Защита предохранителей американского типа трансформаторов в коробке

Введение в предохранители американских шкафных трансформаторов
Американские шкафные трансформаторы обычно используют комбинацию вставных и резервных защитных предохранителей, подключенных последовательно, для обеспечения защиты. Принцип защиты является передовым и надежным, а эксплуатация проста. Резервный защитный предохранитель представляет собой масляный ограничивающий ток предохранитель, обычно устанавливаемый внутри шкафного трансформатора. Он срабатывает только при возникновении неисправности внутри шкафного трансформатора и используется для защиты высоковольтной линии. Вставной предохранитель - это масляный вставной предохранитель, который срабатывает при коротком замыкании на вторичной стороне или при перегрузке или слишком высокой температуре масла. Вставной предохранитель является основным аксессуаром для защиты от перегрузки по току масляных шкафных трансформаторов в системе распределения электроэнергии.

Предохранители внутри могут быть разделены на три типа: токовые, двойные чувствительные и двухфакторные. Предохранитель можно извлечь для замены без отключения питания шкафного трансформатора. Токовый предохранитель, когда он подключен последовательно с резервным защитным предохранителем, образует "двойную предохранительную защиту". Токовый предохранитель используется для защиты от перегрузки, а резервный защитный предохранитель используется для защиты от внутренних неисправностей трансформатора (например, короткого замыкания обмотки и т.д.). Двойной чувствительный предохранитель, когда он подключен последовательно с резервным защитным предохранителем, также образует "двойную предохранительную защиту". Двойной чувствительный предохранитель защищает от неисправностей или перегрузок на низковольтной стороне трансформатора как по току, так и по температуре.

Резервный защитный предохранитель используется для защиты от внутренних неисправностей трансформатора (например, короткого замыкания обмотки и т.д.). Стандартная ампер-секундная кривая может точно взаимодействовать с предохранителями и выключателями на верхнем и нижнем уровнях. Двухфакторный предохранитель, когда он подключен последовательно с резервным защитным предохранителем, составляет "двойную предохранительную защиту". Двухфакторный предохранитель защищает от неисправностей или перегрузок на низковольтной стороне трансформатора с точки зрения как тока, так и температуры. Резервный защитный предохранитель используется для защиты от внутренних неисправностей трансформатора (например, короткого замыкания обмотки и т.д.), и его стандартная ампер-секундная кривая может точно взаимодействовать с предохранителями и выключателями на верхнем и нижнем уровнях.
Основная структура предохранителей
Структура предохранителей различается в зависимости от выполняемых ими функций. В этой статье кратко описывается ограничивающий ток предохранитель типа McGraw Edison NX компании COOPER (Купер) в США.

Структура ограничивающего ток предохранителя типа McGraw Edison NX показана на рисунке 1. Он содержит плавкий элемент с чисто серебряной плавкой полосой. Чисто серебряная плавкая полоса намотана на мусковитовую опору (опора типа паук), которая способна генерировать ионизированный газ, помогающий размыканию цепи. Предохранитель и кварцевый песок установлены в стекловолоконную изоляционную трубку.

1 - наполнитель из высокоочищенного кварцевого песка; 2 - мусковитовая опора; 3 - сплошной медный контакт; 4 - система двойного уплотнения; 5 - этикетка с идентификацией; 6 - стекловолоконная оболочка; 7 - чисто серебряная плавкая полоса.

Рисунок 1. Основные составные элементы ограничивающего ток предохранителя типа McGraw Edison NX.

Как показано на рисунке 1, ограничивающий ток предохранитель типа McGraw Edison NX (другие модели предохранителей имеют аналогичную структуру) в основном включает:

•  Наполнитель из высокоочищенного кварцевого песка. Конкретные размер частиц, чистота и плотность обеспечивают поглощение тепла и характеристики гашения дуги, которые необходимы для того, чтобы предохранитель сохранял постоянные характеристики очистки и низкий уровень прохождения энергии.

•  Мусковитовая опора. Во время работы предохранителя мусковитовая опора обеспечивает стабильную поддержку намотки, не генерируя газ и накопление давления.

• Сплошной медный контакт. Выбирается латунный штекер, чтобы обеспечить электрический проводящий соединитель длиной от 0,25 до 10 дюймов.

• Система двойного уплотнения. Уплотнительное кольцо из бутадиен-нитрильного каучука и эпоксидный герметик могут обеспечить целостность уплотнения предохранителя.

• Прочный идентификационный ярлык. Это удобно для пользователей, чтобы получить параметры напряжения, тока, номера заказов и другую информацию.

• Стекловолоконная оболочка. Она обеспечивает высокую прочность предохранителя и целостность обслуживания, позволяя предохранителю выдерживать диапазон защиты от минимального тока плавления до максимального 50 кА во время любого процесса прерывания.

