ГлавнаяТехнические статьи и рекомендации инженеров ВЕСТ-ЭЛВысоковольтные предохранители, «прерывающие токи и температуры», производства Siba
Высоковольтные предохранители SIBA

Высоковольтные предохранители, «прерывающие токи и температуры», производства Siba

Автор: Хайнц Ульрих Хааз, SIBA GmbH, Lünen (Люнен)

Высоковольтные предохранители в соответствии с немецким стандартом DIN 43625, так называемые ВВ предохранители, как они изображены на рис. 1, применяются уже много лет в сетях энергоснабжения. Их наружные размеры по-прежнему соответствуют нормированным с 1955 года предельным значениям. Практически не изменились и их конструкция и функция.

По сравнению с жизненным циклом электронных приборов ВВ предохранители кажутся скорее «скучными». И все же имеются видные специалисту небольшие модификации, с помощью которых предохранители каждый раз приспосабливаются к требованиям пользователей. [1 - 4]

51.jpg

Рис. 1. Плавкие вставки высоковольтного предохранителя в соответствии со стандартом DIN 43625 со «взглядом во внутрь»

Важным шагом явилось расширение функции ударного механизма предохранителей, получившего двойную функцию — для срабатывания при токе перегрузки и от возрастания температуры, то есть, он срабатывал уже не только от протекающего через предохранитель тока, но и от возможного возрастания температуры в окружающем предохранитель пространстве. Под наименованием «термовыключатель», «ограничитель температуры» или «расцепитель перегрузки» эти ударные иглы применяются вот уже 15 лет.

Но что, собственно, происходит внутри предохранителя в случае срабатывания? От чего защищает этот расцепитель? Каковы его возможности и пределы? Настоящая статья даёт ответы на эти вопросы.

Классическая задача ударного механизма

В первую очередь, ударный механизм имеет функцию индикатора, показывающего после появления тока утечки, что предохранитель обеспечил отключение. Даже в столбовых трансформаторных подстанциях выдвигающаяся из контактного колпака ударная игла хорошо видна с земли. Если предохранители помещены в изолированный от воздуха или газа комплект выключателя нагрузки с предохранителем, то добавляется ещё одна задача.

52.jpg

Рис. 2. Ударный механизм предохранителя

53.jpg

Рис. 3. Интеграция ударного механизма в систему плавких элементов

В случае подобного их применения ударные иглы приводят в действие свободное расцепление распределительного устройства, обеспечивающего трёхполюсное отключение установки. Для этого расцепитель, конечно, должен предоставлять достаточное количество энергии. [6]

Таким образом, и ударный механизм, наряду с корпусом предохранителя с его контактными колпаками и плавкими элементами, является одной из важнейших составных частей высоковольтного предохранителя. Вся система состоит из видной пользователю, в большинстве случаев красной ударной иглы, из пружины, предоставляющей энергию для срабатывания, а также из удерживающей пружину нити и соединяющей нити для контактирования системы срабатывания. Рис. 2 показывает сконструированный таким образом ударный механизм.

Таблица 1. Параметры ударных игл

Тип Энергия Длина выдвижения Мин. сила ударной иглы Макс. продолж. движения
Средний 0,5 — 1,5 Дж 20 — 40 мм 20 Н < 50 мс

Система ударных игл подсоединена параллельно основным плавким элементам (SL) (рис. 3).

В случае появления тока перегрузки со временами плавления вне ограничения тока плавкий элемент перегорает и непосредственно после его расплавления, то есть уже во время дуговой фазы, выдвигается ударная игла. В случае очень коротких времен плавления и, таким образом, в момент нарастания тока утечки, ударная игла выдвигается практически одновременно с перегоранием плавких элементов.

Если плавкий элемент предохранителя не только обеспечивает мониторинг во время эксплуатации, но и отключение в случае дефекта, то ударный механизм срабатывает исключительно в случае дефекта.

