Protezione dei fusibili per trasformatori a scatola di tipo americano
Introduzione ai fusibili dei trasformatori a scatola di stile americano
I trasformatori a scatola di stile americano generalmente utilizzano una combinazione di fusibili a inserimento e fusibili di protezione di backup in serie per fornire protezione. Il principio di protezione è avanzato e affidabile, e l'operazione è semplice. Il fusibile di protezione di backup è un fusibile limitatore di corrente immerso in olio, solitamente installato all'interno del trasformatore a scatola. Questo interviene solo quando si verifica un guasto all'interno del trasformatore a scatola e viene utilizzato per proteggere la linea ad alta tensione. Il fusibile a inserimento è un fusibile a inserimento immerso in olio, che si fonde quando si verifica un guasto a cortocircuito sul lato secondario, o in caso di sovraccarico o temperatura dell'olio troppo elevata. Il fusibile a inserimento è un accessorio principale per la protezione contro i sovracorrenti dei trasformatori a scatola immersi in olio nel sistema di distribuzione elettrica.
I fusibili interni possono essere classificati in tre tipi: a corrente, doppia sensibilità e doppio fattore. Il fusibile può essere estratto per la sostituzione senza spegnere il trasformatore a scatola. Il fusibile a corrente, quando connesso in serie con il fusibile di protezione di backup, forma una "doppia protezione da fusibile". Il fusibile a corrente viene utilizzato per la protezione contro i sovraccarichi, mentre il fusibile di protezione di backup serve a proteggere dai guasti interni del trasformatore (come cortocircuiti delle spire, ecc.). Il fusibile a doppia sensibilità, quando connesso in serie con il fusibile di protezione di backup, forma anch'esso una "doppia protezione da fusibile". Il fusibile a doppia sensibilità protegge dai guasti o sovraccarichi sul lato a bassa tensione del trasformatore in termini sia di corrente che di temperatura.
Il fusibile di protezione di backup viene utilizzato per proteggere dai guasti interni del trasformatore (come guasti a cortocircuito delle spire, ecc.). La curva standard ampere-secondo può cooperare accuratamente con i fusibili e gli interruttori automatici nei livelli superiori e inferiori. Il fusibile a doppio fattore, quando connesso in serie con il fusibile di protezione di backup, costituisce una "doppia protezione da fusibile". Il fusibile a doppio fattore protegge dai guasti o sovraccarichi sul lato a bassa tensione del trasformatore in termini sia di corrente che di temperatura. Il fusibile di protezione di backup viene utilizzato per proteggere dai guasti interni del trasformatore (come guasti a cortocircuito delle spire, ecc.), e la sua curva standard ampere-secondo può cooperare accuratamente con i fusibili e gli interruttori automatici nei livelli superiori e inferiori.
Struttura di base dei fusibili
I fusibili hanno strutture diverse in base alle funzioni che svolgono. Questo articolo introduce brevemente il fusibile limitatore di corrente tipo NX McGraw Edison della COOPER (Cooper) Company negli Stati Uniti.
La struttura del fusibile limitatore di corrente tipo NX McGraw Edison è mostrata nella Figura 1. Contiene un elemento fusibile con una striscia fusibile d'argento puro. La striscia fusibile d'argento puro è avvolta su un supporto di mica (componente di supporto a ragnatela), e questo supporto può generare gas ionizzato che aiuta ad aprire il circuito. Il fusibile e la sabbia di silice sono installati in un tubo isolante di fibra di vetro.
1 - Riempitore di sabbia di silice ad alta purezza;2 - Supporto di mica;3 - Terminale in rame solido;4 - Sistema di doppio sigillaggio;5 - Etichetta di identificazione;6 - Copertura in fibra di vetro;7 - Striscia fusibile d'argento puro.
Figura 1. Elementi costitutivi di base del fusibile limitatore di corrente tipo NX McGraw Edison.
Come mostrato nella Figura 1, il fusibile limitatore di corrente tipo NX McGraw Edison (altri modelli di fusibili hanno strutture simili a questo fusibile) comprende principalmente:
Riempitore di sabbia di silice ad alta purezza. Le dimensioni particellari, la purezza e la densità specifiche forniscono caratteristiche di assorbimento termico ed estinzione dell'arco, essenziali per mantenere le caratteristiche di sgancio costanti e un basso livello di energia passante del fusibile.
