Medijski center

Ključne besede

Visokonapetostna varovalka, tokovno omejevalna varovalka, rezervna (back-up) varovalka, energetski transformator

Splošno

Varovalke se uporabljajo že od samih začetkov električne distribucije. Čeprav pravi izumitelj varovalke ni znan, so pionirji distribucije hitro vključili varovalke kot »šibke točke« v tokokroge, da bi preprečili pregrevanje ožičenja zaradi prevelikih tokov in zaščitili občutljive žarnice pred nihanji napetosti. Varovalke so se hitro razvile v naprave, ki zaznajo tok, večji od običajnega, in ga hitro prekinejo – vse v samostojni, enostavno zamenljivi enoti. Čeprav se je raznolikost in kompleksnost varovalk tako povečala, da so potrebni uporabniški priročniki, kot je ta, varovalke še vedno zagotavljajo najvišjo stopnjo zaščite po najnižjih začetnih stroških.

Najpreprostejša definicija »varovalke« je, da gre za napravo, ki prevaja tok skozi prevodni del – talilni element –, ki se ob prevelikem toku zaradi samosegrevanja stopi in sproži prekinitev toka. Vse klasične varovalke tok prekinjajo po nastanku obloka med prekinitvami v talilnem elementu, ki nastanejo zaradi taljenja. Čas taljenja varovalke zato imenujemo tudi »predoblokovni« čas. Značilnost varovalk je, da se zaradi talilnega mehanizma pri začetku prekinitve skoraj ne pojavljajo »mehanski« vplivi. Varovalke imajo zato zelo izrazito inverzno časovno-tokovno odvisnost (višji tokovi dajejo krajše predoblokovne čase), kar omogoča izjemno kratke predoblokovne čase pri visokih tokovih, praktično brez omejitve. Prav ta navidezno preprost pojav je v največji meri zaslužen za univerzalni uspeh varovalk skozi zelo dolgo obdobje.

Na splošno so visokonapetostne varovalke (definirane kot varovalke, nazivno > 1.000 V AC) fizično večje in praviloma bolj kompleksne od nizkonapetostnih, saj morajo delovati pri precej višjih napetostih. VN varovalke lahko opravljajo eno ali obe od dveh osnovnih funkcij.

Prva funkcija je odziv na zmerno previsoke tokove, običajno imenovane »preobremenitev«. V tem primeru je nazivni tok varovalke (tok, ki ga je zasnovana prenašati neomejeno dolgo brez degradacije) presežen za razmeroma majhno količino (tipično manj kot 10-krat). Takšni tokovi so lahko posledica prevelike obremenitve tokokroga ali napake, ki obide le del bremena. Opozarjamo, da niso vse vrste varovalk zasnovane za uspešno delovanje pri zelo majhnih preobremenitvah; nekatere so namenjene delovanju le pri visokih tokovih.

Druga funkcija, ki jo praktično vse varovalke opravljajo, je odziv na bistveno višje tokove – »kratkostične« tokove. V tem primeru je skoraj celotno breme obvodeno zaradi velike napake, razpoložljivi tok (če ni omejen z zaščitno napravo – »prospektivni tok«) pa je lahko zelo visok. Vendar se različne vrste varovalk močno razlikujejo po največjem toku, ki ga lahko prekinejo, kar je pomemben dejavnik pri izbiri tipa varovalke za dano uporabo. Način odziva na visoke in nizke prekomerne tokove ter način dejanske prekinitve toka vodi do različnih razredov VN varovalk.

Prva osnovna delitev je na »tokovno omejevalne« in »netokovno omejevalne« vrste. »Tokovno omejevalna« (CL) opisuje razred varovalk, pri katerih se talilni element stali pred prvim vrhom kratkostičnega toka (v manj kot nekaj ms). Ob taljenju taka varovalka zelo hitro vnese upor v tokokrog, tako da tok preneha naraščati in se hitro prisili na nič (še pred naravno ničto tokovno vrednostjo). Ker maksimalni prospektivni vršni tok ni dosežen, varovalka omeji tok po velikosti in trajanju – od tod izraz »tokovno omejevalna«. Upoštevati je treba, da taka varovalka med delovanjem v sistem vnese kratek »konico« prenapetosti (stikalna napetost varovalke) pri omejevanju toka.

