הגנה על מפלי טרנספורטרים בקופסאות בסגנון אמריקאי

Felix Spark

שדה: הישנות ותחזוקה

China

הצגת פוזרים של טרנספורטורים בקופסה בסגנון אמריקאי
טרנספורטורים בקופסה בסגנון אמריקאי משתמשים בדרך כלל בתפירה של פוזרים שיכולים להכנס ופוזרים להגנה משנית בשילוב סדרתי כדי לספק הגנה. עקרון ההגנה הוא מתקדם ומוצלח, והפעולה פשוטה. הפוזר להגנה משנית הוא פוזר מגביל זרם מהוסך בשמן, בדרך כלל מותקן בתוך הטרנספורטור בקופסה. הוא יפעל רק כאשר יש תקלה בתוך הטרנספורטור בקופסה, והוא משמש להגנה על הקו המתח גבוה. הפוזר שיכול להכנס הוא פוזר מהוסך בשמן, שיפוצץ כאשר יש תקלה קצרת מעגל בצד המשני, או במקרה של עומס יתר או שהטמפרטורה של השמן גבוהה מדי. הפוזר שיכול להכנס הוא אביזר ראשי להגנה על עודף זרם במערכות חלוקת חשמל שכוללות טרנספורטורים מהוסכים בשמן.

הפוזרים בתוך יכולים להיות מסווגים לשלושה סוגים: זרם, דו-רגיש, ודואלי גורם. ניתן להוציא את הפוזר להחלפה מבלי לנתק את הטרנספורטור בקופסה מהחשמל. הפוזר מסוג זרם, כאשר מחובר בסדרה עם הפוזר להגנה משנית, יוצר "הגנה כפולה של פוזרים". הפוזר מסוג זרם משמש להגנה על עומס יתר, והפוזר להגנה משנית משמש להגנה על תקלות פנימיות של הטרנספורטור (כמו קצר מעגל של הסליל, וכו'). הפוזר הדו-רגיש, כאשר מחובר בסדרה עם הפוזר להגנה משנית, גם כן יוצר "הגנה כפולה של פוזרים". הפוזר הדו-רגיש מגן על תקלות או עומס יתר בצד הנמוך של הטרנספורטור מבחינת זרם וטמפרטורה.

הפוזר להגנה משנית משמש להגנה על תקלות פנימיות של הטרנספורטור (כמו תקלות קצר מעגל של הסליל, וכו'). העקומה האמפר-שניה התקנית יכולה לתאם באופן מדויק עם הפוזרים והמתגים בדרכים העליונה והתחתונה. הפוזר הדו-גורם, כאשר מחובר בסדרה עם הפוזר להגנה משנית, מהווה "הגנה כפולה של פוזרים". הפוזר הדו-גורם מגן על תקלות או עומס יתר בצד הנמוך של הטרנספורטור מבחינת זרם וטמפרטורה. הפוזר להגנה משנית משמש להגנה על תקלות פנימיות של הטרנספורטור (כמו תקלות קצר מעגל של הסליל, וכו'), והעקומה האמפר-שניה התקנית שלו יכולה לתאם באופן מדויק עם הפוזרים והמתגים בדרכים העליונה והתחתונה.
מבנה בסיסי של פוזרים
לפוזרים יש מבנים שונים בהתאם לפונקציות שהם ממלאים. מאמר זה מציג בקצרה את הפוזר מגביל זרם מסוג NX של חברת COOPER (Cooper) בארצות הברית.

המבנה של הפוזר מגביל זרם מסוג NX של McGraw Edison מתואר בתמונה 1. הוא מכיל אלמנט פוזר עם פס פוזר מסضة טהורה. הפס מסضة הטהורה מפותח על גבי תמיכה מיקה (רכיב תמיכה בצורת עכביש), והתמיכה הזו יכולה לייצר גז מיונן שמסייע לפתוח את המעגל. הפוזר וחול סיליקה מותקנים בống מבודד מסיבי זכוכית.

1 - ממלא סיליקה טהורה בעלת טוהר גבוה;2 - תמיכה מיקה;3 - טרמינל נחושת מוצק;4 - מערכת חותמת כפולה;5 - תווית הזיהוי;6 - כיסוי מסיבי זכוכית;7 - פס פוזר מסضة טהורה.