Supporto di mica. Durante l'operazione del fusibile, il supporto di mica fornisce un supporto di avvolgimento stabile senza generare gas e accumulazione di pressione.
Terminale in rame solido. Viene selezionato un tappo in ottone per fornire un giunto conduttore elettrico con una lunghezza compresa tra 0,25 e 10 pollici.
Sistema di doppio sigillaggio. L'anello di gomma nitrilica e il sigillante di resina epossidica possono garantire l'integrità del sigillo del fusibile.
Etichetta di identificazione ferma. È comoda per consentire agli utenti di ottenere parametri di tensione e corrente, numeri di ordine e altre informazioni.
Copertura in fibra di vetro. Fornisce forza elevata al fusibile e integrità della manutenzione, permettendo al fusibile di sopportare un intervallo di protezione dal minimo corrente di fusione fino a un massimo di 50 kA durante qualsiasi processo di interruzione.
Striscia fusibile d'argento puro. Può mantenere la stabilità sotto condizioni di circolazione di corrente e pressione termica e fornisce caratteristiche di fusione costanti. Durante l'interruzione di correnti elevate, la striscia fusibile può controllare e ridurre efficacemente il livello di picco della tensione dell'arco. Durante il processo di interruzione, questo componente può controllare e limitare efficacemente la corrente e l'energia passanti ammissibili.
Caratteristiche operative e principio di protezione del fusibile
Il processo di funzionamento del fusibile dipende dal modello dell'elemento fusibile all'interno. Per tutti i fusibili, l'eliminazione di grandi correnti di guasto è fondamentalmente la stessa. Il flusso di corrente fonderà l'elemento fusibile lungo tutta la sua lunghezza, e l'arco generato farà esplodere l'elemento fusibile, vitrificando la sabbia di silice e formando un canale vetrificato che limita lo sviluppo dell'arco. Questo canale vetrificato limita l'arco aumentando il valore della resistenza, riducendo la corrente e costringendola a raggiungere zero in anticipo.
Nei fusibili locali o a gamma completa, l'eliminazione di correnti medie o piccole deve essere prevenuta. Ad esempio, nel fusibile limitatore di corrente tipo McGraw Edison, viene posizionato un punto "M" (cioè, un filo di lega di stagno) al centro dell'elemento fusibile principale per abbassarne la temperatura di fusione, come mostrato nella Figura 2(a). Una volta che l'elemento fusibile si fonde al punto M, la corrente viene trasferita all'elemento fusibile ausiliario. Un filo sottile è collegato all'elemento fusibile principale con uno spazio di 1/4 dall'estremità dell'elemento principale. Un gradiente di tensione si estende sull'arco al punto M e sullo spazio dell'elemento fusibile ausiliario, come mostrato nella Figura 2(b). Pertanto, se l'elemento fusibile principale continua ad arcare, questa connessione a filo inevitabilmente apparirà in tre posizioni, espandendo la lunghezza dell'arco per tre volte e utilizzando quest'area per dissipare l'energia del circuito, come mostrato nella Figura 2(c). Nella fase iniziale dell'arco, si raccolgono sufficienti calore per decomporre la struttura a ragnatela in quella zona, e il gas espulso dalla struttura a ragnatela può raffreddare la roccia fusa e ridurre la lunghezza dell'arco fino a quando il punto di guasto può essere disconnesso.
Figura 2 Il processo di riduzione della corrente del fusibile limitatore di corrente tipo NX McGraw Edison
La scelta dei fusibili limitatori di corrente si basa principalmente sui loro parametri di tensione nominale. Quando si determinano i parametri appropriati, devono essere presi in considerazione diversi fattori, inclusi il tipo di sistema elettrico, la tensione massima del sistema, le condizioni di avvolgimento del trasformatore (se il fusibile viene utilizzato per la protezione del trasformatore), lo stato di messa a terra del filo neutro e il tipo di carico.
In generale, un circuito monofase può essere protetto da un fusibile limitatore di corrente con parametri nominali superiori alla tensione di messa a terra monofase. Tuttavia, per un circuito trifase, il fusibile deve avere parametri intersfase adeguati. In casi specifici, assumendo che la tensione di interruzione sequenziale positiva applicata al fusibile non superi la tensione di progettazione massima, i parametri di messa a terra monofase potrebbero essere applicabili al sistema trifase. In tali circostanze, si assume che due fusibili limitatori di corrente in serie condividano la tensione applicata nelle condizioni di guasto date. La Tabella 1 illustra la relazione tra i parametri di tensione nominale consigliati e i parametri di applicazione dei fusibili limitatori di corrente.
