Новини електротехніки №2 (20) - вимикач навантаження з запобіжником або силовий вимикач
Вимикач навантаження з запобіжником або силовий вимикач: що краще для захисту силових трансформаторів?
Комбінація «ВН-ПР» з запобіжниками ПКТ
Як показує досвід, у багатьох експлуатаційників і розробників КРУ немає чіткого уявлення про спільну роботу вимикача навантаження з запобіжником і про правильність вибору запобіжника і вимикача навантаження при захисті того чи іншого силового трансформатора.
В даний час промисловістю випускаються високовольтні струмообмежуючі запобіжники ПКТ по ТУ16-521.194-81. Як приклад візьмемо для розгляду запобіжники на номінальну напругу 10 кВ, як одні з найбільш поширених в експлуатації. У табл. 1 наведені основні параметри цих запобіжників. Для зручності порівняння запобіжники об'єднані в дві основні групи, позначені умовно ПКТ (запобіжники кварцові токоограничивающие) і ПКТУ (запобіжники кварцові токоограничивающие посилені).
У табл. 2 ПКТ і ПКТУ порівнюються за кількістю патронів на даний номінальний струм і за габаритами. Як видно з табл. 1 і 2, відмінністю цих двох груп запобіжників є те, що запобіжники, які відносяться до групи ПКТ, мають меншу кратність мінімального струму відключення до номінального струму і меншу величину номінального струму відключення в порівнянні з запобіжниками групи ПКТУ.
Таблиця 1. Основні параметри токоограничивающих запобіжників ПКТ на номінальну напругу 10 кВ.
На рис.1 і 2 наведені час-струмові характеристики запобіжників відповідно для груп ПКТ і ПКТУ.
Мал. 1
Час-струмові характеристики плавлення запобіжників групи ПКТ з порядковими номерами 1-11 по таблиці 1 на номінальні струми 2-31,5. 50, 100, 200 А
t пд - преддуговое час
I ож, п - діюче значення періодичної складової очікуваного струму
Мал. 2
Час-струмові характеристики плавлення запобіжників групи ПКТУ з порядковими номерами 12-24 по таблиці 1 на номінальні струми 2-160 А
Для вирішення питання щодо вибору запобіжника, що захищає силовий трансформатор, необхідно порівняти час-струмові характеристики стійкості масляного трансформатора із захисними характеристиками описаних вище високовольтних токоограничивающих запобіжників (рис.3). Крива 1 ілюструє час-струмовий характеристику стійкості масляного трансформатора по часу в залежності від кратності очікуваного струму КЗ до номінального струму трансформатора (К). Характеристика у верхній її частині до часу t = 600 с нормується нормами ПТЕ по табл. 3 відповідно до термічної стійкістю трансформатора.
При длительностях перевантаження менш 600 з нижележащих частина характеристики повинна визначатися відомою формулою:
де К = Iож, п / Iном, тр. Однак в дійсності зовсім очевидно, що в області 2-3 Iном, тр крива, що характеризує умови нагріву трансформаторів наскрізними струмами КЗ, повинна значно відхилятися від адіабати 900 / К2 в область великих часів, хоча б в силу природного відмінності умов нагріву проводів від адіабатичного при малих токах і значних длительностях (крива 2).
У табл. 4 наведені теоретично можливі чотири варіанти захисту силових трансформаторів струмообмежуючими запобіжниками і відповідні їм коефіцієнти К1 = Iном, пр. / Iном, тр .. визначають рівень захисту. На рис. 3 наведені час-струмові характеристики запобіжників для К1 = 1,4 (крива 3), К1 = 1,73 (крива 4), К1 = 2,2 (крива 5), К1 = 2,75 (крива 6). Для зручності порівняння вони також приведені до коефіцієнту К. Точка початку червоної пунктирною лінії позначає кратність мінімального струму відключення по відношенню до номінального струму трансформатора, що захищається для запобіжників групи ПКТ, а точка початку синьою пунктирною лінії - кратність мінімального струму відключення для запобіжників групи ПКТУ.