תמונה 1. רכיבים בסיסיים של הפוזר מגביל זרם מסוג NX של McGraw Edison.

כפי שמוצג בתמונה 1, הפוזר מגביל זרם מסוג NX של McGraw Edison (מודלים אחרים של פוזרים בעלי מבנים דומים לפוזר זה) כולל בעיקר:

ממלא סיליקה טהורה בעלת טוהר גבוה. הגודל הספציפי, הטוהר והצפיפות מספקים יכולת בליעה חום ואפיון כיבוי קשת, שהם חיוניים לפוזר כדי לשמור על תכונות התפירה עקבות ולרמת אנרגיה נמוכה מעבר.
תמיכה מיקה. במהלך פעולת הפוזר, התמיכה מיקה מספקת תמיכה יציבה למתיחה ללא ייצור גז וצבירת לחץ.
טרמינל נחושת מוצק. פלג נחושת נבחר כדי לספק חיבור מוליך חשמלי באורך בין 0.25 ל-10 אינץ'.
מערכת חותמת כפולה. גasket ניטריל גומי ו牯胶系统确保了保险丝的密封完整性。
牢固的身份标签。方便用户获取电压、电流参数、订单号等信息。
玻璃纤维外壳。它为保险丝提供了高强度和维护完整性，使保险丝能够在任何中断过程中承受从最小熔断电流到最大50 kA的保护范围。
纯银熔丝条。在电流循环和热压条件下可以保持稳定性，并提供一致的熔断特性。在大电流中断期间，熔丝条可以有效控制并降低电弧电压峰值。在中断过程中，该组件可以有效控制和限制允许通过的电流和能量。

保险丝的工作特性和保护原理
保险丝的工作过程取决于其内部熔丝元件的型号。对于所有保险丝来说，大故障电流的清除基本上是相同的。电流的流动会沿着其整个长度熔化熔丝元件，产生的电弧会使熔丝元件爆炸，使硅砂玻璃化，形成一个限制电弧发展的玻璃通道。这个玻璃通道通过增加电阻值来限制电弧，减少电流并迫使其提前达到零。

在局部或全范围保险丝中，必须防止中等或小电流的清除。例如，在McGraw Edison型限流保险丝中，将一个“M”点（即锡合金线）放置在主熔丝元件的中心以降低其熔点，如图2(a)所示。一旦熔丝元件在M点熔化，电流就会转移到辅助熔丝元件。一根细线连接在主熔丝元件的一端，与主元件有1/4的间隙。M点和辅助熔丝元件间隙之间的电弧跨越了一个电压梯度，如图2(b)所示。因此，如果主熔丝元件继续电弧，这种线连接必然会在三个位置出现，使电弧长度扩大三倍，并利用这一区域来耗散电路的能量，如图2(c)所示。在电弧初期，足够的热量聚集在一起分解该区域的蜘蛛结构，蜘蛛结构吹出的气体可以冷却熔岩并缩短电弧长度，直到故障点断开。

图2 McGraw Edison NX型限流保险丝减小电流的过程

限流保险丝的选择主要基于其额定电压参数。在确定适当的参数时，需要考虑几个因素，包括电气系统的类型、系统的最大电压、变压器的绕组条件（如果保险丝用于变压器保护）、中性线的接地状态以及负载类型。

通常，单相电路可以通过额定参数大于单相接地电压的限流保险丝进行保护。然而，对于三相电路，保险丝必须具有合适的相间参数。在特定情况下，假设施加在保险丝上的正序断路电压不超过最大设计电压，单相接地参数可能适用于三相系统。在这种情况下，假设两个串联的限流保险丝将在给定的故障条件下分担施加的电压。表1说明了限流保险丝的推荐额定电压参数与其应用参数之间的关系。

对于电气设备的保护，限流保险丝的断路要求必须与它们所保护的设备协调。此外，保险丝的时间-电流曲线也必须与系统中的保护装置协调，特别是在涉及后备保险丝并且低电流故障的清除依赖于排气式保险丝时。

