel dans le noyau de fer de l'onde de tension lors de la fermeture. Pour résister au courant d'entrée, le fusible doit pouvoir résister 25 fois le courant nominal à 0,01 s et 12 fois le courant nominal à 0,1 s. La reprise d'alimentation après une panne d'alimentation primaire générera un démarrage à froid. Lorsque la courbe de courant d'entrée est connue, la courbe de fusible choisie doit être plus lente que la courbe de courant d'entrée. La tension de décharge atmosphérique peut saturer le noyau du transformateur et générer un courant d'entrée. Généralement, si les dommages par la foudre sont un problème, il est préférable d'utiliser un fusible de plus grande taille.
De plus, lors de la sélection d'un fusible pour la protection d'un transformateur de type boîte, la coordination entre les fusibles doit également être prise en compte. Ici, les problèmes de coordination dans deux situations sont discutés :
Coordination entre deux fusibles limiteurs de courant. Pour atteindre l'objectif de coordination, la courbe doit commencer à 0,01 s. Pour les temps supérieurs à 0,01 s, la coordination entre deux fusibles différents dans le même ensemble peut être réalisée en superposant simplement les TCCS et en utilisant la méthode de coordination à 75 % ; pour les temps inférieurs à 0,01 s, la coordination peut être réalisée en utilisant les valeurs de fusion minimale et de coupure totale. Lorsque deux fusibles limiteurs de courant sont coordonnés en série, le courant maximal passant par le fusible de protection ou le fusible côté charge ne doit pas dépasser le courant de fusion minimal du fusible protégé ou côté source. C'est-à-dire que le fusible côté charge limitera le courant passant à un niveau insuffisant pour faire fondre le fusible côté source. La vérification de coordination au-dessus de 0,01 s n'est pas requise car les limites de coordination ont des valeurs fixes. La coordination est conservatrice et forme une norme de coordination pour tout courant de défaut. Si le courant de défaut est limité, la coordination peut être réalisée en modifiant le courant dans la courbe.
Coordination entre le fusible limiteur de courant de secours et le fusible expulseur. Cette méthode de protection est souvent adoptée car elle permet de dégager la plupart des défauts (sous de faibles courants) grâce à un fusible expulseur peu coûteux. Lorsqu'un défaut se produit dans l'appareil protégé, le fusible limiteur de courant limitera l'amplitude du courant. Il est très important que le fusible expulseur puisse dégager les défauts à faible courant sans endommager le fusible limiteur de courant. Le fusible limiteur de courant peut laisser passer un courant suffisant après que le fusible expulseur a fondu et peut fournir une indication de défaut évidente. Les caractéristiques des fusibles formeront l'intersection de la courbe de coupure maximale du fusible expulseur et de la courbe de fusion minimale du fusible limiteur de courant, entraînant un courant plus élevé, ce qui conduira à une opération synchrone. Si les deux fusibles limiteurs de courant sont correctement sélectionnés, le transformateur de type boîte peut bénéficier d'une protection complète.
Exploitation et maintenance de la protection par fusible
Lors de l'utilisation d'un fusible pour la protection d'un transformateur de type boîte, les situations suivantes doivent être prises en compte :
Le fusible à emboîtement est manuellement opéré, et les utilisateurs ont besoin de certaines compétences et d'expérience. Avant d'utiliser le fusible à emboîtement pour déconnecter le transformateur alimenté, l'opérateur doit avoir de l'expérience pour retirer le fusible à emboîtement de son support. Une manipulation incorrecte peut entraîner des défauts de commutation et peut nécessiter le remplacement du transformateur ou provoquer un incendie.
Si le fusible à emboîtement est utilisé pour la fermeture en cas de défaut, cela peut causer des blessures corporelles graves. Des défauts internes peuvent provoquer la fissuration du transformateur ou le détachement du couvercle supérieur. Par conséquent, le transformateur doit toujours être alimenté à distance pour assurer la sécurité.
(3) Si le transformateur est situé dans un bâtiment fermé ou une cave, ou si l'opérateur est directement au-dessus du transformateur, l'ensemble de fusible à emboîtement ne doit pas être utilisé pour connecter ou déconnecter le transformateur. Dans de telles situations, il est difficile pour l'opérateur de manipuler correctement, et il est difficile de s'éloigner en toute sécurité en cas de manipulation incorrecte.
Avant de manipuler le fusible à emboîtement, l'état du transformateur doit être soigneusement évalué. Vérifiez s'il y a un bruit de décharge d'arc dans le boîtier ; vérifiez si le boîtier est gonflé ou s'il y a des traces de fuite ou de débordement d'huile ; vérifiez s'il y a des traces de fuite, de débordement ou de taches de suie près du dispositif de dépressurisation. Si les situations ci-dessus se produisent, le fusible à emboîtement ne doit pas être utilisé pour connecter ou déconnecter le transformateur, sinon, cela peut provoquer un incendie ou causer des blessures corporelles.
La pression du transformateur doit être libérée avant de manipuler le fusible à emboîtement. La libération incorrecte de la pression du boîtier du transformateur peut provoquer l'éjection violente de l'ensemble d'insertion du fusible à emboîtement avec l'huile chaude. Cela peut causer des blessures par impact, des brûlures et une pollution environnementale.
L'utilisation d'un fusible à emboîtement avec une valeur d'ampérage excessive peut entraîner un déséquilibre avec le fusible limiteur de courant de secours dans le transformateur ou d'autres parties du système. Dans ce cas, en cas de défaut interne au transformateur, cela peut provoquer une panne d'électricité plus large ou entraîner l'incendie ou l'explosion du transformateur. L'installation d'un fusible à emboîtement avec une valeur d'ampérage inférieure à la valeur recommandée entraînera des fusions inutiles et des interruptions de fonctionnement.
Les dommages au tube de fusible affecteront l'installation correcte du fusible. Vérifiez attentivement le tube de fusible pour vous assurer qu'il n'y a pas de corrosion supérieure à la piqûre sur aucune partie du laiton, et que le noircissement ou l'abrasion des composants isolants n'est pas plus long que 1/2 in (13 mm). Si les dommages dépassent ce degré, le tube de fusible endommagé doit être remplacé par un nouveau. Si une grande quantité de laiton a fondu, ou si l'abrasion s'étend au-delà de la moitié de la longueur du tube de fusible, le support de fusible à emboîtement doit également être remplacé. Si le composant est endommagé, cela peut empêcher la déconnexion des défauts ultérieurs et causer des domm