»Netokovno omejevalna« varovalka, običajno imenovana izpihalna (expulsion), ob enakih pogojih vnese v tokokrog le majhen upor, zato tok naraste skoraj do istega vrha, kot če se varovalka ne bi stopila. Izpihalno delovanje (nastanek plinov zaradi obloka in njihov izpih skupaj z ioniziranim materialom) ustvari fizično reženj, tako da se ob naravni ničti tokovni vrednosti oblok ne vzpostavi znova in tok se prekine. Tak tip varovalke torej omeji trajanje napake, ne pa tudi njene velikosti.

Tokovno omejevalne rezervne VN/HH varovalke

Pri visokih tokovih rezervne VN varovalke delujejo podobno kot nizkonapetostne varovalke z visoko prekinilno zmogljivostjo, običajno imenovane NH varovalke (nem.: Niederspannungs-Hochleistungs), glej sliko 1.

Vendar pa zaradi visoke povratne napetosti zahtevajo bistveno več zaporednih zožitev talilnega elementa, s čimer se ustrezno poveča število delnih oblokov. Fulgurit se ovija okoli izolacijskega jedra po poti talilnega elementa. Daljši kot oblok gori, debelejši postane fulgurit. Zato mora biti razmik med posameznimi ovoji talilnega elementa dovolj velik, da lahko stikalni oblok sledi zaviti poti in ne preide v ravno, vzdolžno smer. Prav tako mora biti razdalja med talilnim elementom in cevjo varovalke dovolj velika, da fulgurit ne pride v stik z notranjo steno (cevi) in da ne pride do porušitve cevi zaradi velikih temperaturnih razlik. Zadostno visoke stikalne napetosti za učinkovito omejevanje toka nastanejo zaradi medsebojnega delovanja visokega tlaka in intenzivnega hlajenja s talilnim kremenčevim peskom. Visoki kratkostični tokovi v varovalčni cevi ustvarijo visok tlak (do 100 bar) in pospešujejo prekinitev. Prekinilna zmogljivost je omejena le z mehansko odpornostjo ohišja varovalke na tlak.

Največji prekinilni tok I₁, ki mora biti naveden na varovalki, mora biti večji od največjega pričakovanega kratkostičnega toka v obratovanju. Za zagotovitev pravilnega delovanja je potreben tudi minimalni prekinilni tok, da notranji tlak v varovalki doseže zadostno vrednost. Rezervne VN varovalke ne morejo prekiniti nižjih tokov. Če se zožitve talilnega elementa stopijo pri toku, manjšem od minimalnega prekinilnega, bi oblok gorel tako dolgo, da bi se pesek stalil in bi prišlo do uničenja porcelanske cevi. Glede na način vgradnje lahko to povzroči resne posledice.

Minimalni prekinilni tok I₃, ki mora biti označen na napravi, je ena od značilnih nazivnih vrednosti varovalke. Za tokove pod I₃, znane kot »prepovedano območje«, so časovno-tokovne karakteristike označene s črtkano linijo, kar pomeni, da varovalka kljub taljenju elementa ne bo sposobna prekiniti toka. Če se na mestu vgradnje VN rezervne varovalke pričakujejo tokovi v črtkanem območju karakteristike, je treba zagotoviti dodatne zaščitne naprave, npr. kombinacije stikalo-varovalka, ki so zasnovane za prekinitev takih tokov.

Zaščita distribucijskih transformatorjev s tokovno omejevalnimi varovalkami

Namen varovalk

Treba je imeti v mislih, da je primarni namen varovalke transformatorja odstraniti okvarjen transformator iz sistema in zmanjšati tveganje »dogodkovne« odpovedi. Zaščita sistema in omejevanje območja, ki ga okvara prizadene, sta zato zelo pomembna. »Dogodkovna« odpoved transformatorja pomeni zunanjo poškodbo, ki lahko ogrozi ljudi ali premoženje. Poleg teh primarnih koristi lahko varovalke v določenih primerih zagotavljajo tudi zaščito pred preobremenitvijo ali sekundarnimi kratkimi stiki transformatorja. Čeprav to običajno zagotavlja sekundarna zaščita, se včasih zahteva tudi od primarnih varovalk (včasih kot »rezerva« sekundarni zaščiti). Pri izbiri varovalk za transformator je treba upoštevati naslednje želene lastnosti – nekatere se lahko medsebojno izključujejo, zato je treba upoštevati prioritete uporabnika:

