Объяснение временных и токовых характеристик предохранителей, ограничивающих ток

Что такое кривая «время-ток» для предохранителя с ограничением тока?

Временные характеристики тока предохранителя с ограничением тока описывают, сколько времени требуется предохранителю для срабатывания при заданном уровне тока короткого замыкания или перегрузки, что выражается в виде кривой «время-ток» (TCC). Зависимость является обратной: более высокий ток приводит к более быстрому срабатыванию, поэтому кривая имеет наклон вниз слева направо. Зависимость обратно пропорциональна: более высокий ток приводит к более быстрому срабатыванию, поэтому кривая имеет наклон вниз слева направо. Для типичного токоограничивающего предохранителя распределительного класса на 15,5 кВ опубликованные кривые обычно охватывают значения тока от примерно 100 А до 50 000 А и более, а время срабатывания варьируется от нескольких минут до доли цикла сетевой частоты.

Что обозначают оси X и Y

По горизонтальной оси отложен ток в амперах, по вертикальной — время в секундах. Точка на кривой указывает инженеру, что при определенном токе замыкания на линию предохранитель должен сработать в течение определенного временного интервала, а не в конкретный момент времени.

Почему в кривых TCC используется логарифмически-логарифмическое масштабирование

Рабочий ток и время срабатывания предохранителя варьируются на несколько порядков величины в пределах одной кривой, поэтому производители строят кривые TCC в логарифмически-логарифмической шкале, распределяя каждое десятикратное увеличение тока и времени на равные участки графика. Именно поэтому кривая выглядит как довольно прямая диагональная полоса, а не как резкий «крючок», хотя лежащая в основе физика плавления является крайне нелинейной. Инженеры, впервые изучающие кривую, иногда неправильно оценивают скорость срабатывания, интерпретируя логарифмическую сетку как линейную — стандартным первым шагом является проверка масштаба сетки перед вычислением любого запаса координации.

Предохранитель с ограничением тока предназначен для прерывания высоких токов короткого замыкания до того, как они достигнут разрушительных пиковых значений, что позволяет снизить тепловую и механическую нагрузку на защищаемый трансформатор. Требования к испытаниям по зависимости «время-ток» и к проверке расчётов для этих устройств изложены в стандарте IEEE C37.41, Стандартные испытания конструкций высоковольтного оборудования

[Expert Insight]

• Перед сравнением кривых разных производителей необходимо уточнить единицы измерения осей (А или кА, секунды или циклы)
• Логарифмические сетки создают визуальный эффект сжатия — отрезок, который выглядит небольшим, может отражать разницу в силе тока в 5–10 раз
• Указывайте конкретный каталожный номер, а не только серию, поскольку изменения в конструкции могут повлиять на опубликованную кривую

Как предохранители с ограничением тока прерывают ток замыкания до того, как кривая вступит в полную силу

При очень высоких токах замыкания на землю элемент предохранителя испаряется настолько быстро, что размыкает цепь до того, как ток замыкания достигнет своего естественного пика — именно в этом заключается отличие токоограничивающего предохранителя от обычного выталкивающего предохранителя, который дожидается естественного перехода тока через нуль.

От плавления до нарастания напряжения дуги

Когда ток замыкания на землю превышает порог ограничения тока, элемент предохранителя — на котором часто вытравлены несколько выемок с уменьшенным сечением — плавится почти одновременно в каждой выемке, образуя небольшие дуги, которые сливаются в один дуговой столб. Сопротивление дуги резко возрастает при взаимодействии с дугогасящим песчаным наполнителем, в результате чего напряжение дуги может достигать значений, в несколько раз превышающих нормальное фазное напряжение системы. Такое повышенное напряжение дуги заставляет ток стремиться к нулю значительно раньше положенного срока.

Для предохранителя в системе с расчетным током короткого замыкания I_p из 40 000. Симметричный, хорошо спроектированный элемент, ограничивающий ток, может подавлять пропускаемый ток I_lt примерно до 8 000–12 000 А пикового значения, в зависимости от номинальной отключающей способности и точки на волне. Размыкание, как правило, завершается за ≤ 8–10 миллисекунд, то есть в пределах первого полуцикла системы с частотой 50/60 Гц.

Почему это важно ниже участка с наибольшим уклоном кривой

Ниже порога ограничения тока — который для предохранителей распределительного класса часто составляет несколько тысяч ампер — этот же предохранитель срабатывает скорее как обычное устройство выброса, на основе нормального нулевого тока. Предохранитель, выбранный исключительно по номинальному току, указанному на паспортной табличке, без проверки того, где на его кривой начинается область ограничения тока, может не обеспечить быстрое срабатывание, на которое рассчитывают инженеры при умеренных уровнях неисправности.

Расшифровка диапазонов минимального времени плавления и общего времени очистки

На большинстве опубликованных кривых TCC отображаются две линии — минимального плавления и полного очищения — и разрыв между ними играет ключевую роль в любом исследовании координации.