表1 限流保险丝的推荐额定电压参数及其应用参数

类似于普通保险丝，限流保险丝在一定环境温度下也可能经历功率下降。各种应用场景下的降额系数如图3所示。

图3 NX型限流保险丝应用的环境温度降额系数

配电变压器应用保险丝保护的关键在于保险丝必须满足以下要求：

提供短路保护，并首先将故障变压器从系统中分离。保险丝不应在涌流、冷负荷启动电流和短期过电流时熔断。它应与上级设备配合（在分段器动作前熔断）。
防止可能导致变压器过热损坏或机械损坏的严重过电流情况。需要注意的是，如果必要，第②项可以推迟，因为保险丝保护的主要目的是过载保护而不是短路保护。

配电变压器的涌流/冷负荷启动电流的时间-电流曲线基于以下情况进行估算：在0.01秒时，电流为满载电流的25倍；在0.1秒时，电流为满载电流的12倍；在1秒时，电流为满载电流的6倍；在10秒时，电流为满载电流的3倍；在100秒时，电流为满载电流的2倍。

为了确保用于配电变压器保护的保险丝在涌流或冷负荷启动电流时不熔断，保险丝曲线应位于涌流/冷负荷启动电流曲线的右侧。也就是说，保险丝的熔断时间应长于这些电流的持续时间。

可以从制造商或ANSIC57标准中获得变压器损坏曲线，并将其绘制在同一曲线图上。如前所述，如果需要妥协，应优先考虑变压器损坏曲线而非涌流曲线。

图4显示了一个电压等级为13.8 kV、额定容量为50 kV·A的单相变压器的涌流/冷负荷启动电流曲线。变压器的满载电流为3.62 A。图中假设了一条保险丝曲线。实际上，有两条保险丝曲线。最小熔断曲线给出了保险丝损坏的最短时间，而最大清除曲线给出了保险丝清除故障的最长时间。排气式保险丝的最大清除时间永远不应低于0.8个周期（即0.0133秒），因此该曲线水平绘制在0.0133秒处。

图4显示了配电变压器的涌流/冷负荷启动电流时间-电流曲线。需要注意的是，保险丝曲线应确保保险丝与上级保护装置的协调。上级装置可能是线路分段装置，如保险丝或重合器。变压器保护保险丝应在上级保险丝损坏或上级重合器锁定之前熔断。

一些配电变压器被认为是具有完全自保护功能（CSP）的，即它们具有过电流和涌流保护功能。

自保护变压器通常在其外壳内装有一个大限流保险丝和一个二次侧断路器以防止过载。普通变压器通常在其一次侧添加保险丝进行保护。箱式变压器通常有一个独立于外壳的保险丝（非固定前面板设计），要么位于变压器油中，要么位于干套管井或圆筒中（固定前面板设计）。无论哪种情况，都应采用适当的设计以简化现场更换保险丝。

保险丝比是保险丝的最小熔断电流与变压器满载电流的比值。这个比值表明了过载保护对设备连续运行的重要性。高保险丝比允许更多的变压器故障在涌流或过载时不熔断；低保险丝比增加了保险丝熔断的次数，其中一些熔断可能是不必要的，但它可以更好地保护变压器免受过载。典型的保险丝比范围是从2到4。

在自保护变压器中，内部保险丝的保险丝比约为8，因为自保护变压器的二次侧装有不受过载影响的断路器。

保险丝保护的保护范围和协调

在选择箱式变压器保护用保险丝时，通常可以通过将变压器的满载电流除以保险丝的最小熔断电流来计算熔断率。使用高熔断率可以保护系统免受故障变压器的影响，但只能提供有限的过载保护；低熔断率可以提供最大的过载保护，但保险丝容易受到冲击电流和涌流的影响。

此外，还应综合考虑多种因素，包括运行的连续性、由过载引起的变压器故障、变压器保险丝与分段装置的协调，以及涌流和冷负荷启动的影响。如果已知变压器的特性曲线，只需调整保险丝的时间特性曲线，使其落在变压器涌流曲线和变压器损坏曲线之间的区域内即可。

