Protección de fusibles de transformadores cajón-estilo americanos
Introdución aos fusibles dos transformadores de caixa estilo americano
Os transformadores de caixa estilo americano xeralmente usan unha combinación de fusibles de encaixe e fusibles de protección de reserva en serie para proporcionar protección. O principio de protección é avanzado e fiable, e a operación é simple. O fusible de protección de reserva é un fusible limitador de corrente sumergido en óleo, xeralmente instalado dentro do transformador de caixa. Só funcionará cando ocorra un fallo dentro do transformador de caixa, e empregase para protexer a liña de alta tensión. O fusible de encaixe é un fusible de encaixe sumergido en óleo, que se fundirá cando ocorra un fallo de curto circuito no lado secundario, ou cando haxa un sobrecarga ou a temperatura do óleo sexa demasiado alta. O fusible de encaixe é un accesorio principal para a protección contra sobrecorrente de transformadores de caixa sumergidos en óleo no sistema de distribución.
Os fusibles interiores poden clasificarse en tres tipos: de corrente, de dous factores sensibles e de dous factores. O fusible pode retirarse para a súa substitución sen apagar o transformador de caixa. O fusible de corrente, cando se conecta en serie co fusible de protección de reserva, forma unha "protección de dobre fusible". O fusible de corrente empregase para a protección contra sobrecargas, e o fusible de protección de reserva empregase para protexer contra fallos internos do transformador (como curtos circuitos nas bobinas, etc.). O fusible de dous factores sensibles, cando se conecta en serie co fusible de protección de reserva, tamén forma unha "protección de dobre fusible". O fusible de dous factores sensibles protexe contra fallos ou sobrecargas no lado de baixa tensión do transformador tanto en termos de corrente como de temperatura.
O fusible de protección de reserva empregase para protexer contra fallos internos do transformador (como fallos de curto circuito nas bobinas, etc.). A curva estándar amperio-segundo pode cooperar con precisión cos fusibles e interruptores de nivel superior e inferior. O fusible de dous factores, cando se conecta en serie co fusible de protección de reserva, constitúe unha "protección de dobre fusible". O fusible de dous factores protexe contra fallos ou sobrecargas no lado de baixa tensión do transformador tanto en termos de corrente como de temperatura. O fusible de protección de reserva empregase para protexer contra fallos internos do transformador (como fallos de curto circuito nas bobinas, etc.), e a súa curva estándar amperio-segundo pode cooperar con precisión cos fusibles e interruptores de nivel superior e inferior.
Estrutura Básica dos Fusibles
Os fusibles teñen diferentes estruturas segundo as funcións que desempeñan. Este artigo presenta brevemente o fusible limitador de corrente tipo NX McGraw Edison da IEE-Business (Cooper) nos Estados Unidos.
A estrutura do fusible limitador de corrente tipo NX McGraw Edison amósase na Figura 1. Contén un elemento fusible con unha tira de fusible de prata pura. A tira de fusible de prata pura está envolvida nun soporte de mica (componente de soporte tipo araña), e este soporte pode xerar gas ionizado que axuda a abrir o circuito. O fusible e a areia de sílice están instalados nun tubo de aislamento de fibra de vidro.
1 - Recheo de areia de sílice de alta pureza;2 - Soporte de mica;3 - Terminal de cobre sólido;4 - Sistema de dobre selado;5 - Etiqueta de identificación;6 - Cuberta de fibra de vidro;7 - Tira de fusible de prata pura.
Figura 1. Elementos básicos constitutivos do fusible limitador de corrente tipo NX McGraw Edison.
Como se amosa na Figura 1, o fusible limitador de corrente tipo NX McGraw Edison (outros modelos de fusibles teñen estruturas similares a este fusible) inclúe principalmente:
Recheo de areia de sílice de alta pureza. O tamaño específico das partículas, a pureza e a densidade proporcionan características de absorción de calor e extinción de arco, que son esenciais para que o fusible mantenga características constantes de limpeza e un nivel baixo de enerxía pasante.
Soporte de mica. Durante a operación do fusible, o soporte de mica proporciona un soporte estable de enrolamento sen xerar gas e acumulación de presión.