• Чисто серебряная плавкая полоса. Она может поддерживать стабильность при циркуляции тока и термическом давлении и обеспечивать постоянные характеристики плавления. При прерывании больших токов плавкая полоса может эффективно контролировать и снижать пиковое значение дугового напряжения. В процессе прерывания этот компонент может эффективно контролировать и ограничивать допустимый проходящий ток и энергию.

Характеристики работы и принцип защиты предохранителя
Процесс работы предохранителя зависит от модели плавкого элемента внутри него. Для всех предохранителей очистка больших токов неисправностей в основном одинакова. Поток тока будет плавить плавкий элемент по всей его длине, и образующаяся дуга вызовет взрыв плавкого элемента, витрифицируя кварцевый песок и формируя стеклянный канал, ограничивающий развитие дуги. Этот стеклянный канал ограничивает дугу, увеличивая сопротивление, снижая ток и вынуждая его достичь нуля заранее.

В локальном или полном диапазоне предохранителя, очистка средних или малых токов должна быть предотвращена. Например, в ограничивающем ток предохранителе типа McGraw Edison, в центре основного плавкого элемента размещается точка "M" (то есть проволока из оловянного сплава), чтобы понизить его температуру плавления, как показано на рисунке 2(a). Как только плавкий элемент плавится в точке M, ток переносится на вспомогательный плавкий элемент. Тонкая проволока соединяется с основным плавким элементом с зазором 1/4 от одного конца основного элемента. Напряженность дуги распространяется между точкой M и зазором вспомогательного плавкого элемента, как показано на рисунке 2(b). Поэтому, если основной плавкий элемент продолжает дугу, это соединение проволоки обязательно появится в трех местах, увеличивая длину дуги в три раза и используя эту область для рассеивания энергии цепи, как показано на рисунке 2(c). На начальной стадии дуги собирается достаточное количество тепла, чтобы разложить структуру паука в этой области, и газ, выделяемый из структуры паука, может охладить расплавленную породу и снизить длину дуги до тех пор, пока неисправность не будет отключена.

Рисунок 2 Процесс снижения тока предохранителем типа McGraw Edison NX

Выбор ограничивающих ток предохранителей в основном основан на их номинальных параметрах напряжения. При определении соответствующих параметров необходимо учитывать несколько факторов, включая тип электрической системы, максимальное напряжение системы, условия намотки трансформатора (если предохранитель используется для защиты трансформатора), состояние заземления нейтрального провода и тип нагрузки.

Обычно однополюсную цепь можно защитить ограничивающим ток предохранителем с номинальными параметрами, превышающими однополюсное напряжение заземления. Однако для трехполюсной цепи предохранитель должен иметь подходящие межполюсные параметры. В конкретных случаях, предполагая, что положительное последовательное напряжение, приложенное к предохранителю, не превышает максимальное проектное напряжение, параметры однополюсного заземления могут быть применимы к трехполюсной системе. В таких условиях предполагается, что два последовательно соединенных ограничивающих ток предохранителя будут делить приложенное напряжение в данном режиме неисправности. Таблица 1 иллюстрирует связь между рекомендуемыми номинальными параметрами напряжения ограничивающих ток предохранителей и параметрами применения ограничивающих ток предохранителей.

Для защиты электрических устройств требования к прерыванию ограничивающих ток предохранителей должны быть согласованы с устройствами, которые они защищают. Кроме того, временные-токовые кривые предохранителей также должны быть согласованы с устройствами защиты в системе, особенно при использовании резервных предохранителей, и прерывание небольших токов неисправностей зависит от выбрасывающего предохранителя.

Таблица 1 Рекомендуемые номинальные параметры напряжения ограничивающих ток предохранителей и параметры применения ограничивающих ток предохранителей

Подобно обычным предохранителям, ограничивающие ток предохранители также могут испытывать снижение мощности при определенной температуре окружающей среды. Коэффициенты снижения мощности для различных сценариев применения показаны на рисунке 3.

Рисунок 3 Коэффициенты снижения мощности при температуре окружающей среды для применения предохранителей типа NX

Ключом к применению защиты предохранителями для распределительных трансформаторов является то, что предохранитель должен удовлетворять следующим требованиям:

• Обеспечить защиту от короткого замыкания и первоначально отделить неисправный трансформатор от системы. Предохранитель не должен сгореть при пусковом токе, холодном пусковом токе и кратковременном перегрузочном токе. Он должен взаимодействовать с устройством верхнего уровня (сгореть до того, как сработает секционер).

• Предотвратить серьезные ситуации перегрузки, которые могут вызвать перегрев или механические повреждения трансформатора. Следует отметить, что при необходимости пункт ② может быть отложен, так как основная цель защиты предохранителями - это защита от перегрузки, а не от короткого замыкания.

