Bảo vệ cầu chì của biến áp hộp kiểu Mỹ

Giới thiệu về cầu chì của biến áp kiểu Mỹ
Biến áp kiểu Mỹ thường sử dụng sự kết hợp giữa cầu chì cắm và cầu chì bảo vệ dự phòng nối tiếp để cung cấp bảo vệ. Nguyên tắc bảo vệ tiên tiến và đáng tin cậy, và việc vận hành đơn giản. Cầu chì bảo vệ dự phòng là cầu chì hạn chế dòng điện ngâm dầu, thường được lắp đặt bên trong biến áp. Nó chỉ hoạt động khi có sự cố xảy ra bên trong biến áp, và được sử dụng để bảo vệ đường dây cao áp. Cầu chì cắm là cầu chì cắm ngâm dầu, sẽ nổ khi có sự cố ngắn mạch xảy ra ở phía thứ cấp, hoặc khi quá tải hoặc nhiệt độ dầu quá cao. Cầu chì cắm là phụ kiện chính cho bảo vệ quá dòng của biến áp ngâm dầu trong hệ thống phân phối điện.

Các cầu chì bên trong có thể được phân loại thành ba loại: loại dòng điện, loại nhạy kép, và loại hai yếu tố. Cầu chì có thể được rút ra để thay thế mà không cần tắt nguồn biến áp. Khi kết nối theo chuỗi với cầu chì bảo vệ dự phòng, cầu chì dòng điện tạo thành "bảo vệ bằng hai cầu chì". Cầu chì dòng điện được sử dụng để bảo vệ quá tải, và cầu chì bảo vệ dự phòng được sử dụng để bảo vệ chống lại các sự cố nội bộ của biến áp (như ngắn mạch cuộn dây, v.v.). Cầu chì nhạy kép, khi kết nối theo chuỗi với cầu chì bảo vệ dự phòng, cũng tạo thành "bảo vệ bằng hai cầu chì". Cầu chì nhạy kép bảo vệ chống lại sự cố hoặc quá tải trên phía hạ áp của biến áp cả về dòng điện và nhiệt độ.

Cầu chì bảo vệ dự phòng được sử dụng để bảo vệ chống lại các sự cố nội bộ của biến áp (như sự cố ngắn mạch cuộn dây, v.v.). Đường cong ampe-giây tiêu chuẩn có thể phối hợp chính xác với các cầu chì và cầu chì cắt ở các cấp trên và dưới. Cầu chì hai yếu tố, khi kết nối theo chuỗi với cầu chì bảo vệ dự phòng, tạo thành "bảo vệ bằng hai cầu chì". Cầu chì hai yếu tố bảo vệ chống lại sự cố hoặc quá tải trên phía hạ áp của biến áp từ cả hai khía cạnh dòng điện và nhiệt độ. Cầu chì bảo vệ dự phòng được sử dụng để bảo vệ chống lại các sự cố nội bộ của biến áp (như sự cố ngắn mạch cuộn dây, v.v.), và đường cong ampe-giây tiêu chuẩn của nó có thể phối hợp chính xác với các cầu chì và cầu chì cắt ở các cấp trên và dưới.
Cấu trúc cơ bản của cầu chì
Cầu chì có các cấu trúc khác nhau tùy thuộc vào chức năng mà chúng thực hiện. Bài viết này giới thiệu ngắn gọn về cầu chì hạn chế dòng điện loại McGraw Edison NX của Công ty COOPER (Cooper) tại Hoa Kỳ.

Cấu trúc của cầu chì hạn chế dòng điện loại McGraw Edison NX được thể hiện trong Hình 1. Nó chứa một phần dẫn điện dễ cháy với dải cầu chì bạc tinh khiết. Dải cầu chì bạc tinh khiết được quấn trên một giá đỡ mica (thành phần hỗ trợ dạng mạng nhện), và giá đỡ này có thể tạo ra khí ion hóa giúp mở mạch. Cầu chì và cát silic được lắp đặt trong ống cách điện sợi thủy tinh.

1 - Chất điền silica tinh khiết; 2 - Giá đỡ mica; 3 - Đầu cuối đồng đặc; 4 - Hệ thống niêm phong kép; 5 - Nhãn nhận diện; 6 - Vỏ sợi thủy tinh; 7 - Dải cầu chì bạc tinh khiết.

Hình 1. Các yếu tố cấu thành cơ bản của cầu chì hạn chế dòng điện loại McGraw Edison NX.