Terminal de cobre sólido. Seleccionouse o conector de latón para proporcionar unha unión conductora eléctrica con unha lonxitude que varía desde 0,25 a 10 pulgadas.
Sistema de dobre selado. O anel de goma nitrílica e o sellante de resina epoxi poden asegurar a integridade do selado do fusible.
Etiqueta de identificación firme. É conveniente para os usuarios obter información sobre a tensión, parámetros de corrente, números de pedido, etc.
Cuberta de fibra de vidro. Proporciona alta resistencia ao fusible e a integridade da manutención, permitindo que o fusible soporte un rango de protección desde a corrente mínima de fusión ata un máximo de 50 kA durante calquera proceso de interrupción.
Tira de fusible de prata pura. Pode manter a estabilidade baixo condicións de circulación de corrente e presión térmica e proporciona características de fusión consistentes. Durante a interrupción de correntes grandes, a tira de fusible pode controlar eficazmente e reducir o nivel pico da tensión de arco. Durante o proceso de interrupción, este compoñente pode controlar e limitar eficazmente a corrente e a enerxía permisibles.
Características de Operación e Principio de Protección do Fusible
O proceso de traballo do fusible depende do modelo do elemento fusible interior. Para todos os fusibles, a limpeza de correntes de fallo grandes é basicamente a mesma. O fluxo de corrente derrete o elemento fusible ao longo de toda a súa lonxitude, e o arco xerado fai que o elemento fusible explote, vitrificando a areia de sílice e formando un canal vítreo que restrinxe o desenvolvemento do arco. Este canal vítreo limita o arco aumentando o valor de resistencia, reducindo a corrente e forzándola a chegar a cero antes de tempo.
No fusible local ou de rango completo, a limpeza de correntes medias ou pequenas debe evitarse. Por exemplo, no fusible limitador de corrente tipo McGraw Edison, colócase un punto "M" (é dicir, un fío de liga de estaño) no centro do elemento fusible principal para bater a súa temperatura de fusión, como se amosa na Figura 2(a). Unha vez que o elemento fusible se fonde na posición M, a corrente transférise ao elemento fusible auxiliar. Un fío fino conéctase ao elemento fusible principal con un espazo de 1/4 desde un extremo do elemento principal. Un gradiente de tensión abarca o arco na posición M e o espazo do elemento fusible auxiliar, como se amosa na Figura 2(b). Polo tanto, se o elemento fusible principal segue arqueando, esta conexión de fío inevitabelmente aparecerá en tres posicións, expandindo a lonxitude do arco por tres veces e usando esta área para disipar a enerxía do circuito, como se amosa na Figura 2(c). Na etapa inicial do arco, recoñécese calor suficiente para decompor a estrutura de araña nesa área, e o gas expulsado da estrutura de araña pode refrixar a rocha fundida e reducir a lonxitude do arco ata que o punto de fallo poida desconectarse.
Figura 2 Proceso de redución da corrente do fusible limitador de corrente tipo NX McGraw Edison
A selección de fusibles limitadores de corrente basease principalmente nos seus parámetros de tensión nominal. Ao determinar os parámetros adecuados, deben terse en conta varios factores, incluíndo o tipo de sistema eléctrico, a máxima tensión do sistema, as condicións de enrolamento do transformador (se o fusible empregase para a protección do transformador), o estado de terra do fío neutro e o tipo de carga.
Xeralmente, un circuito monofásico pode protexerse cun fusible limitador de corrente cun parámetro nominal maior que a tensión de terra monofásica. No entanto, para un circuito trifásico, o fusible debe ter parámetros interfasiais adecuados. En casos específicos, supondo que a tensión de ruptura positiva aplicada ao fusible non excede a máxima tensión de deseño, os parámetros de terra monofásica poden ser aplicables ao sistema trifásico. Nesta situación, supónse que dous fusibles limitadores de corrente en serie compartirán a tensión aplicada na condición de fallo dada. A Tabla 1 ilustra a relación entre os parámetros nominais recomendados de tensión de fusibles limitadores de corrente e os parámetros de aplicación de fusibles limitadores de corrente.
Para a protección de dispositivos eléctricos, os requisitos de ruptura de fusibles limitadores de corrente deben coordinarse cos dispositivos que protexen. Ademais, as curvas de corrente-tempo dos fusibles deben coordinarse cos dispositivos de protección no sistema, especialmente cando están involucrados fusibles de reserva e a limpeza de fallos de corriente baixa depende dun fusible de expulsión.
