Захист п’єзочувствительних перервачів американського типу для ящикоподібних трансформаторів

Вступ до предохранників американських коробкових трансформаторів
Американські коробкові трансформатори зазвичай використовують комбінацію вставних предохранників та запасних захисних предохранників у серії для забезпечення захисту. Принцип захисту є прогресивним і надійним, а операція проста. Запасний захисний предохранник є масляним потоково-обмежувальним предохранником, який зазвичай встановлюється всередині коробкового трансформатора. Він працює лише при наявності аварії всередині коробкового трансформатора, і використовується для захисту високовольтного лінії. Вставний предохранник є масляним вставним предохранником, який спалахує при коротком замиканні на вторинній стороні, або при перевантаженні або занадто високій температурі масла. Вставний предохранник є основним допоміжним пристроєм для захисту від перепиту струму масляних коробкових трансформаторів в системі розподілу електроенергії.

Предохранники всередині можна поділити на три типи: струмовий, подвійно-чутливий та подвійно-факторний. Предохранник можна витягнути для заміни без відключення коробкового трансформатора. Струмовий предохранник, коли він підключений в серії з запасним захисним предохранником, утворює "подвійний захист предохранниками". Струмовий предохранник використовується для захисту від перевантаження, а запасний захисний предохранник - для захисту від внутрішніх аварій трансформатора (таких як коротке замикання обмоток тощо). Подвійно-чутливий предохранник, коли він підключений в серії з запасним захисним предохранником, також утворює "подвійний захист предохранниками". Подвійно-чутливий предохранник захищає від аварій або перевантажень на низьковольтній стороні трансформатора в обох аспектах - струму та температури.

Запасний захисний предохранник використовується для захисту від внутрішніх аварій трансформатора (таких як короткі замикання обмоток тощо). Стандартна ампер-секундна крива може точно співпрацювати з предохранниками та автоматичними вимикачами верхнього та нижнього рівнів. Подвійно-факторний предохранник, коли він підключений в серії з запасним захисним предохранником, становить "подвійний захист предохранниками". Подвійно-факторний предохранник захищає від аварій або перевантажень на низьковольтній стороні трансформатора з обох аспектів - струму та температури. Запасний захисний предохранник використовується для захисту від внутрішніх аварій трансформатора (таких як короткі замикання обмоток тощо), і його стандартна ампер-секундна крива може точно співпрацювати з предохранниками та автоматичними вимикачами верхнього та нижнього рівнів.
Основна будова предохранників
Предохранники мають різну будову в залежності від функцій, які вони виконують. Ця стаття коротко описує потоково-обмежувальний предохранник типу McGraw Edison NX компанії COOPER (Cooper) в США.

Будова потоково-обмежувального предохранника типу McGraw Edison NX показана на рис. 1. Він містить плавку з чисто срібляної смуги. Чисто срібляна смуга намотана на мікальний підтримуючий елемент (паукообразний підтримуючий компонент), і цей підтримуючий елемент може генерувати іонізований газ, який допомагає відкрити контур. Предохранник та діоксид кремнію встановлені в скловолоконну ізоляційну трубку.

1 - наповнювач з високої чистоти діоксиду кремнію; 2 - мікальний підтримуючий елемент; 3 - твердий медний контакт; 4 - система подвійного уплотнення; 5 - ідентифікаційна бірка; 6 - скловолоконна оболонка; 7 - чисто срібляна плавка смуга.

Рис. 1. Основні складові елементи потоково-обмежувального предохранника типу McGraw Edison NX.