Như hình 1所示，McGraw Edison NX型限流熔断器（其他型号的熔断器结构与此熔断器类似）主要包含以下部分： - 高纯度硅砂填充物。特定的粒径、纯度和密度提供了吸热和灭弧特性，这对于熔断器保持一致的清除特性和低能量通过水平是必不可少的。 - 云母支撑件。在熔断器运行过程中，云母支撑件提供稳定的绕组支撑，不会产生气体和压力积累。 - 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。 - 双密封系统。丁腈橡胶垫圈和环氧树脂密封剂可以确保熔断器密封的完整性。 - 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。 - 玻璃纤维外壳。它为熔断器提供了高强度和维护完整性，使熔断器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。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，熔丝条可以有效控制并降低电弧电压峰值。在中断过程中，该组件可以有效地控制和限制允许通过的电流和能量。 **熔断器的操作特性和保护原理** 熔断器的工作过程取决于其内部熔体元件的型号。对于所有熔断器来说，大故障电流的清除基本上是相同的。电流的流动会沿着整个长度熔化熔体元件，产生的电弧会使熔体元件爆炸，使硅砂玻璃化并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，减少电流并迫使电流提前达到零。 在局部或全范围熔断器中，必须防止中等或小电流的清除。例如，在McGraw Edison型限流熔断器中，在主熔体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。一旦熔体元件在M点熔化，电流就会转移到辅助熔体元件上。一根细线连接到主熔体元件的一端，与主元件之间有1/4的间隙。在M点和辅助熔体元件的间隙之间跨越着一个电压梯度，如图2(b)所示。因此，如果主熔体元件继续电弧放电，这种线连接必然会出现在三个位置，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。在电弧放电的初始阶段，聚集了足够的热量来分解该区域的蜘蛛结构，从蜘蛛结构吹出的气体可以冷却熔岩并缩短电弧，直到故障点可以被切断。  图2 McGraw Edison NX型限流熔断器减少电流的过程 限流熔断器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（如果熔断器用于变压器保护）、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熔断器进行保护。然而，对于三相电路，熔断器必须具有合适的相间参数。在特定情况下，假设施加在熔断器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熔断器将在给定的故障条件下分担施加的电压。表1说明了限流熔断器推荐的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，限流熔断器的断开要求必须与它们所保护的设备协调。此外，熔断器的时间-电流曲线还必须与系统中的保护装置协调，特别是在涉及后备熔断器且依赖于喷射熔断器清除低电流故障的情况下。 表1 限流熔断器的推荐额定电压参数及其应用参数  类似于普通熔断器，限流熔断器在一定的环境温度下也可能经历功率降级。各种应用场景下的降级系数如图3所示。  图3 NX型限流熔断器应用的环境温度降级系数 应用于配电变压器的熔断器保护的关键在于熔断器必须满足以下要求： - 提供短路保护，首先将故障变压器与系统隔离。熔断器不应在冲击电流、冷负荷启动电流和短期过电流时熔断。它应与上级设备配合（在分段器动作之前熔断）。 - 防止严重的过电流情况，这可能导致变压器过热损坏或机械损坏。需要注意的是，如果有必要，第②项可以推迟，因为熔断器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。 为了确保用于保护配电变压器的熔断器在冲击电流或冷负荷启动电流时不熔断，熔断器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，熔断器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，变压器损坏曲线应优先于冲击电流曲线。 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。图中假设了一条熔断器曲线。实际上，有两条熔断器曲线。最小熔断曲线给出了熔断器损坏的最短时间，而最大清除曲线给出了熔断器清除故障的最长时间。喷射熔断器的最大清除时间永远不应低于0.8个周期（即0.0133秒），因此该曲线在0.0133秒处水平绘制。  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。应注意，熔断器曲线应确保熔断器与上级保护装置的协调。上级装置可能是线路分段装置，如熔断器或重合闸。变压器保护熔断器应在上级熔断器损坏或上级重合闸锁定之前熔断。 一些配电变压器被认为具有完全自保护功能（CSP），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有一个大的限流熔断器和一个二次侧断路器，用于防止过载。普通变压器通常通过在初级侧添加熔断器来保护。箱式变压器通常有一个独立于外壳的熔断器（非固定前面板设计），或者位于变压器油中，或者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，以简化现场更换熔断器。 熔断比是熔断器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。高熔断比允许更多的变压器故障在冲击电流或过载时不熔断；低熔断比增加了熔断次数，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。典型的熔断比范围是2到4。 在自保护变压器中，内部熔断器的熔断比约为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。 **熔断器保护的保护范围和协调** 在选择用于箱式变压器保护的熔断器时，通常可以通过将变压器的满载电流除以熔断器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，但仅提供有限的过载保护；低熔断率可以提供最大的过载保护，但熔断器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，包括操作的连续性、由过载引起的变压器故障、变压器熔断器与分段装置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，则可以通过使熔断器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熔断器。 这些曲线是根据标准制定的，但并不总是适用，因此需要选择熔断器。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，熔断器应在0.01秒时承受25倍的满载电流，在0.1秒时承受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，所选熔断器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，如果雷电损坏是一个问题，最好使用较大尺寸的熔断器。 此外，在选择用于箱式变压器保护的熔断器时，还必须考虑熔断器之间的协调。这里讨论两种情况下的协调问题： - 两个限流熔断器之间的协调。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%的协调方法来实现同一组中两个不同熔断器之间的协调；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。当两个限流熔断器串联协调时，通过保护熔断器或负载侧熔断器的最大电流不应超过受保护或电源侧熔断器的最小熔断电流。也就是说，负载侧熔断器将限制通过的电流，使其不足以熔断电源侧熔断器。不需要在0.01秒以上的时间进行协调检测，因为协调边界具有固定值。这种协调是保守的，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。 - 后备限流熔断器与喷射熔断器之间的协调。这种保护方法经常被采用，因为它允许大多数故障（小电流下）通过廉价的喷射熔断器清除。当受保护设备发生故障时，限流熔断器将限制电流的大小。重要的是，喷射熔断器可以在不损坏限流熔断器的情况下清除小电流故障。限流熔断器可以在喷射熔断器熔断后通过足够的电流，并提供明显的故障指示。熔断器特性将形成喷射熔断器的最大清除曲线与限流熔断器的最小熔断曲线的交点，从而导致更大的电流，这将导致同步操作。如果正确选择两个限流熔断器，箱式变压器可以实现全范围保护。 **熔断器保护的操作和维护** 在使用熔断器保护箱式变压器时，应注意以下情况： - 插入式熔断器是手动操作的，用户需要一定的技能和经验。在使用插入式熔断器断开带电变压器之前，操作员应有从熔断器座上取下插入式熔断器的经验。不当处理可能导致开关故障，可能需要更换变压器或引起火灾。 - 如果插入式熔断器用于故障闭合，可能会造成严重的人身伤害。内部故障可能导致变压器破裂或顶盖脱落。因此，变压器应始终从远程位置供电以确保安全。 - 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，则不应使用插入式熔断器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。 - 在操作插入式熔断器之前，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；检查靠近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，不应使用插入式熔断器连接或断开变压器，否则可能导致火灾或人员伤亡。 - 在操作插入式熔断器之前，应释放变压器的压力。错误地释放变压器外壳的压力可能导致插入式熔断器的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入式熔断器可能导致与变压器或其他系统部分的后备限流熔断器不匹配。在这种情况下，当变压器内部发生故障时，可能会导致更大范围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入式熔断器会导致不必要的熔断和操作中断。 - 熔断管的损坏会影响熔断器的正确安装。仔细检查熔断管，确保黄铜部件的任何部分没有超过麻点腐蚀，并且绝缘部件的变黑或烧蚀不超过1/2英寸（13毫米）。如果损坏程度超过此程度，则应更换损坏的熔断管。如果大量黄铜熔化，或烧蚀延伸超过熔断管长度的一半，也应更换插入式熔断器座。如果组件损坏，可能会阻止后续故障的断开，并导致更大的损坏。 **结论** 熔断器保护的技术水平相对先进，具有优良的性价比，在国内外市场都有广阔的发展前景。目前，中国大量的美式箱式变压器使用熔断器进行保护。与其他保护方式相比，熔断器保护不仅可靠性高，而且价格相对较低，特别适合中国当前的情况。因此，熔断器保护在中国有良好的应用前景。

Kết luận

Công nghệ bảo vệ bằng cầu chì tương đối tiên tiến, có tỷ lệ hiệu suất-giá tốt, và có triển vọng phát triển rộng rãi cả trong và ngoài nước. Hiện nay, một số lượng lớn biến áp kiểu Mỹ ở Trung Quốc đang sử dụng cầu chì để bảo vệ. So với các phương pháp bảo vệ khác, bảo vệ bằng cầu chì không chỉ có độ tin cậy cao mà còn có giá tương đối thấp, phù hợp đặc biệt với tình hình hiện tại ở Trung Quốc. Do đó, bảo vệ bằng cầu chì có triển vọng ứng dụng tốt ở Trung Quốc.