VDE 0670 4 определяет предельные значения ударного механизма. В таблице 1 указаны самые важные характеристики. В ВВ предохранителях фирмы SIBA энергия составляет приблизительно 1 Джоуль. Типичные значения силы ударной иглы — 50 Н, 80 Н или 120 Н, причём чаще всего немецкими поставщиками энергии применяется ударный механизм с силой ударной иглы 80 Н. Ударные механизмы ВВ предохранителей фирмы SIBA при диаметре 10 мм имеют длину выдвижения 35 мм. Продолжительность выдвижения определяется с момента окончания плавления до выдвижения ударного механизма на 20 мм и составляет лишь несколько миллисекунд. Параметры других производителей, по всей вероятности, сравнимы.

Ограничивающий температуру ударный механизм

Необходимость наличия ограничивающей температуру ударной иглы следует из функции высоковольтного предохранителя, являющегося предохранителем отдельного участка.

54.jpg

Рис. 4. Рабочая фаза и фаза отключения высоковольтного предохранителя

55.jpg551.jpg

Рис. 5. Температуры на плавкой вставке и корпусе-держателе без (а) и с (b) ограничивающей температуру ударной иглой

Если через эти предохранители проходит ток ниже минимального тока отключения (I3), что недопустимо, то они могут сильно нагреться. Эти высокие температуры происходят из температуры плавления материала плавкого элемента, состоящего из серебра (960 °C). При более длительных временах плавления продолжительность температуры в непосредственной окружающей среде предохранителя приобретает все большее значение, вплоть до того, что может произойти отказ изоляционной части. Таким образом, определено и понятие «запретной зоны» между номинальным током предохранителя и минимальным током отключения.

56.jpg

Рис. 6. Время-токовая характеристика ВВ предохранителя 63 А с ограничивающей температуру ударной иглой, расположенная с интервалом относительно рабочих токов трансформатора 1000 кВА

Также должна поглощать эти высокие температуры и непосредственная окружающая среда плавкой вставки. Особенно ощутимым это становится в тесном пространстве газоизолированного распределительного устройства, когда теплоотдача ограничена. В «запретной зоне» температура пластмассы корпусирования может достигать 150 °C и выше.

Предотвратить это может ограничивающая температуру ударная игла. Если находящийся в корпусе ударной иглы датчик достигает определённой температуры, то игла срабатывает. Здесь комплект выключателя нагрузки с предохранителем, который срабатывал через свободное расцепление распределительного устройства, выполняет задачу отключения.

Функция ударной иглы при электрическом отключении предохранителя идентична с функцией обычного предохранителя. Удерживающая нить расцепляющей пружины перегорает, а ударная игла может беспрепятственно выдвигаться.

На рис. 4 изображены принимающиеся в расчёт диапазоны времени. При этом, между «0» и номинальным током «IN» располагается рабочая фаза предохранителя. Свыше номинального тока ударный механизм проявляет свою функцию термического мониторинга. Отключение обеспечивается комплектом выключателя нагрузки с предохранителем, а эта фаза может длиться дольше, чем минимальный ток отключения. При настоящем же токе короткого замыкания ударная игла срабатывает электрическим путем, а сами предохранители обеспечивают отключение.

Ограничивающие температуру ударные механизмы могут в зависимости от диаметра корпуса-держателя плавкой вставки предохранителя существенно уменьшить значения температуры и предотвратить дефекты установки. Во время сравнительных испытаний с практической целью дать рекомендацию для применения трансформатора 20 кВ и 1000 кВА разницы становятся очевидны. Рекомендованная в соответствии с VDE 0670 402 для этого трансформатора плавкая вставка имеет номинальный ток 63 А, а минимальный ток отключения этого предохранителя составляет 210 А. При значениях ниже минимального тока отключения происходит сильное нагревание, а максимум температуры достигается при двойном номинальном токе, т. е. приблизительно при 120 А. На рис. 5 указаны значения температуры на корпусе предохранителя и на корпусе-держателе плавкой вставки предохранителя с ограничением температуры и без такого ограничения. [5]

При применении срабатывающей при повышении температуры ударной иглы компоненты плавкой вставки и распределительного устройства остаются сравнительно прохладными. При температуре 100 °C даже повторное и многократное достижение такой перегрузки уже не представляет собой опасность старения для корпуса-держателя плавкой вставки предохранителя.