a) zaščititi distribucijski sistem pred učinki napak na transformatorju ali v njem in uskladiti delovanje z naslednjo nadrejeno zaščito do največjega razpoložljivega kratkostičnega toka na mestu varovalke

b) zagotoviti čim boljšo zaščito transformatorja pred škodljivimi prehodnimi tokovi (tok skozi transformator ob sekundarni napaki zunaj transformatorja). Stopnja zaščite se določi s primerjavo časovno-tokovne krivulje izbrane varovalke in ustrezne kratkočasovne obremenilne krivulje transformatorja. Obe krivulji je treba prilagoditi razlikam med primarnimi/sekundarnimi faznimi in navitnimi tokovi glede na vezavo in možne tipe napak na sekundarni strani

c) zaznati in izolirati notranje napake transformatorja ter zmanjšati možnost porušitve kotla

d) omogočiti obremenitev transformatorja do maksimalnih praks uporabnika

e) prenesti kombinacijo magnetizacijskega zagonskega toka in priklopa bremena po kratki prekinitvi (do 1 min) ter po daljšem izpadu (30 min in več)

f) zagotoviti usklajenost z zaščitami na sekundarni strani transformatorja

g) prenesti sunke praznjenja skozi transformator z ozemljeno primarno navitjem, ki zaradi strele z dolgovalovnim potekom povzroči magnetno nasičenje (predvsem pri manjših transformatorjih do 25 kVA)

h) prenesti sunčne tokove, ki se lahko praznijo skozi prenapetostno zaščito, nameščeno na strani bremena pred zaščitenim transformatorjem.

Upoštevanje zagonskih tokov (inrush)

Varovalke se lahko poškodujejo, če zagonski tokovi povzročijo delno taljenje talilnih elementov. Magnetizacijski zagonski tokovi ob vklopu transformatorja so lahko visoki, zato jih je treba preveriti v okviru standardnega postopka izbire in koordinacije.

Ob vklopu transformatorja se lahko glede na preostali magnetni tok v jedru in fazo napetosti ob zapiranju stikala pojavijo razmeroma visoki zagonski tokovi. Preizkusi tipičnih transformatorjev in dolgoletne izkušnje z uporabo tokovno omejevalnih in izpihalnih varovalk so prinesli splošno sprejeta vodila za izbiro. Ta upoštevajo tipično vrednost prvega polvala in efektivno (r.m.s.) vrednost v času trajanja običajnega zagonskega toka. Vodila so podana z dvema točkama na časovno-tokovni ravnini, izraženima kot večkratnik nazivne tokovne vrednosti transformatorja. Če ni drugače določeno v navodilih proizvajalca transformatorja, se običajno uporabljata 25-kratnik nazivne vrednosti za 0,01 s (severnoameriška praksa) in/ali 12-kratnik za 0,1 s (splošna praksa). Vrednosti se lahko razlikujejo glede na velikost in zasnovo transformatorja. Te točke primerjamo z minimalno predoblokovno krivuljo varovalke. Če je pri teh točkah karakteristika varovalke nad in desno, varovalka ustrezno prenaša magnetizacijski zagonski tok transformatorja.

Splošna pravila

Tokovno omejevalne varovalke se pogosto uporabljajo za zaščito transformatorjev. Uveljavljena sta dva pristopa, ohlapno poimenovana »evropska« in »severnoameriška« praksa (v mnogih državah uporabljajo enega ali oba). Standardi IEC prepoznavajo razliko v preferenčnih napetostih in izolacijskih nivojih, zato uporabljamo ista izraza tudi pri zaščiti transformatorjev, čeprav nista geografsko zamejena. K izbiri enega ali drugega pristopa prispeva več razlogov; pomembna je gostota odjema. Kjer je veliko odjemalcev na majhnem območju, so večji transformatorji v kombinaciji z RMU (stikalo-varovalka s sprožilcem na udarni igli varovalke ali odklopnik) pogosto ekonomsko ugodnejši – to je »evropska« praksa. Kjer so odjemalci razpršeni, se pogosto posameznim hišam namenja lasten transformator. Kombinacija stikalo-varovalka je tam nepraktična, zato se uporabi bodisi varovalka s »polnim razponom« (Full-Range) bodisi kombinacija rezervne (Back-Up) in izpihalne varovalke, ki skupaj daje polni razpon – to je »severnoameriška« praksa in zahteva posebno koordinacijo.