Per la protezione degli apparecchi elettrici, i requisiti di interruzione dei fusibili limitatori di corrente devono essere coordinati con gli apparecchi che proteggono. Inoltre, le curve corrente-tempo dei fusibili devono essere coordinate anche con i dispositivi di protezione nel sistema, specialmente quando sono coinvolti fusibili di backup e l'eliminazione dei guasti a corrente bassa dipende da un fusibile espulsore.
Tabella 1 Parametri di tensione nominale consigliati dei fusibili limitatori di corrente e i parametri di applicazione dei fusibili limitatori di corrente
Similmente ai fusibili comuni, i fusibili limitatori di corrente possono anche subire una riduzione di potenza a una certa temperatura ambiente. I fattori di derating per vari scenari di applicazione sono mostrati nella Figura 3.
Figura 3 Fattori di derating per la temperatura ambiente nelle applicazioni di fusibili limitatori di corrente tipo NX
La chiave per l'applicazione della protezione a fusibile per i trasformatori di distribuzione è che il fusibile deve soddisfare i seguenti requisiti:
Fornire protezione contro i cortocircuiti e separare il trasformatore difettoso dal sistema prima. Il fusibile non dovrebbe fondere durante la corrente di accensione, la corrente di partenza a freddo e la sovracorrente a breve termine. Dovrebbe cooperare con il dispositivo di livello superiore (fondere prima che il sezionatore entri in azione).
Prevenire situazioni di sovracorrente grave che possono causare danni per sovraccaloramento o danni meccanici al trasformatore. Si noti che, se necessario, l'elemento ② può essere posticipato poiché lo scopo primario della protezione a fusibile è la protezione contro i sovraccarichi piuttosto che la protezione contro i cortocircuiti.
La curva corrente-tempo della corrente di accensione/corrente di partenza a freddo del trasformatore di distribuzione è stimata in base alle seguenti situazioni: a 0,01 s, la corrente è 25 volte la corrente a pieno carico; a 0,1 s, la corrente è 12 volte la corrente a pieno carico; a 1 s, la corrente è 6 volte la corrente a pieno carico; a 10 s, la corrente è 3 volte la corrente a pieno carico; e a 100 s, la corrente è 2 volte la corrente a pieno carico.
Per assicurare che il fusibile utilizzato per la protezione del trasformatore di distribuzione non fondi durante la corrente di accensione o la corrente di partenza a freddo, la curva del fusibile dovrebbe essere sulla destra della curva della corrente di accensione/corrente di partenza a freddo. In altre parole, il tempo di fusione del fusibile dovrebbe essere più lungo della durata di queste correnti.
La curva di danni del trasformatore può essere ottenuta dal produttore o dallo standard ANSIC57 e può essere tracciata sullo stesso grafico di curve. Come menzionato prima, se sono necessarie concessioni, la curva di danni del trasformatore dovrebbe essere prioritaria rispetto alla curva di accensione.
La Figura 4 mostra la curva corrente-tempo di accensione/corrente di partenza a freddo di un trasformatore monofase con un livello di tensione di 13,8 kV e una capacità nominale di 50 kV·A. La corrente a pieno carico del trasformatore è di 3,62 A. Nella figura è ipotizzata una curva di fusibile. In realtà, ci sono due curve di fusibile. La curva di fusione minima fornisce il tempo più breve per il danneggiamento del fusibile, e la curva di sgancio massima fornisce il tempo più lungo per l'eliminazione del guasto da parte del fusibile. Il tempo massimo di sgancio del fusibile espulsore non dovrebbe mai essere inferiore a 0,8 cicli (cioè 0,0133 s), quindi questa curva è tracciata orizzontalmente a 0,0133 s.
La Figura 4 mostra la curva corrente-tempo di accensione/corrente di partenza a freddo del trasformatore di distribuzione. Si noti che la curva del fusibile dovrebbe assicurare la coordinazione tra il fusibile e il dispositivo di protezione di livello superiore. Il dispositivo di livello superiore potrebbe essere un dispositivo di sezionamento di linea, come un fusibile o un recloser. Il fusibile di protezione del trasformatore dovrebbe fondere prima che il fusibile di livello superiore si danneggi o prima che il recloser di livello superiore si blocchi.