Диапазон минимального времени плавления

Эта линия обозначает самую раннюю точку, в которой элемент предохранителя может начать плавиться при заданном токе с учетом производственных допусков. Эта линия используется для подтверждения того, что предохранитель не сработает ложно при нормальном пусковом токе трансформатора — для распределительного трансформатора мощностью 500–1000 кВА пусковой ток в первые несколько циклов может достигать 8–12-кратной величины тока полной нагрузки.

Общий диапазон времени клиринга

Эта линия обозначает конечную точку, в которой предохранитель гарантированно полностью размыкает цепь, включая время образования дуги. Именно эта линия используется для проверки координации вверх и вниз по цепи, поскольку она отражает наихудший возможный сценарий.

Диапазон допуска между ними

При значениях ниже нескольких сотен ампер интервал между минимальным расплавлением и полным расчищением может составлять несколько секунд, что отражает реальную изменчивость вблизи рабочего порога. При значениях выше нескольких тысяч ампер диапазон резко сужается — зачастую до нескольких миллисекунд — поскольку доминирует гашение, обусловленное напряжением дуги. Использование только линии полного гашения без проверки места сходимости диапазонов чревато переоценкой доступного запаса прочности при умеренных уровнях неисправности.

Что касается соответствующей логики координации, см. руководство ZeeyiElec по Согласование работы предохранителей Bay-O-Net и предохранителей, ограничивающих ток, а что касается базовых технических характеристик, то Серия предохранителей с ограничением тока.

Использование кривых TCC для согласования с устройствами, расположенными выше и ниже по цепи

Координация обеспечивает работу защитных устройств в правильной последовательности — устройство, расположенное ближе всего к месту неисправности, отключается первым, в то время как устройства, расположенные выше по цепи, остаются замкнутыми. Кривые TCC являются основным инструментом для проведения этой проверки.

Наложение кривых для устройств, соединенных последовательно

Инженеры строят кривые TCC обоих устройств на одинаковых осях по всему ожидаемому диапазону тока короткого замыкания. Кривая полного отключения устройства, расположенного ниже по цепи, должна постоянно оставаться ниже кривой минимального плавления устройства, расположенного выше по цепи; если кривые слишком сильно сближаются при любом значении тока, оба устройства могут сработать при одном и том же коротком замыкании.

Требования к запасу прочности между смежными ступенями защиты

В отраслевой практике, как правило, предусматривается минимальный временной интервал в пределах 0,1–0,2 секунды между кривой полного разряда устройства, расположенного ниже по цепи, и кривой минимального плавления устройства, расположенного выше по цепи, при максимальном ожидаемом токе короткого замыкания — это широко применяемое инженерное руководство для энергетических компаний, а не фиксированное числовое требование в IEEE C37.48 само по себе.

[Expert Insight]

• Накладывать кривые с учетом фактического максимального доступного тока замыкания в точке установки, а не только номинальной отключающей способности
• Запас в 0,1–0,2 секунды является ориентировочным значением для начала — необходимо проверить его соответствие действующему стандарту защиты энергосистемы
• После любого изменения настроек реклозера или реле необходимо повторно проверить координацию, поскольку кривые срабатывания предохранителей являются фиксированными, а настройки выше по цепи зачастую — нет

Решения по координации основываются на основных принципах выбора, рассмотренных в ZeeyiElec’s руководство по выбору принадлежностей для трансформаторов и аксессуары для трансформаторов серия продуктов.

Примеры из практики, когда неверная интерпретация кривой TCC приводит к сбоям в координации

Пример 1: Потеря координационного запаса под воздействием температуры окружающей среды

Энергетическая компания установила токоограничивающие предохранители на 25 кВ в шкафу на опоре, где летом температура внутри шкафа достигала 55–60 °C, что значительно превышало эталонные значения 25 °C или 40 °C, использованные при составлении опубликованной кривой TCC. Предохранители были согласованы с установленным выше по цепи автореклаузером с учетом номинального запаса по времени 0,15 секунды при максимальном токе замыкания. В процессе эксплуатации повышенная температура окружающей среды привела к тому, что фактическая кривая минимального времени плавления сместилась быстрее, чем предсказывала эталонная кривая, что привело к сокращению реального запаса по времени. Во время последующего замыкания на линию и предохранитель, и автореклаузер сработали в ответ на одно и то же событие. Основная причина заключалась в том, что кривая была интерпретирована при эталонных условиях без применения коэффициента понижения номинальных значений с учётом конкретных условий окружающей среды на объекте.

