Mittelspannungs-Sicherung | Schneller 10ms-Fehler-Schutz für Transformatoren

Mittelspannungs-strombegrenzende Sicherungen werden hauptsächlich zur Schutz von Lasten wie Transformern und Motoren eingesetzt. Eine Sicherung ist ein Gerät, das den Schaltkreis, in dem es eingebaut ist, durch Schmelzen eines oder mehrerer speziell gestalteter und dimensionierter Komponenten unterbricht, wenn der Strom einen bestimmten Wert für eine ausreichend lange Dauer überschreitet. Strombegrenzende Sicherungen können Schwierigkeiten haben, Zwischenstromwerte (Überlastungen zwischen 6 bis 10 Mal dem Nennstrom) zu klären, daher werden sie normalerweise in Kombination mit Schaltgeräten verwendet.

Mittelspannungs-strombegrenzende Sicherungen funktionieren, indem ein metallischer Leiter (das Sicherungselement) in Reihe mit dem Schaltkreis eingesetzt wird. Wenn ein Überlast- oder Kurzschlussstrom durch das Element fließt, führt die resultierende Selbstverwärmung dazu, dass es schmilzt, sobald der Strom seinen Nennwert übersteigt, wodurch der Schaltkreis geöffnet wird. Folglich haben Sicherungen einen relativ hohen Widerstand, was zu erheblicher Wärmeerzeugung bei Nennstrom führt. Zum Beispiel erzeugt eine 125A-Sicherung etwa 93W Wärme, eine 160A-Sicherung 217W und eine 200A-Sicherung 333W. Auf dem Markt sind 12kV-Sicherungen mit Stromstärken bis 355A erhältlich, was zu noch höherer Leistungsdissipation führt.

In praktischen Anwendungen für Schaltanlagen sollte der Nennstrom der Sicherung etwa 1,25 Mal dem langfristigen Betriebsstrom der Last entsprechen. Wenn Sicherungen innerhalb einer dreiphasigen geschlossenen Schrank- oder einzeln in isolierten Harzumhüllungen eingebaut sind, kann der begrenzte Raum des Sicherungskompartiments die Wärme nicht effektiv abführen. Wärmeerzeugung, die 100W übersteigt, kann zu einer Temperaturerhöhung über zulässige Grenzen führen, wodurch eine Herabstufung der Sicherungskapazität erforderlich wird.

Darüber hinaus führen Größenbeschränkungen in Ringfütterungseinheiten (RMUs) dazu, dass der Durchmesser des Sicherungskompartiments in kompakten gasgefüllten RMUs normalerweise etwa 90 mm beträgt, wodurch Sicherungen bis 160A (häufig bis 125A) installiert werden können. Dies begrenzt den Schutz auf Transformatorleistungen von etwa 1250 kVA. Transformatorleistungen größer als 1250 kVA erfordern den Schutz über Leistungsschalter. Ähnlich gelten für F-C (Sicherung-Kontaktor)-Schaltkreise, die zum Schutz von Motoren verwendet werden, die Lösung im Allgemeinen nur für Motoren bis 1250 kW. Größere Motoren erfordern steuer- und schutzbasierte Leistungsschalter.

In Motorenschaltanwendungen dient die F-C-Kombination einem Hochspannung-strombegrenzenden Sicherung als Rückgriffsschutzgerät. In einem F-C-Schaltkreis, wenn der Fehlerstrom gleich oder kleiner als die Unterbrechungskapazität des Vakuumschalters ist, sollte der integrierte Schutzrelais arbeiten, wodurch der Schalter den Strom unterbricht. Die Sicherung tritt nur in Tätigkeit, wenn der Fehlerstrom die Relaieseinstellung überschreitet oder wenn der Vakuumschalter versagt.

Kurzschluss-Schutz wird durch die Sicherung bereitgestellt. Die Sicherung wird normalerweise mit einem höheren Nennstrom als dem Vollaststrom des Motors gewählt, um die Einlaufströme während des Starts zu überstehen, aber sie kann nicht gleichzeitig Überspannungsschutz bieten. Daher sind inverse Zeit- oder festzeitliche Relais erforderlich, um vor Überspannungen zu schützen. Komponenten wie Schalter, Stromwandler, Kabel, der Motor selbst und andere Schaltkreiseinrichtungen können durch anhaltende Überspannungen oder durch Energie, die ihre Standhaftigkeitsfähigkeit übersteigt, beschädigt werden.

Motorschutz gegen Überströme, verursacht durch Überlast, Einphasigkeit, Rotorblockade oder wiederholte Starts, wird durch inverse Zeit- oder festzeitliche Relais bereitgestellt, die den Schalter bedienen. Für Phasen-zu-Phasen- oder Phasen-zu-Erde-Fehler mit Strömen unter der Unterbrechungskapazität des Schalters bietet der Relais den Schutz. Für Fehlerströme, die die Unterbrechungskapazität des Schalters bis zum maximalen Standhaftigkeitsniveau überschreiten, bietet die Sicherung den Schutz.

Sicherung-Kombinations-Schaltanlagen werden hauptsächlich für Transformatorschutz verwendet. Typische Anwendungen umfassen Transformatorengleise in Ringfütterungseinheiten (RMUs), bei denen ein SF6-Lastschalter mit Sicherungen kombiniert wird, um ein kompaktes, wartungsfreies Design zu erreichen. Eine weitere Konfiguration ist die Ziehschubwagenlösung, bei der eine Sicherung-Lastschalter-Kombinationseinheit in eine Mittelspannungsschaltanlage (z.B. Metallgehäuseschaltanlage) integriert wird, was eine bequeme Entnahme für Wartung und Austausch der Sicherungen ermöglicht.

Wenn Kombinationsgeräte für Transformatorschutz verwendet werden, wird durch die Integration von Relaisschutz ein zweistufiger Schutzplan etabliert. Bei Überlast oder mäßigen Überströmen sendet das Relais einen Auslösebefehl an den Lastschalter, um den Fehler zu beseitigen. Bei schweren Kurzschlussfehlern tritt die Sicherung in Aktion und löst den Schalter aus, wodurch der Schaltkreis unterbrochen wird.

Bei internen Fehlern wie Kurzschlüssen in einem Transformator zerlegt der entstehende Bogen die Isolierflüssigkeit in Gas. Während der Fortsetzung des Fehlers steigt der interne Druck schnell an, was potenziell zu Behälterrissen oder Explosionen führen kann. Um Behälterversagen zu verhindern, muss der Fehler innerhalb von 20 Millisekunden (ms) beseitigt werden. Der Gesamtunterbrechungszeit eines Leistungsschalters - bestehend aus Relais-Arbeitszeit, inhärentem Auslösezeit und Bogenzeit - liegt jedoch normalerweise nicht unter 60 ms, was für effektiven Transformatorschutz unzureichend ist. Im Gegensatz dazu bieten strombegrenzende Sicherungen extrem schnelle Fehlerunterbrechung, die Fehler innerhalb von 10 ms beseitigen kann, und bieten damit einen hoch effektiven Schutz für den Transformator.