Alcuni trasformatori di distribuzione sono considerati dotati di funzione di autodifesa completa (CSP), cioè hanno le funzioni di protezione contro sovracorrenti e correnti di accensione.
I trasformatori di autodifesa solitamente hanno un fusibile limitatore di corrente di grande dimensione e un interruttore automatico secondario per la prevenzione del sovraccarico all'interno dei loro contenitori. I trasformatori comuni sono solitamente protetti da un fusibile aggiunto al lato primario. I trasformatori a scatola generalmente hanno un fusibile indipendente dal contenitore (design a pannello frontale non fisso), posizionato nell'olio del trasformatore o in un pozzo o cilindro di bushing asciutto (design a pannello frontale fisso). In ogni caso, dovrebbe essere adottato un design appropriato per semplificare la sostituzione del fusibile in loco.
Il rapporto di fusibile è il rapporto tra la corrente di fusione minima del fusibile e la corrente a pieno carico del trasformatore. Questo rapporto indica l'importanza della protezione contro i sovraccarichi per l'operazione continua del dispositivo. Un alto rapporto di fusibile consente più guasti del trasformatore senza fondere durante la corrente di accensione o il sovraccarico; un basso rapporto di fusibile aumenta il numero di fusibili fonduti, e alcuni fondimenti potrebbero essere inutili, ma può proteggere meglio il trasformatore dal sovraccarico. Un rapporto di fusibile tipico varia da 2 a 4.
In un trasformatore di autodifesa, il rapporto di fusibile del fusibile interno è approssimativamente 8 perché il lato secondario del trasformatore di autodifesa è dotato di un interruttore automatico che non è influenzato dal sovraccarico.
Gamma di protezione e coordinazione della protezione a fusibile
Quando si sceglie un fusibile per la protezione di un trasformatore a scatola, in genere, il tasso di fusione può essere calcolato dividendo la corrente a pieno carico del trasformatore per la corrente di fusione minima del fusibile. Utilizzare un tasso di fusione elevato può proteggere il sistema dai trasformatori difettosi, ma fornisce solo una protezione limitata contro i sovraccarichi; un tasso di fusione basso può fornire la massima protezione contro i sovraccarichi, ma il fusibile è vulnerabile alle correnti d'impulso e di accensione.
Inoltre, dovrebbero essere considerati fattori complessivi, inclusa la continuità dell'operazione, i guasti del trasformatore causati da sovraccarichi, la coordinazione tra il fusibile del trasformatore e il dispositivo di sezionamento, e l'impatto della corrente di accensione e della corrente di partenza a freddo. Se la curva caratteristica del trasformatore è nota, il fusibile può essere semplicemente regolato facendo cadere la curva caratteristica temporale del fusibile nell'area tra la curva di accensione del trasformatore e la curva di danni del trasformatore.
Queste curve sono formulate secondo standard, ma non sono sempre applicabili, quindi è necessario selezionare il fusibile. La corrente di accensione dipende in gran parte dal flusso magnetico residuo nel nucleo di ferro dell'onda di tensione durante la chiusura. Per sopportare la corrente di accensione, il fusibile dovrebbe essere in grado di sopportare 25 volte la corrente a pieno carico a 0,01 s e 12 volte la corrente a pieno carico a 0,1 s. Il riaccensione dopo un'interruzione di alimentazione primaria genererà un avvio a freddo. Quando la curva di accensione è nota, la curva del fusibile selezionato dovrebbe essere più lenta della curva di accensione. La scarica di fulmine può saturare il nucleo del trasformatore e generare una corrente di accensione. In generale, se i danni da fulmine sono un problema, è preferibile utilizzare un fusibile di dimensioni maggiori.