Tabla 1 Parámetros Nominais Recomendados de Tensión de Fusibles Limitadores de Corrente e Parámetros de Aplicación de Fusibles Limitadores de Corrente
Semellante aos fusibles normais, os fusibles limitadores de corrente tamén poden experimentar unha redución de potencia a unha certa temperatura ambiente. Os factores de derate para varias situacións de aplicación móstranse na Figura 3.
Figura 3 Factores de Derate de Temperatura Ambiente para Aplicacións de Fusibles Limitadores de Corrente Tipo NX
A clave para a aplicación de protección por fusible en transformadores de distribución é que o fusible debe cumprir os seguintes requisitos:
Proporcionar protección contra curto circuito e separar o transformador defectuoso do sistema primeiro. O fusible non debe fundirse durante a corrente de inrush, a corrente de arranque a frio e a sobrecorrente a curto prazo. Debe cooperar co dispositivo de nivel superior (fundirse antes de que o seccionador opere).
Prevenir situaciones de sobrecorrente graves que poden causar danos por sobrecaloración ou danos mecánicos ao transformador. Debe notarse que, se é necesario, o punto ② pode posponerse porque o propósito principal da protección por fusible é a protección contra sobrecarga e non a protección contra curto circuito.
A curva de corrente-tempo da corrente de inrush/corriente de arranque a frio do transformador de distribución estímase en base ás seguintes situacións: a 0,01 s, a corrente é 25 veces a corrente de plena carga; a 0,1 s, a corrente é 12 veces a corrente de plena carga; a 1 s, a corrente é 6 veces a corrente de plena carga; a 10 s, a corrente é 3 veces a corrente de plena carga; e a 100 s, a corrente é 2 veces a corrente de plena carga.
Para asegurar que o fusible usado para a protección do transformador de distribución non se funda durante a corrente de inrush ou a corriente de arranque a frio, a curva do fusible debe estar á dereita da curva de corrente de inrush/corriente de arranque a frio. Iso significa que o tempo de fusión do fusible debe ser maior que a duración destas correntes.
A curva de danos do transformador pode obterse do fabricante ou do estándar ANSIC57 e pode trazarse no mesmo gráfico de curvas. Como mencionamos antes, se son necesarios concesos, a curva de danos do transformador debe priorizarse sobre a curva de corrente de inrush.
A Figura 4 amosa a curva de corrente-tempo de inrush/corriente de arranque a frio dun transformador monofásico cun nivel de tensión de 13,8 kV e unha capacidade nominal de 50 kV·A. A corrente de plena carga do transformador é de 3,62 A. Supónse unha curva de fusible na figura. De feito, hai dúas curvas de fusible. A curva de fusión mínima dá o tempo máis curto para que o fusible se degrade, e a curva de limpeza máxima dá o tempo máis longo para que o fusible limpe o fallo. O tempo máximo de limpeza do fusible de expulsión nunca debe ser inferior a 0,8 ciclos (é dicir, 0,0133 s), polo que esta curva trázase horizontalmente a 0,0133 s.
A Figura 4 amosa a curva de corrente-tempo de inrush/corriente de arranque a frio do transformador de distribución. Debe notarse que a curva do fusible debe asegurar a coordinación entre o fusible e o dispositivo de protección de nivel superior. O dispositivo de nivel superior pode ser un dispositivo de seccionamento de liña, como un fusible ou un recloser. O fusible de protección do transformador debe fundirse antes de que o fusible de nivel superior se degrade ou antes de que o recloser de nivel superior se bloque.
Algunhos transformadores de distribución consideranse que teñen unha función de auto-protección completa (CSP), é dicir, teñen as funcións de protección contra sobrecorrente e corriente de inrush.
Os transformadores de auto-protección xeralmente teñen un gran fusible limitador de corrente e un interruptor secundario para prevenir a sobrecarga no seu interior. Os transformadores normais xeralmente protégense cun fusible engadido ao lado primario. Os transformadores de caixa xeralmente teñen un fusible independente da caixa (deseño de fronte non fixo), situado xa no óleo do transformador ou nun pozo de bushing seco ou cilindro (deseño de fronte fixo). En calquera caso, debe adoptarse un deseño adecuado para simplificar a substitución do fusible no local.
