Keski-jännitefuse | Nopea 10 ms vika suoja muuntajille

Keskijänniteen sähkösuojaimet käytetään pääasiassa muuntimien ja moottorien suojaksi. Sähkösuojain on laite, joka keskeyttää siihen asennettuun piiriin, kun virta ylittää tietyn arvon riittävän pitkän ajan sulamalla yhden tai useamman erityisesti suunnitellun komponentin. Virtarajoittavilla sähkösuojaimilla voi olla vaikeuksia selviytyä välillisiä virta-arvoja (yli kuusi kertaa nimellivirta), joten ne käytetään yleensä yhdessä kytkentälaitteiden kanssa.

Keskijänniteen sähkösuojaimet toimivat asettamalla metallisen johtimen (sähkösuojaimen osan) sarjapiirille. Kun ylikuormitus- tai lyhyyskierroksen virta kulkee osan kautta, sen itselämmitys aiheuttaa sen sulamisen, kun virta ylittää sen nimelliarvon, mikä avaa piirin. Tämän seurauksena sähkösuojaimilla on suhteellisen korkea vastus, mikä johtaa huomattavaan lämpöntuotantoon nimellivirralla. Esimerkiksi 125A:n sähkösuojain tuottaa noin 93W lämpöä, 160A:n sähkösuojain 217W:tä ja 200A:n sähkösuojain 333W:tä. Markkinoilla saatavilla olevat 12kV:n sähkösuojaimet on saatavilla enintään 355A:n nimellivirtana, mikä johtaa vielä suurempaan tehotulokseen.

Käytännössä kytkentälaitteissa sähkösuojaimen nimellivirta tulisi olla noin 1,25 kertaa kuormituksen pitkäaikaissuorituskykyinen virta. Kun sähkösuojaimet asennetaan kolmivaiheiseen tiiviiseen kaappiin tai yksilöllisesti eristettyihin resiinihyllyttyihin putkiin, sähkösuojaimen avaruus ei pysty häipyttämään lämpöä tehokkaasti. Lämpöntuotannon ylittäessä 100W lämpötilan nousu voi ylittää hyväksyttävät rajat, mikä edellyttää sähkösuojaimen kapasiteetin alentamista.

Lisäksi renkaanmuotoisten pääsolmujen (RMU) koko-risteisyysongelmien vuoksi tiiviisti kaasu-eristettyjen RMUjen sähkösuojaimen avaruuden halkaisija on yleensä noin 90 mm, mikä mahdollistaa sähkösuojaimien asentamisen enintään 160A:n (yleisesti käytetty enintään 125A). Tämä rajoittaa suojauksen muuntimiin, jotka ovat enintään noin 1250 kVA. Suurempiin kuin 1250 kVA suuruisiin muuntimiin tarvitaan suojauksena vahvistinsulkijat. Samoin F-C (sähkösuojain-yhteys) -piireissä, jotka suojavat moottoreita, ratkaisu on yleensä rajoitettu moottoreihin, jotka ovat enintään 1250 kW. Suurempiin moottoreihin tarvitaan vahvistinsulkijapohjainen ohjaus ja suojaus.

Moottorien ohjaussovelluksissa F-C-yhdistelmä käyttää korkeajänniteen sähkösuojainta varakkeenä suojalaitteenä. F-C-piirissä, kun virhevirta on yhtä suuri tai pienempi kuin tyhjiön kytkentälaite, integroitu suojausrelaasi tulisi toimia, mikä aiheuttaa kytkentälaite keskeyttämään virtan. Sähkösuojain toimii vain, jos virhevirta ylittää relaasin asetuksen tai jos tyhjiön kytkentälaite epäonnistuu toimimaan.

Lyhyyskierros-suojauksen tarjoaa sähkösuojain. Sähkösuojain valitaan yleensä suuremmalla nimellivirtana kuin moottorin täysi kuormitusvirta, jotta se kestää käynnistyksen aikana syntyvää inrush-virtaa, mutta se ei voi samanaikaisesti tarjota ylikuormisuussuojaa. Siksi käänteisajan tai määrätyn ajan relaatit ovat tarpeen ylikuormisuussuojaksi. Komponentit, kuten kytkentälaite, virtasensorit, kaapelit, moottori itse ja muu piiriasiantuntijoiden välineistö, voivat vaurioitua pitkäkestoisessa ylikuormisuudessa tai siitä läpimennessä energia, joka ylittää niiden kestävyyden.

Moottorin suojaus ylikuormisuudesta, johtuen ylikuormituksista, yhden vaiheen poistumisesta, rotorsolmun lukitsemisesta tai toistuvista käynnistyksistä, tarjoavat käänteisajan tai määrätyn ajan relaatit, jotka toimivat kytkentälaite. Vaihe-vaiheen tai vaihe-maan virhetapahtumissa, joiden virta on alle kytkentälaite, suojaus tarjoaa relaati. Virhevirtaa, joka ylittää kytkentälaite maksimikestävyyteen asti, suojaus tarjoaa sähkösuojain.

Sähkösuojain-yhdistelmäkytkentälaitteita käytetään pääasiassa muuntimien suojaamiseen. Yleisiä sovelluksia ovat muuntimien tarjontapiirit renkaanmuotoisissa pääsolmuissa (RMU), missä SF6-latauskytkentä yhdistetään sähkösuojaimiin saavuttaakseen tiivisen, huoltovapaan suunnittelun. Toisena konfiguraationa on vetokytkentäratikka-ratkaisu, jossa sähkösuojain-latauskytkentäyhdistelmä yhdistetään keskijännitekytkentälaitteeseen (esim. metallipuutetulla kytkentälaitteella), mikä mahdollistaa yksinkertaisen vetämisen huolto- ja sähkösuojaimen vaihto-oppaan.

Kun yhdistelmalaitteita käytetään muuntimien suojaamiseen, relaatin suojaus otetaan käyttöön luodakseen kaksivaiheisen suojauksen. Ylikuormitukselle tai kohtuulliselle ylikuormitukselle relaatti lähettää trip-komento latauskytkentälle virheen selvittämiseksi. Vakavalle lyhyyskierrosvirheelle sähkösuojain toimii ja aktivoi kytkentälaite keskeyttämään piirin.

Kun muuntimessa tapahtuu sisäinen virhe, kuten lyhyyskierros, sähkökatkaisu hajoaa eristeveteen kaasuksi. Kun virhe jatkuu, sisäinen paine nousee nopeasti, mikä voi johtaa säiliön rikkoutumiseen tai räjähdysriskiin. Säiliön epäonnistumisen estämiseksi virheen on selvitettävä 20 millisekunnissa (ms). Kuitenkin vahvistinsulkijan kokonaismurtotiedon (koostuva relaatin toiminnasta, luonteeltaan trippausajasta ja arkustiedosta) on yleensä vähintään 60 ms, mikä ei ole riittävä tehokkaalle muuntimen suojaamiseen. Toisaalta virtarajoittavat sähkösuojaimet tarjoavat äärimmäisen nopeaa virheen keskeyttämistä, pystyen selviytymään virheitä 10 ms sisällä, mikä tarjoaa erittäin tehokasta suojausta muuntimelle.