Временная-токовая кривая пускового тока/холодного пускового тока распределительного трансформатора оценивается на основе следующих ситуаций: через 0,01 с ток составляет 25 раз полный ток нагрузки; через 0,1 с ток составляет 12 раз полный ток нагрузки; через 1 с ток составляет 6 раз полный ток нагрузки; через 10 с ток составляет 3 раз полный ток нагрузки; и через 100 с ток составляет 2 раз полный ток нагрузки.

Чтобы обеспечить, чтобы предохранитель, используемый для защиты распределительного трансформатора, не сгорал при пусковом токе или холодном пусковом токе, кривая предохранителя должна находиться справа от кривой пускового тока/холодного пускового тока. То есть, время сгорания предохранителя должно быть больше, чем длительность этих токов.

Кривая повреждения трансформатора может быть получена от производителя или стандарта ANSIC57 и может быть построена на одной кривой. Как упоминалось ранее, если необходимо сделать уступки, кривая повреждения трансформатора должна быть приоритетнее, чем кривая пускового тока.

Рисунок 4 показывает временную-токовую кривую пускового тока/холодного пускового тока однофазного трансформатора с уровнем напряжения 13,8 кВ и номинальной мощностью 50 кВ·А. Полный ток нагрузки трансформатора составляет 3,62 А. На рисунке предполагается кривая предохранителя. На самом деле, существуют две кривые предохранителя. Минимальная кривая плавления дает наименьшее время, за которое предохранитель повреждается, а максимальная кривая очистки дает наибольшее время, за которое предохранитель очищает неисправность. Максимальное время очистки выбрасывающего предохранителя никогда не должно быть ниже 0,8 циклов (то есть 0,0133 с), поэтому эта кривая строится горизонтально при 0,0133 с.

Рисунок 4 показывает временную-токовую кривую пускового тока/холодного пускового тока распределительного трансформатора. Следует отметить, что кривая предохранителя должна обеспечивать координацию между предохранителем и устройством защиты верхнего уровня. Устройство верхнего уровня может быть секционирующим устройством, таким как предохранитель или повторно-замыкающее устройство. Предохранитель защиты трансформатора должен сгореть до того, как сгорит предохранитель верхнего уровня или до того, как повторно-замыкающее устройство верхнего уровня заблокируется.

Некоторые распределительные трансформаторы считаются имеющими полную функцию самозащиты (CSP), то есть они имеют функции защиты от перегрузки и пускового тока.

Самозащитные трансформаторы обычно имеют большой ограничивающий ток предохранитель и вторичный выключатель для предотвращения перегрузки в своих корпусах. Обычные трансформаторы обычно защищаются предохранителем, добавленным к первичной стороне. Шкафные трансформаторы обычно имеют предохранитель, независимый от корпуса (дизайн с неподвижной передней панелью), либо расположенный в масле трансформатора, либо в сухой втулочной колодце или цилиндре (дизайн с подвижной передней панелью). В любом случае, следует применять соответствующий дизайн, чтобы упростить замену предохранителя на месте.

Коэффициент предохранителя - это отношение минимального тока сгорания предохранителя к полному току нагрузки трансформатора. Этот коэффициент указывает на важность защиты от перегрузки для непрерывной работы устройства. Высокий коэффициент предохранителя позволяет большему числу отказов трансформатора без сгорания при пусковом токе или перегрузке; низкий коэффициент предохранителя увеличивает число сгораний предохранителей, некоторые из которых могут быть ненужными, но он лучше защищает трансформатор от перегрузки. Типичный коэффициент предохранителя находится в диапазоне от 2 до 4.

В самозащитном трансформаторе коэффициент предохранителя внутреннего предохранителя составляет примерно 8, так как вторичная сторона самозащитного трансформатора оснащена выключателем, который не подвержен перегрузке.

Диапазон защиты и координация защиты предохранителями

При выборе предохранителя для защиты шкафного трансформатора, обычно, скорость плавления можно рассчитать, разделив полный ток нагрузки трансформатора на минимальный ток плавления предохранителя. Использование высокой скорости плавления может защитить систему от неисправных трансформаторов, но обеспечивает ограниченную защиту от перегрузки; низкая скорость плавления может обеспечить максимальную защиту от перегрузки, но предохранитель уязвим для ударного тока и пускового тока.

Кроме того, следует учитывать комплексные факторы, включая непрерывность работы, отказы трансформатора, вызванные перегрузкой, координацию между предохранителем трансформатора и секционирующим устройством, а также влияние пускового тока и холодного пускового тока. Если известна характеристическая кривая трансформатора, предохранитель можно просто настроить, сделав временну