A razón de fusible é a relación entre a corrente mínima de fusión do fusible e a corrente de plena carga do transformador. Esta razón indica a importancia da protección contra sobrecarga para a operación continua do dispositivo. Unha alta razón de fusible permite máis fallos de transformador sen fundirse durante a corrente de inrush ou sobrecarga; unha baixa razón de fusible aumenta o número de fusibles fundidos, e algunhas fundidas poden ser innecesarias, pero pode protexer mellor o transformador de sobrecarga. Unha razón típica de fusible varía de 2 a 4.
Nun transformador de auto-protección, a razón de fusible do fusible interior é aproximadamente 8 porque o lado secundario do transformador de auto-protección está equipado cun interruptor que non se ve afectado pola sobrecarga.
Rango de Protección e Coordinación da Protección por Fusible
Ao seleccionar un fusible para a protección dun transformador de caixa, xeralmente, a taxa de fusión pode calcularse dividindo a corrente de plena carga do transformador pola corrente mínima de fusión do fusible. Usar unha taxa de fusión alta pode protexer o sistema de transformadores defectuosos, pero só proporciona protección limitada contra sobrecargas; unha taxa de fusión baixa pode proporcionar máxima protección contra sobrecargas, pero o fusible é vulnerábel a correntes de impulso e de inrush.
Ademais, deben considerarse factores comprehensivos, incluíndo a continuidade da operación, fallos de transformador causados por sobrecargas, a coordinación entre o fusible do transformador e o dispositivo de seccionamento, e o impacto da corrente de inrush e o arranque a frio. Se se coñece a curva característica do transformador, o fusible pode ajustarse simplemente facendo que a curva característica de tempo do fusible caia na área entre a curva de inrush do transformador e a curva de danos do transformador.
Estas curvas formanse segundo estándares, pero non son sempre aplicables, polo que é necesario seleccionar o fusible. A corrente de inrush depende en gran medida do flujo magnético residual no núcleo de ferrite da onda de tensión durante o cierre. Para resistir a corrente de inrush, o fusible debe poder resistir 25 veces a corrente de plena carga a 0,01 s e 12 veces a corrente de plena carga a 0,1 s. A reenerxización após un corte de alimentación primaria xerará un arranque a frio. Cando se coñece a curva de inrush, a curva de fusible seleccionada debe ser máis lenta que a curva de inrush. A descarga de voltaxe por raio pode saturar o núcleo do transformador e xerar corrente de inrush. Xeralmente, se o dano por raio é un problema, é mellor usar un fusible de maior tamaño.
Ademais, ao seleccionar un fusible para a protección dun transformador de caixa, tamén debe considerarse a coordinación entre fusibles. Aquí, discútese os problemas de coordinación en dúas situacións:
Coordinación entre dous fusibles limitadores de corrente. Para lograr o obxectivo de coordinación, a curva debe comezar a 0,01 s. Para tempos superiores a 0,01 s, a coordinación entre dous fusibles diferentes no mesmo conxunto pode lograrse simplemente superpondo as TCCS e usando o método de coordinación do 75%; para tempos inferiores a 0,01 s, a coordinación pode lograrse usando os valores de fusión mínima e limpeza total. Cando dous fusibles limitadores de corrente están coordinados en serie, a corrente máxima que pasa polo fusible de protección ou o fusible do lado de carga non debe superar a corrente mínima de fusión do fusible protegido ou do lado de fonte de enerxía. É dicir, o fusible do lado de carga limitará a corrente que pasa a un nivel que non é suficiente para fundir o fusible do lado de fonte de enerxía. Non é necesario realizar unha detección de coordinación superior a 0,01 s porque os límites de coordinación teñen valores fixos. A coordinación é conservadora e forma un estándar de coordinación para calquera corrente de fallo. Se a corrente de fallo está limitada, a coordinación pode lograrse cambiando a corrente na curva.