Время-токовая характеристика

Независимо от наличия ограничивающей температуру ударной иглы предохранитель сохраняет свою время-токовую характеристику без изменения, так как она отражает электрическое поведение предохранителя. При каком токе утечки и через какой промежуток времени ударная игла срабатывает, можно изобразить лишь в качественном отношении как диапазон.

Рис. 6 показывает такую характеристику. Здесь линия ас является типичной время-токовой характеристикой высоковольтного предохранителя с номинальным током 63 А. Диапазон отключения находится между точками b и c, а «запретный диапазон» между точками а и b.

Минимальному току отключения соответствует точка b cо значениями 210 A и 200 с. Рабочий диапазон ограничителя температуры находится внутри треугольника a d e. При токах свыше 63 А и времени плавления, превышающем 10 мин, ударный механизм становится активным.

Поскольку ограничитель температуры срабатывает исключительно вследствие нагревания предохранителя, размер вышеназванного треугольника также зависит от номинального тока предохранителя. Диапазон срабатывания ударной иглы в предохранителе 10 А поэтому гораздо меньше, чем в предохранителе с номинальным током 100 А. Самое же главное заключается в том, что предохранитель обнаруживает каждую недопустимую (высокую или продолжительную) температуру с последующим срабатыванием ударной иглы.

Пределы системы

Плавкие вставки с ограничивающей температуру функцией не предусмотрены для защиты трансформатора от перегрузки. С одной стороны, энергопоставщики этого не желают, поскольку при дефекте в низковольтной области монтёр должен был бы заменить предохранитель в области среднего напряжения. С другой стороны, настроенные на защиту от перегрузки предохранители могут невольно срабатывать при токе включения трансформатора.

Достаточно большим интервалом между диапазоном срабатывания и возможными перегрузками трансформатора обеспечивается, чтобы ударные иглы предохранителей не срабатывали бесконтрольно. Это отчетливо видно на примере выше обсуждённого трансформатора:

Трансформатор 20 кВ 1000 кВА
Номинальный ток трансформатора 29 A
Предполагаемая перегрузка 1,5 x In 43 A
Рекомендуемый номинальный ток предохранителя 63 А

Таким образом, номинальный ток предохранителя 63 А далек от предполагаемой здесь перегрузки в 43 А.

Высоковольтные предохранители с токоограничением, а также обязательно с функцией ограничения температуры

Как уже было сказано в начале, высоковольтные предохранители фирмы SIBA c ограничивающим температуру ударным механизмом применяются вот уже более 15 лет. Если эти предохранители в начале производства имели ещё особый статус, то уже несколько недель спустя стандартная продукция была оснащена в то время новым расцепителем. И отечественные пользователи, и потребители на международной арене приветствовали это решение. Многие энергопоставщики включили оснащение этой ударной иглой в технические условия.

ВВ предохранители с ограничивающей температуру функцией могут предотвращать нарушения энергоснабжения вследствие:

  • продолжительных токов утечки, вызванных дефектами витков трансформатора
  • выбора недопустимо низкого номинального тока предохранителя
  • срабатывания предохранителей на уровне ниже минимального тока отключения
  • недостаточного контактирования плавкой вставки

Литература

  1. www.SIBA.de
  2. DIN 43625 (1983 11) Hochspannungs-Sicherungen; Nennspannung 3,6 bis 36 kV; Maße für Sicherungseinsätze
  3. IEC 60282 1 (2005) High-voltage fuses - Part 1: Current-limiting fuses
  4. DIN VDE 0670 4 (VDE 0670 Teil 4): 2006 12 Hochspannungssicherungen - Teil 1: Strombegrenz- ende Sicherungen
  5. DIN VDE 0670 402 (VDE 0670 Teil 402): 1988 05 Wechselstromschaltgeräte für Spannungen über 1 kV Auswahl von strombegrenzenden Sicherungseinsätzen für Transformatorstromkreise
  6. Heinz Ulrich Haas: Betriebs- und Ausschaltverhalten von Hochspannungssicherungen VWEW Jahrbuch Schaltanlagentechnik 2008