Časovno-tokovne karakteristike talilnih vložkov

Časovno-tokovne karakteristike VN talilnih vložkov za zaščito transformatorjev naj imajo naslednje lastnosti:

a) razmeroma visok delovni tok v območju 0,1 s, da se prenese zagonski tok transformatorja in doseže dobra koordinacija z zaščitami na sekundarni strani (kjer so vgrajene)

b) razmeroma nizek delovni tok v območju 10 s, da se:

• zagotovi hitro čiščenje napak na navitjih, sekundarnih napak in po potrebi zemeljskih napak na primarni strani

• doseže dobra koordinacija z nadrejenimi zaščitami na strani vira.

Zato naj bodo predoblokovne časovno-tokovne karakteristike talilnih vložkov za to uporabo znotraj naslednjih mej:

I_f10 / I_r ≤ 6

za izpolnitev pogoja b)

I_f0,1 / I_r ≥ 7*(I_r / 100)^0,25

za izpolnitev pogoja a)

kjer so vsi tokovi izraženi v amperih,

I_r je nazivni tok talilnega vložka;

I_f10 in I_f0,1 sta predoblokovna toka, ki ustrezata 10 s in 0,1 s, izražena kot srednji vrednosti s tolerancami po točki 4.11 standarda IEC 60282-1:2009.

Člen (I_r/100)^0,25 upošteva dejstvo, da se predoblokovne časovno-tokovne karakteristike v nizu talilnih vložkov v kratkočasovnem območju razhajajo.

Koordinacija

Naslednja slika ponazarja tipično aplikacijo s talilnim vložkom na VN strani (ali več njih), transformatorjem in možnimi zaščitnimi napravami na strani vira in bremena.

Slika 2 – Karakteristike, povezane z zaščito VN/SN transformatorskega tokokroga

Transformator se najprej izbere glede na zahteve obratovanja. To določi nazivni tok transformatorja, dopustno preobremenitev (kjer je relevantno) in posredno tudi zagonski tok. Talilni vložki na VN strani se nato izberejo za optimalno zaščito tokokroga ob upoštevanju točk a)–d) spodaj.

Glede na sliko 2 velja:

a) minimalna predoblokovna časovno-tokovna karakteristika talilnega vložka na VN strani naj bo desno od točke A, ki definira značilnost zagonskega toka transformatorja. V praksi se lahko vzame približno 12-kratnik nazivne tokovne vrednosti transformatorja za trajanje 0,1 s

b) nazivni tok talilnega vložka na VN strani naj presega nazivni tok transformatorja:

• za znesek, ki omogoča dopustno preobremenitev transformatorja v obratovanju (glej IEC 60076-7 in IEC 60076-12)

• dodatno, če so vložki vgrajeni v ohišje, tako da ne pride do prekoračitve dovoljenih temperatur in da previsoka temperatura talilnega elementa ne povzroči preuranjenega delovanja

• dodatno, če bo temperatura okolice verjetno presegla vrednosti po točki 2 standarda IEC 60282-1:2009

c) v območju 10 s naj bo predoblokovni tok talilnega vložka na VN strani čim nižji, da se zagotovi največja zaščita transformatorja

d) za popolno koordinacijo med varovalkami na primarni in sekundarni strani oziroma drugimi zaščitami na bremenjski strani naj presečišče B med minimalno predoblokovno krivuljo na primarni strani in maksimalno delovno krivuljo naprave na sekundarni strani (pretvorjeno na primarno stran glede na razmerje) nastopi pri toku, večjem od maksimalnega kratkostičnega toka na bremenjski strani sekundarne zaščite.

Če želene stopnje koordinacije ni mogoče doseči, je treba ponovno preučiti izbor ali nastavitve nadrejene zaščite na strani vira. Podobno bo morda treba znižati najvišjo nazivno vrednost varovalk na sekundarni strani.

Bibliografija

[1] IEC/TR 62655 Ed.1, 2013-05, Tehnično poročilo »Učni in aplikativni vodnik za visokonapetostne varovalke«

[2] Dr.Ing. Herbert Bessei, FuseXpert, »Fuse Manual, Power fuses, Manual for users of low-voltage and high-voltage fuses«, NH/HH Recycling, 4. izdaja 2011

[3] ETI Izlake – tehnične informacije o SN talilnih vložkih