Пример 2: Ошибочное считывание значения диапазона при последующей проверке

Полевой инженер при проверке запаса прочности по отношению к расположенному ниже по цепи предохранителю Bay-O-Net использовал кривую минимального плавления предохранителя, а не кривую полного срабатывания. Линия минимального срабатывания наступает раньше, поэтому исследование показало разрыв, которого на самом деле не было, если учитывать полное время срабатывания. Испытания при вводе в эксплуатацию на границе рабочих диапазонов обоих устройств привели к почти одновременному срабатыванию, что побудило провести повторное исследование с использованием правильного диапазона перед подачей напряжения.

Оба случая позволяют сделать один и тот же вывод: если ориентироваться исключительно на показания кривой TCC, не проверив условия окружающей среды и правильность выбора диапазона для проводимой проверки, можно получить результаты координационного исследования, которые на бумаге выглядят убедительно, но не выдерживают проверки в реальных условиях неисправности.

Как подобрать подходящие данные по кривой ограничения тока предохранителя для вашего проекта

Запрос правильных данных по кривой TCC на раннем этапе позволяет избежать необходимости повторного проведения координационного исследования после того, как предохранители уже заказаны. Как минимум, необходимо уточнить класс напряжения, номинальный постоянный ток и температуру окружающей среды, на которую ориентирована кривая — кривая, рассчитанная для температуры окружающей среды 25 °C, ведет себя иначе, чем кривая для 40 °C.

По возможности запрашивайте табличные данные точек кривой, а не только графическое изображение, поскольку цифровые данные можно напрямую импортировать в программное обеспечение для координации. Для предохранителей в диапазоне 15 кВ–40,5 кВ уточните, предоставляются ли данные о минимальной зоне плавления и общей зоне срабатывания отдельно — одной усредненной линии недостаточно для надлежащей проверки запаса прочности.

Компания ZeeyiElec предоставляет данные о технических характеристиках и кривых, а также технические условия на токоограничительные предохранители и сопутствующие устройства защиты, оказывая поддержку инженерам как в своей аксессуары для трансформаторов и кабельные аксессуары линейки продукции при подготовке запросов на предложение или согласовании схем защиты перед оформлением заказа на поставку.

Часто задаваемые вопросы

Что такое кривая TCC в системе защиты с помощью предохранителей?

Кривая «время-ток» (TCC) отражает время, необходимое для плавления и срабатывания предохранителя при заданном токе короткого замыкания; обычно она строится на логарифмических осях, где шкала простирается от миллисекунд до часов. Инженеры используют её для проверки скорости срабатывания защиты и координации с другими устройствами в той же цепи.

В чём заключается разница между минимальным временем плавления и общим временем очистки?

Минимальное время плавления — это момент, когда плавкий элемент начинает плавиться при заданном токе, тогда как общее время размыкания включает в себя время плавления и время образования дуги до полного размыкания цепи. Разница между этими двумя диапазонами, как правило, шире при низких токах и резко сужается по мере увеличения тока короткого замыкания.

Как быстро предохранитель с ограничением тока прерывает токовую нагрузку при неисправности?

В случае замыканий с высокой амплитудой тока токоограничивающий предохранитель может отключить цепь за долю цикла сетевой частоты, до того как ток замыкания достигнет своего естественного пика. При более низких уровнях перегрузки по току отключение может занять от нескольких секунд до нескольких минут, поэтому форма кривой имеет большее значение, чем отдельное значение скорости.

Почему кривые токоограничительных предохранителей заканчиваются на определенном уровне тока?

Производители, как правило, публикуют данные по TCC только в пределах проверенного диапазона отключения предохранителя, поскольку при токах ниже минимального порога ограничения тока происходит плавление, характерное для традиционных предохранителей выталкивающего типа. Экстраполяция за пределы опубликованного диапазона сопряжена с риском получения неточных предположений о координации.

Можно ли согласовать два токоограничительных предохранителя, используя только кривые TCC?

Кривые TCC служат отправной точкой для координации, однако инженерам также необходимо проверять значения пропускаемой энергии (I²t), поскольку две кривые, которые на логарифмическом графике выглядят разделёнными, всё же могут пересекаться с точки зрения энергии во время неисправности. Наложение кривых само по себе является полезным первым этапом проверки, но не полноценным исследованием по координации.

Какую информацию необходимо предоставить производителю для запроса кривой TCC предохранителя?

Как минимум, необходимо уточнить класс напряжения, номинальный ток, базовую температуру окружающей среды, а также то, отражает ли кривая средние показатели плавления или включает диапазоны производственных допусков. Цифровые табличные данные кривой, как правило, более полезны для программного обеспечения по согласованию, чем одни только графики.

Как температура окружающей среды влияет на кривую TCC предохранителя?

Опубликованные кривые TCC, как правило, приведены к стандартной температуре окружающей среды, и длительная эксплуатация при температуре выше этой эталонной значения может привести к смещению кривой в сторону более быстрого плавления при заданном токе. Коэффициенты снижения номинальных характеристик, специфичные для конкретного места установки, следует уточнять у производителя в случае монтажа в закрытых помещениях или в условиях высокой температуры окружающей среды.