На цьому ж рис. 3 точка А відповідає координатам кидка струму намагнічування, що з'являється на високовольтній стороні трансформатора при включенні його на холостий хід. За умовою селективності з низьковольтної захистом захисні характеристики низьковольтних апаратів повинні проходити через цю точку.
Як випливає з рис.1, запобіжники групи ПКТ відключають струми, починаючи з 3-3,5- кратного по відношенню до їх номінальному струму, що відповідає значенню К = К1 (3-3,5) на рис. 3, при цьому преддуговое час складає близько 10 с (лінія В).
Як випливає з рис. 2, запобіжники групи ПКТУ відключають струми, починаючи приблизно з 7-7,5-кратного по відношенню до їх номінальному струму, що відповідає значенню К = К1 (7-7,5) на рис. 3, при цьому преддуговое час складає близько 0,2-0,3 с (лінія С).
Таким чином, при виникненні струмів КЗ, кратність яких більше значення К по рис. 3, запобіжник буде надійно захищати трансформатор. Під дією же струмів, кратність яких менше, ніж зазначені К, високовольтний запобіжник може розплавитися, але не може відключити ці струми і при відсутності додаткових засобів захисту відбудеться його термічне руйнування. Таким чином, в зонах, позначених червоними і синіми пунктиром на рис. 3, захист силового трансформатора повинна покладатися на інші апарати, наприклад, на вимикачі навантаження, низьковольтні запобіжники, автомати і т.п.
Розглянемо, який же вимикач навантаження може бути застосований для спільної роботи з тим чи іншим запобіжником. Відповідно до ГОСТ 17717-79 «Вимикачі навантаження змінного струму на напругу від 3 до 10 кВ», для більш надійної роботи комбінації «ВН-Пр» ток перетину з ВН береться для 1,5-кратного часу, що відповідає мінімальному струму відключення запобіжника, що відповідає t = 7 с (лінія В1 на рис. 3). При застосуванні в комбінації запобіжників групи ПКТУ ток перетину буде відповідати t = 0,15 с (лінія С1 на рис. 3).
Таким чином, при застосуванні ВН з запобіжниками групи ПКТ струм перетину для комбінації «ВН-Пр» повинен бути не менше:
- 4-6 Iном, тр. для К1 = 1,4;
- 5,5-7,2 Iном, тр. для К1 = 1,73;
- 7-9 Iном, тр. для К1 = 2,2;
- 9-11 Iном, тр. для К1 = 2,75.
При застосуванні ВН з запобіжниками групи ПКТУ - не менше:
- 9-11 Iном, тр. для К1 = 1,4;
- 13-14Iном, тр. для К1 = 1,73;
- 17 Iном, тр. для К1 = 2,2;
- 21Iном, тр. для К1 = 2,75.
Зразкові величини цих струмів наведені в таблиці 4.
Потужність захищається тр-ра, кВА
Номінальний струм тр-ра, А
Номінальні струми запобіжників, А (теоретично можливі варіанти захисту). (Номери кривих на рис.3)
Струм перетину для комбінації «ВН-Пр», не менше, для групи ПКТ в залежності від К1, А
Примітки.
1. К1 = Iном.пр. /Iном.тр
2. Струм перетину - це значення струму, відповідне перетину час-струмових характеристик відключення запобіжника і вимикача навантаження.
3. Цифри, укладені в дужках, означають, що даний номінал не розроблений.
Рішення про вибір того чи іншого ВН безпосередньо пов'язано з вибором високовольтного запобіжника, відповідного певному рівню захисту, тобто коефіцієнту К1. У зв'язку з цим необхідно відзначити, що застосування запобіжників з К1 = 1,4 і 1,73 обгрунтовано в тих випадках, коли практично немає включень трансформатора без навантаження і коли немає ніякої іншої захисту з боку низької напруги, проте його застосування може викликати також і часті необґрунтовані відключення трансформатора в зоні експлуатаційних перевантажень. При високу ймовірність коротких замикань з струмами кз 12,5-31,5 кА при 10 кВ переважно застосовувати запобіжники групи ПКТУ, а з струмами кз менше 12,5 кА - групи ПКТ. Запобіжники з К1 = 1,73 можна вважати за краще за інших рівних умов для захисту зношеного обладнання, термін експлуатації якого близький до завершення або вже перевершив його.