Inoltre, quando si sceglie un fusibile per la protezione di un trasformatore a scatola, deve essere considerata anche la coordinazione tra i fusibili. Qui si discutono i problemi di coordinazione in due situazioni:
Coordinazione tra due fusibili limitatori di corrente. Per raggiungere l'obiettivo di coordinazione, la curva deve iniziare da 0,01 s. Per tempi superiori a 0,01 s, la coordinazione tra due diversi fusibili nello stesso set può essere ottenuta sovrapponendo semplicemente le TCCS e utilizzando il metodo di coordinazione al 75%; per tempi inferiori a 0,01 s, la coordinazione può essere ottenuta utilizzando i valori di fusione minima e sgancio totale. Quando due fusibili limitatori di corrente sono coordinati in serie, la corrente massima che passa attraverso il fusibile di protezione o il fusibile sul lato carico non dovrebbe superare la corrente di fusione minima del fusibile protetto o sul lato sorgente. In altre parole, il fusibile sul lato carico limiterà la corrente passante a un livello insufficiente a far fondere il fusibile sul lato sorgente. Non è necessaria la verifica della coordinazione superiore a 0,01 s poiché i limiti di coordinazione hanno valori fissi. La coordinazione è conservativa e forma uno standard di coordinazione per qualsiasi corrente di guasto. Se la corrente di guasto è limitata, la coordinazione può essere ottenuta modificando la corrente nella curva.
Coordinazione tra il fusibile limitatore di corrente di backup e il fusibile espulsore. Questo metodo di protezione viene spesso adottato perché consente la maggior parte dei guasti (con correnti basse) di essere eliminati da un fusibile espulsore economico. Quando si verifica un guasto nel dispositivo protetto, il fusibile limitatore di corrente limiterà l'entità della corrente. È molto importante che il fusibile espulsore possa eliminare i guasti a corrente bassa senza danneggiare il fusibile limitatore di corrente. Il fusibile limitatore di corrente può passare corrente sufficiente dopo che il fusibile espulsore si è fuso e può fornire un indicatore di guasto evidente. Le caratteristiche del fusibile formeranno l'intersezione tra la curva di sgancio massimo del fusibile espulsore e la curva di fusione minima del fusibile limitatore di corrente, risultando in una corrente maggiore, che porterà a un'operazione sincrona. Se i due fusibili limitatori di corrente sono selezionati correttamente, il trasformatore a scatola può ottenere una protezione a gamma completa.
Operazione e manutenzione della protezione a fusibile
Quando si utilizza un fusibile per la protezione di un trasformatore a scatola, si dovrebbero notare le seguenti situazioni:
Il fusibile a inserimento è operato manualmente, e gli utenti hanno bisogno di certe abilità ed esperienza. Prima di utilizzare il fusibile a inserimento per disconnettere il trasformatore alimentato, l'operatore dovrebbe avere esperienza nella rimozione del fusibile a inserimento dal supporto del fusibile. Un maneggio improprio può portare a guasti di commutazione e potrebbe richiedere la sostituzione del trasformatore o causare un incendio.
Se il fusibile a inserimento viene utilizzato per la chiusura di guasti, può causare gravi lesioni personali. I guasti interni possono causare la rottura del trasformatore o la separazione del coperchio superiore. Pertanto, il trasformatore dovrebbe sempre essere alimentato da un luogo remoto per garantire la sicurezza.
(3) Se il trasformatore si trova in un edificio chiuso o in una cantina, o se l'operatore si trova direttamente sopra il trasformatore, l'insieme del fusibile a inserimento non dovrebbe essere utilizzato per connettere o disconnettere il trasformatore. In tali situazioni, è scomodo per l'operatore operare correttamente, e è difficile allontanarsi in sicurezza in caso di manovra impropria.
Prima di operare il fusibile a inserimento, lo stato del trasformatore dovrebbe essere attentamente valutato. Verificare se c'è un suono di scarica elettrica nel contenitore; verificare se il contenitore è gonfiato o ci sono tracce di perdite o fuoriuscite di olio; verificare se ci sono tracce di perdite, fuoriuscite o macchie di carbonio nero sul contenitore vicino al dispositivo di rilascio di pressione. Se si verificano le situazioni sopra, il fusibile a inserimento non dovrebbe essere utilizzato per connettere o disconnettere il trasformatore, altrimenti potrebbe causare un incendio o causare vittime.
La pressione del trasformatore dovrebbe essere rilasciata prima di operare il fusibile a inserimento. Un rilascio errato della pressione del contenitore del trasformatore può causare l'eiezione violenta dell'insieme di inserimento del fusibile insieme all'olio caldo. Questo può causare lesioni da impatto, ustioni e inquinamento ambientale.
L'utilizzo di un fusibile a inserimento con un valore di ampere eccessivamente alto può portare a un'incompatibilità con il fusibile limitatore di corrente di backup nel trasformatore o in altre parti del sistema. In tal caso, quando si verifica un guasto all'interno del trasformatore, potrebbe causare un'interr