这些曲线是根据标准制定的，但并不总是适用，因此需要选择保险丝。涌流很大程度上取决于闭合时电压波形中铁芯的剩余磁通。为了承受涌流，保险丝应在0.01秒时能够承受25倍满载电流，在0.1秒时能够承受12倍满载电流。一次电源中断后的重新供电会产生冷负荷启动。当已知涌流曲线时，所选保险丝曲线应慢于涌流曲线。雷电放电电压可以使变压器铁芯饱和并产生涌流。一般来说，如果雷电损坏是一个问题，最好使用更大尺寸的保险丝。

此外，在选择箱式变压器保护用保险丝时，还必须考虑保险丝之间的协调。这里讨论两种情况下的协调问题：

两个限流保险丝之间的协调。为了实现协调目标，曲线必须从0.01秒开始。对于0.01秒以上的时间，可以通过简单地叠加TCCS并使用75%协调方法来实现同一组中两个不同保险丝的协调；对于0.01秒以下的时间，可以通过使用最小熔断和总清除值来实现协调。当两个限流保险丝串联协调时，通过保护保险丝或负载侧保险丝的最大电流不应超过被保护或电源侧保险丝的最小熔断电流。也就是说，负载侧保险丝将限制通过的电流，使其不足以熔断电源侧保险丝。0.01秒以上的协调检测不是必需的，因为协调边界具有固定值。协调是保守的，并形成了任何故障电流的协调标准。如果故障电流受到限制，可以通过改变曲线中的电流来实现协调。
后备限流保险丝与排气式保险丝之间的协调。这种保护方法经常被采用，因为它允许大多数故障（小电流）由廉价的排气式保险丝清除。当受保护设备发生故障时，限流保险丝将限制电流的大小。重要的是，排气式保险丝可以在不损坏限流保险丝的情况下清除小电流故障。限流保险丝可以在排气式保险丝熔断后通过足够的电流，并提供明显的故障指示。保险丝特性将形成排气式保险丝的最大清除曲线与限流保险丝的最小熔断曲线的交点，导致更大的电流，从而导致同步操作。如果正确选择了两个限流保险丝，箱式变压器可以实现全范围保护。

保险丝保护的操作和维护

在使用保险丝保护箱式变压器时，应注意以下情况：

插拔式保险丝是手动操作的，用户需要一定的技能和经验。在使用插拔式保险丝断开带电变压器之前，操作员应具备从保险丝座中取出插拔式保险丝的经验。不当处理可能导致切换故障，可能需要更换变压器或引起火灾。
如果使用插拔式保险丝进行故障闭合，可能会导致严重的人身伤害。内部故障可能导致变压器破裂或顶盖脱落。因此，应始终从远程位置为变压器供电以确保安全。
(3) 如果变压器位于封闭建筑物或地下室中，或者操作员直接位于变压器上方，则不应使用插拔式保险丝组件连接或断开变压器。在这种情况下，操作员难以正确操作，并且在操作不当的情况下难以安全离开。
在操作插拔式保险丝之前，应仔细判断变压器的状态。检查外壳内是否有电弧放电声；检查外壳是否膨胀或有漏油或溢油痕迹；检查泄压装置附近的外壳是否有漏油、溢油或碳黑污渍。如果出现上述情况，不得使用插拔式保险丝连接或断开变压器，否则可能导致火灾或造成人员伤亡。
在操作插拔式保险丝之前，应释放变压器的压力。错误地排放变压器外壳的压力可能导致插拔式保险丝插入组件与热油一起猛烈弹出。这可能导致撞击伤、烧伤和环境污染。
使用安培值过高的插拔式保险丝可能导致与变压器或其他系统部分的后备限流保险丝不匹配。在这种情况下，当变压器内部发生故障时，可能导致更大的停电或导致变压器起火或爆炸。安装安培值小于推荐值的插拔式保险丝会导致不必要的熔断和操作中断。
保险丝管的损坏会影响保险丝的正确安装。仔细检查保险丝管，确保黄铜部件没有任何部位的腐蚀大于麻点，并且绝缘部件的变黑或烧蚀不超过1/2英寸（13毫米）。如果损坏超过此程度，应更换损坏的保险丝管。如果大量黄铜熔化，或烧蚀延伸超过保险丝管长度的一半，还应更换插拔式保险丝座。如果组件损坏，可能会阻止后续故障的断开，并造成更大的损害。