Coordinación entre o fusible limitador de corrente de reserva e o fusible de expulsión. Este método de protección adoita adoptarse porque permite que a maioría dos fallos (baixas correntes) se limpen con un barato fusible de expulsión. Cando ocorre un fallo no dispositivo protegido, o fusible limitador de corrente limitará a magnitude da corrente. É moi importante que o fusible de expulsión poida limpar fallos de corrente baixa sen danar o fusible limitador de corrente. O fusible limitador de corrente pode pasar corrente suficiente despois de que o fusible de expulsión se fonde e pode proporcionar unha indicación de fallo evidente. As características do fusible formarán a intersección da curva de limpeza máxima do fusible de expulsión e a curva de fusión mínima do fusible limitador de corrente, resultando nunha corrente maior, que levará a unha operación sincronizada. Se se seleccionan correctamente os dous fusibles limitadores de corrente, o transformador de caixa pode lograr unha protección de rango completo.
Operación e Mantemento da Protección por Fusible
Ao usar un fusible para a protección dun transformador de caixa, deben notarse as seguintes situacións:
O fusible de encaixe opera manualmente, e os usuarios requiren certas habilidades e experiencia. Antes de usar o fusible de encaixe para desconectar o transformador energizado, o operador debe ter experiencia en remover o fusible de encaixe do porta-fusibles. Un manejo incorrecto pode levar a fallos de comutación e pode requerir a substitución do transformador ou causar un incendio.
Se o fusible de encaixe se usa para o cierre de fallos, pode causar lesións persoais graves. Os fallos internos poden facer que o transformador se rompa ou que a tapa superior se desprendese. Polo tanto, o transformador debe alimentarse sempre desde unha localización remota para asegurar a seguridade.
(3) Se o transformador está situado nun edificio cerrado ou cave, ou se o operador está directamente por encima do transformador, non se debe usar o conxunto de fusible de encaixe para conectar ou desconectar o transformador. Nestas situacións, é inconveniente para o operador operar correctamente, e é difícil deixar o lugar de forma segura en caso de manejo incorrecto.
Antes de operar o fusible de encaixe, debe avaliarse cuidadosamente o estado do transformador. Comprobar se hai un sonido de descarga de arco na caixa; comprobar se a caixa está hinchada ou hai rastros de fuga ou desbordamento de óleo; comprobar se hai rastros de fuga, desbordamento ou manchas de carbono negro na caixa preto do dispositivo de alivio de presión. Se ocorren estas situacións, non se debe usar o fusible de encaixe para conectar ou desconectar o transformador, pois pode levar a un incendio ou causar mortes ou feridos.
A presión do transformador debe liberarse antes de operar o fusible de encaixe. Descargar incorrectamente a presión da caixa do transformador pode facer que o conxunto de inserción do fusible de encaixe sexa eyectado violentamente xunto co óleo quente. Esto pode causar lesións por impacto, queimaduras e contaminación ambiental.
Usar un fusible de encaixe cun valor de amperios demasiado alto pode levar a unha descoordinación co fusible limitador de corrente de reserva no transformador ou noutras partes do sistema. Neste caso, cando ocorre un fallo dentro do transformador, pode causar un corte de enerxía maior ou levar á ignición ou explosión do transformador. Instalar un fusible de encaixe cun valor de amperios menor que o recomendado causará fusións innecesarias e interrupcións na operación.
O dano no tubo de fusible afectará a correcta instalación do fusible. Verifique cuidadosamente o tubo de fusible para asegurar que non hai corrosión maior que la picadura en ningures da latón, e que o escurecemento ou ablación dos componentes de aislamento non é maior que 1/2 in (13 mm). Se o dano excede este grao, o tubo de fusible danado debe substituírse por un novo. Se ocorre unha gran cantidade de fusión de latón, ou a ablación estende máis da metade da lonxitude do tubo de fusible, tamén debe substituírse o porta-fusibles de encaixe. Se o compoñente está danado, pode impedir a desconexión de fallos posteriores e causar un dano maior.
Conclusión
O nivel técnico da protección por fusible é relativamente avanzado, e ten un excelente rendemento-prezo, con amplias perspectivas de desenvolvemento tanto no mercado doméstico como no extraxiro. Actualmente, un gran número de transformadores de caixa estilo americano en China usan fusibles para a súa protección. En comparación con outros métodos de protección, a protección por fusible non só ten unha alta fiabilidade, senón tamén un prezo relativamente baixo, o que