При відсутності низьковольтної захисту кращий К1 = 2,2. В інших випадках можна застосовувати К1 = 2,2 і 2,75.
Підсумок викладеного можна додатково підвести за допомогою таблиці 5, в якій наведено оптимальні варіанти комбінації ВН з запобіжниками. При цьому червона зона відповідає застосуванню ВН на номінальний струм до 100 А, синя зона - для ВН на номінальний струм до 200 А, зелена зона для ВН на номінальний струм до 400 А, жовта зона - для ВН на номінальний струм до 600 А, блакитна зона - для ВН на номінальний струм понад 800 А. незафарбовані клітини означають, що при даному К1 відсутня відповідний запобіжник.
Необхідно також зауважити, що ВН спрацьовує саме як захисний апарат при токах, які менше зазначених в табл. 4, тільки після того, як запобіжник розплавиться і його бойок ударить по ударної планці ВН, в результаті чого забезпечується автоматичне відключення всіх трьох полюсів вимикача навантаження, що виключить появу неповнофазного режиму в мережі. В цьому випадку захисну дію комбінації «ВН-Пр» розширюється в бік ще більш менших струмів аж до струмів, значення яких відповідає точці перетину кривих 3, 4, 5, 6 з кривою 2 на рис.3. Тому запобіжник, який вибирається для спільної роботи з ВН, повинен мати досить потужне ударне пристрій, щоб забезпечити спрацьовування ВН, - як мінімум ударний пристрій середнього типу по ГОСТ 2213-79.
Якщо в запобіжнику відсутня подібне ударний пристрій, то комбінація «ВН-Пр» не захищатиме обладнання при малих токах КЗ, тобто в цьому випадку можна розраховувати лише на можливість комутації струмів навантаження оперативним персоналом і на захист трансформатора від струмів кз в зоні від струмів з кратністю відповідної лінії В1 для запобіжників групи ПКТ (лінії С1 для ПКТУ) аж до Iо, ном, пр. Це говорить також про те, що вимикач навантаження повинен бути забезпечений додатковим пристроєм, який автоматично відключає його після спрацьовування запобіжника. Крім того, для надійної роботи запобіжника в комбінації необхідно, щоб плавкий елемент не зміщувався з місця при ударах і вібраціях, що викликаються комутаціями вимикача навантаження. У запобіжниках ПКТ плавкахвставка зафіксована на керамічному осерді тільки для запобіжників на номінальний струм до 8 А, тобто у запобіжників з порядковими номерами 1-4 по табл.1. Для інших номіналів в конструкції запобіжника плавкахвставка є вільно розташовані в кварцовому піску спіралі. Все сказане говорить про те, що запобіжники ПКТ не можуть бути використані в комбінації при відсутності їх доопрацювання.
Комбінація з запобіжниками ПКЕ
Далі розглянемо можливість застосування в комбінації «ВН-Пр» запобіжників серії ПКЕ (запобіжники кварцові токоограничивающие екскаваторні), що випускаються по ТУ 16-521.195-80. На відміну від запобіжників ПКТ вони розраховані для експлуатації в умовах тряски і вібрацій. У табл. 6 наведені основні параметри запобіжників ПКЕ на 10 кВ. Для зручності порівняння запобіжники об'єднані в дві основні групи, позначені умовно ПКЕ (запобіжники кварцові екскаваторні) і ПКЕУ (запобіжники кварцові екскаваторні посилені).
Потужність захищається тр-ра, кВА
Параметри комбінації для К1 (для групи ПКТ)
Параметри комбінації для К1 (для групи ПКТУ)
Умовне позначення
групи
У табл. 7 запобіжники ПКЕ і ПКЕУ порівнюються за кількістю патронів на даний номінальний струм і за габаритами.