Як показано на рис. 1, потоково-обмежувальний предохранник типу McGraw Edison NX (інші моделі предохранників мають схожу будову до цього предохранника)主要包括了以下组件： 1. 高纯度硅砂填充物。特定的粒度、纯度和密度提供了吸热和熄弧特性，这对于保险丝保持一致的清除特性和低能量通过水平至关重要。 2. 云母支撑。在保险丝运行期间，云母支撑提供稳定的绕组支撑，不会产生气体和压力积聚。 3. 实心铜端子。选择黄铜插头以提供长度从0.25到10英寸的电气导电接头。 4. 双密封系统。丁腈橡胶垫圈和环氧树脂密封剂可以确保保险丝密封的完整性。 5. 坚固的识别标签。方便用户获取电压、电流参数、订单号等信息。 6. 玻璃纤维盖。为保险丝提供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。 7. 纯银保险丝条。它可以在电流循环和热压条件下保持稳定，并提供一致的熔断特性。在大电流中断期间，保险丝条可以有效控制并降低电弧电压的峰值水平。在中断过程中，该组件可以有效地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保险丝元件的型号。对于所有保险丝而言，大故障电流的清除基本上是相同的。电流流动会沿着整个长度熔化保险丝元件，产生的电弧会使保险丝元件爆炸，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，在主保险丝元件的中心放置一个“M”点（即锡合金线）以降低其熔点，如图2(a)所示。一旦保险丝元件在M点熔化，电流就会转移到辅助保险丝元件上。一根细线连接到主保险丝元件的一端，与主元件之间有1/4的间隙。M点和辅助保险丝元件间隙之间的电弧跨度存在电压梯度，如图2(b)所示。因此，如果主保险丝元件继续电弧，这种线连接必然会在三个位置出现，将电弧长度扩大三倍，并利用这一区域来耗散电路的能量，如图2(c)所示。在电弧的初始阶段，聚集了足够的热量分解该区域的蜘蛛结构，蜘蛛结构吹出的气体会冷却熔岩并缩短电弧长度，直到故障点可以被断开。 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开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，限流保险丝的断开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喷射式保险丝的情况下。 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因子如图3所示。 图3 NX型限流保险丝应用的环境温度降额因子 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与系统分离。保险丝不应在冲击电流、冷负荷启动电流和短期过电流时熔断。它应与上级设备（在分段器动作之前熔断）配合。 - 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。 配电变压器的冲击电流/冷负荷启动电流时间-电流曲线估计基于以下情况：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。 为了确保用于保护配电变压器的保险丝在冲击电流或冷负荷启动电流时不熔断，保险丝曲线应位于冲击电流/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。 变压器损坏曲线可以从制造商或ANSIC57标准中获得，并可以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冲击电流曲线。 图4显示了一个电压等级为13.8 kV、额定容量为50 kV·A的单相变压器的冲击电流/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。喷射式保险丝的最大清除时间绝不应低于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冲击电流/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之间的协调。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冲击电流保护功能。 自保护变压器通常在其外壳内装有一个大的限流保险丝和一个二次侧断路器，以防止过载。普通变压器通常由一次侧添加的保险丝保护。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筒体中（固定前面板设计）。无论如何，都应采用适当的设计以简化现场更换保险丝的操作。 保险丝比是保险丝的最小熔断电流与变压器满载电流之比。这个比率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冲击电流或过载时不熔断；低保险丝比增加了保险丝熔断的次数，有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为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配备了不受过载影响的断路器。 **保险丝保护的保护范围和协调** 当选择用于箱式变压器保护的保险丝时，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冲击电流的影响。 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之间的协调，以及冲击电流和冷负荷启动的影响。如果已知变压器的特性曲线，可以通过使保险丝的时间特性曲线落在变压器冲击曲线和变压器损坏曲线之间的区域内来简单调整保险丝。 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。冲击电流在很大程度上取决于闭合时电压波在铁芯中的残磁通。为了承受冲击电流，保险丝应在0.01秒时能够承受25倍的满载电流，在0.1秒时能够承受12倍的满载电流。一次电源停电后的重新供电会产生冷负荷启动。当已知冲击电流曲线时，所选的保险丝曲线应慢于冲击电流曲线。雷电放电电压可以使变压器铁芯饱和并产生冲击电流。通常，如果雷击是一个问题，最好使用更大尺寸的保险丝。 此外，在选择用于箱式变压器保护的保险丝时，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，通过简单叠加TCCS并使用75%的协调方法可以实现同一组中两个不同保险丝之间的协调；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受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到不足以熔断电源侧保险丝的水平。不需要在0.01秒以上进行协调检测，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。 - 后备限流保险丝与喷射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（在小电流下）通过廉价的喷射式保险丝清除。当受保护设备发生故障时，限流保险丝会限制电流的大小。重要的是，喷射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。限流保险丝可以在喷射式保险丝熔断后通过足够的电流，并提供明显的故障指示。保险丝特性将形成喷射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** 当使用保险丝保护箱式变压器时，应注意以下情况： - 插入式保险丝是手动操作的，用户需要一定的技能和经验。在使用插入式保险丝断开带电变压器之前，操作员应有从保险丝座中取出插入式保险丝的经验。不当处理可能会导致切换故障，可能需要更换变压器或引起火灾。 - 如果插入式保险丝用于故障闭合，可能会导致严重的人身伤害。内部故障可能会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的建筑物或地下室中，或者操作员直接位于变压器上方，则不应使用插入式保险丝组件来连接或断开变压器。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很难安全离开。 - 在操作插入式保险丝之前，应仔细判断变压器的状态。检查外壳内是否有电弧放电声；检查外壳是否鼓胀或有漏油或溢油痕迹；检查靠近泄压装置的外壳附近是否有漏油、溢油或碳黑污渍。如果出现上述情况，不应使用插入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。 - 在操作插入式保险丝之前，应释放变压器的压力。错误地释放变压器外壳的压力可能会导致插入式保险丝的插入组件与热油一起猛烈弹出。这可能会导致撞击伤、烧伤和环境污染。 - 使用安培值过高的插入式保险丝可能会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，可能会导致更大的停电或导致变压器着火或爆炸。安装安培值小于推荐值的插入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，确保黄铜部件上没有任何超过坑蚀的腐蚀，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，应将损坏的保险丝管更换为新的。如果大量黄铜熔化，或烧蚀延伸超过保险丝管长度的一半，还应更换插入式保险丝座。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。 **结论** 保险丝保护的技术水平相对先进，具有优良的性能价格比，在国内外市场上都有广阔的发展前景。目前，中国大量美国式箱式变压器使用保险丝进行保护。与其他保护方式相比，保险丝保护不仅可靠性高，而且价格相对较低，特别适合中国的现状。因此，保险丝保护在中国有着良好的应用前景。