Таблиця 7
Довжина патрона, мм
Довжина патрона, мм
На рис. 4 і 5 наведені час-струмові характеристики запобіжників відповідно для груп ПКЕ і ПКЕУ.
Мал. 4 Час-струмові характеристики плавлення запобіжників ПКЕ з порядковими номерами 1-9 по таблиці 6.
Мал. 5 Час-струмові характеристики плавлення запобіжників ПКЕУ з порядковими номерами 10-15 по таблиці 6.
У таблиці 8 наведені всі теоретично можливі варіанти захисту силових трансформаторів струмообмежуючими запобіжниками і відповідні їм коефіцієнти К1.
Номінальні струми запобіжників, А (теоретично можливі варіанти захисту)
Струм перетину для комбінації «ВН-Пр», не менше, для групи ПКЕ в залежності від К1
Струм відсічення комбінації «ВН-Пр», не менше, для групи ПКЕУ в залежності від К1
Примітки.
1. К1 = Iном, пр. / Iном, тр.
2. Цифри, укладені в дужках, означають, що даний номінал не розроблений.
Як випливає з рис. 4, запобіжники групи ПКЕ відключають струми, починаючи з 5-6-кратного по відношенню до їх номінальному струму.
Запобіжники групи ПКЕУ, як видно з рис. 5, відключають струми, починаючи приблизно з 5-кратного по відношенню до їх номінальному струму. Токи перетину визначаються при преддугових часи в 1,5 рази менших, ніж часи, що відповідають початку пунктирних ліній. Зразкові значення струмів перетину наведені в табл.8. Підсумок викладеного можна підвести за допомогою табл. 9. У ній наведено оптимальні варіанти комбінації ВН з запобіжниками ПКЕ, при цьому червона зона відповідає застосуванню ВН на номінальний струм до 100 А, синя зона - для ВН на номінальний струм до 200 А, зелена зона для ВН на номінальний струм до 400 А, жовта зона - для ВН на номінальний струм до 630 А.
Параметри комбінації для К1 (для групи ПКЕ)
Параметри комбінації для К1 (для групи ПКЕУ)
Примітка. Струм перетину знаходиться по табл. 8
«ВН-Пр»: швидше і дешевше
Вартість силових вимикачів з приводами досить велика. А з урахуванням необхідних для управління вимикачем трансформаторів струму і релейного захисту вартість сучасного розподільного пристрою взагалі виходить дуже високою. У зв'язку з цим до числа незаперечних переваг комбінації «ВН-Пр» відноситься те, що для спрацьовуванні комбінації «ВН-Пр» не потрібна установка релейного захисту, подібної до тієї, яка дає команду на спрацювання силового вимикача. Запобіжник одночасно поєднує в собі і функцію індикації моменту наростання струму, і саму функцію відключення струму КЗ.
Крім того, до переваг токоограничивающих запобіжників як комутаційних апаратів відноситься також їх швидкодія і здатність відключати дуже великі струми з обмеженням їх максимальної величини до значень, істотно менших амплітуди очікуваного струму короткого замикання, що відображено в табл. 10. У свою чергу цей ефект призводить до різкого зменшення електродинамічних і електротермічних впливів струму на устаткування, що захищається, підвищуючи надійність його роботи і створюючи можливість зменшення його габаритів, тобто Використання певних вигідно з усіх точок зору.
Підводячи підсумок сказаному, можна сподіватися, що представлена методика вибору параметрів комбінації «ВН-Пр», а також представлена інформація за технічними даними запобіжників сприятимуть більшому порозумінню даної проблеми і відповідно ширшому впровадженню комбінації «ВН-Пр» для захисту електричних мереж, що дозволить у багатьох випадках замінити дорогі силові вимикачі. Особливо популярним може бути застосування комбінації в міських мережах, де є достатня резервування і де запобіжник легко замінюється.
За типом дугогашенія
Позначення захисного апарату
Номінальна напруга, кВ
Номінальний струм відключення, кА