HS Smeltpatronen HS. Quercus Technical Services B.V.

Transcriptie

1 HS Smeltpatronen HS

2 Inhoudsepgave Inleiding Opbouw en eigenschappen 2.1 Het principe 2.2 Minimum uitschakelstroorn 2.3 Overspanningen 2.4 Stroom-tijd karakteristieken 2.5 Maximale doorlaatstroom Selectiviteit bij kortsluitstromen Toepassingen 3.1 Kortsluìtbeveilìgingen van nettransforrnatoren 3.2 Kortsluitbeveiligíng bij motoren 3.3 Opmerking betreffende aardfoutstromen Bedrijfsvoering en onderhoud 4.1 Uitwisselen van defecte smeltveiligheden 4.2 Preventief onderhoud _\OOD\I\IO\CÌ Opgaven 18

3 1. Inleiding in de hoogspanning worden net als in de laagspanning ook smeltpatronen gebruikt voor de bescherming van de installaties. Smeltpatronen voor toepassing in hoogspanningsinstallaties worden geleverd tot een nominale spanning van 36 kv. Kortsluitstromen kunnen door smeltveiligheden zowel in de laagspanning als in de hoogspanning zeer goed worden afgeschakeld. Met overstromen hebben smeltpatronen meer moeite. Zowel in de hoogspanning als in de laagspanning wordt door middel van het toepassen van smeltpuntverlagende middelen getracht om een stroom in het overbelastingsgebied correct af te schakelen. In de laagspanning is dit uitstekend gelukt. Doordat in de hoogspanning de spanning die over de (kleine) onderbreking komt te staan in geval van het afschakelen van een overstroom zo hoog is, treedt hier vaak een herontsteking op. De meeste patronen in de hoogspanning hebben dan ook een minimum onderbrekingsstroom die ca. 2,5 tot 6 x de nominaalstroom kan zijn. Stromen in dit overstroomgebied worden niet betrouwbaar afgeschakeld en leiden vaak tot beschadiging van de installatie (zie Figuur 1.1). Kortsluitstromen, zoals reeds eerder genoemd kunnen heel goed worden afgeschakeld door smcltpatronen. Doordat hoge kortsluitstromen reeds tijdens het ontstaan worden afgeschakeld reduceren ze de grootte van de stootkortsluitstroom en thermische kortsluitstroom aanzienlijk. Dit noemt men de stroomkappende werking van een smeltpatroon. Minimum uitschakelstroom (minimum breaking current In ) Een HS-smeltveiligheid heeft een minimumstroom, waarbij nog met zekerheid wordt afgeschakeld. Men noemt deze waarde de minimum uitschakelstroom l deze bedraagt bij: 0 Standaard patronen: I hc : ca 31 (General purpose fuse);. backup patronen: Imhc : ca 6. I. fullrange patronen: l bc : In. Figuur 1.1 Stromen in het gebied tussen 1 en I bc kunnen door een smeltveiligheid moeilijk geblust worden en de mogelijkheid bestaat zelfs dat deze explodeert. Dit houdt in dat de IIS-smeltveiligheid niet voor overstroombeveiliging bruikbaar is. Ondanks het feit dat het fullrange patroon overstroom wel zou kunnen uitschakelen, wordt ook dit type hier niet voor toegepast.

4 Opbouw en eigenschappen 2.1 Het principe In Figuur 2.1 is een smeltveiligheid voor gebruik in middenspanningsinstallaties afgebeeld.....'i l \, Figuur 2.1 Doorsnede van een smeltveiligheid (Holec) Een dergelijke veiligheid bevat meerdere parallel geschakelde metalen banden, waarin enkele insnoeringen zijn aangebracht en die omgeven zijn door fijnkorrelig kwartszand als blusmiddel Het geheel is ondergebracht in een geglazuurde porseleinen buis. De stroom toe- en afvoer vindt plaats via verzilverde metalen kappen, die aan beide zijden op deze buis zijn geperst. Bij sommige smeltpatronen wordt gebruik gemaakt van een meldstìft die gebruikt kan worden om bijvoorbeeld in geval van het aanspreken van een patroon een lastschakelaar driepolig uit te laten schakelen. De kortsluitstroom is dan door de smcltpatroon afgeschakeld, de meldstift zorgt ervoor dat er ook driepolig wordt afgeschakeld. De meldstift is verbonden met een parallel aan de smeltbanden geschakelde smeltdraad. Wanneer deze smeltbanden doorsmelten verdampt de smeltdraad en geeft een veer vrij, die de meldstift ongeveer 3 cm naar buiten laat springen. Een pijl aangebracht op de buitenzijde van de porseleinen buis geeft de bewegingsrichting van de meldstift aan. Figuur 2.2 Meldstift (Striker pin) Wanneer een smeltveiligheid een kortsluitstroom voert, smelten en verdampen de hoofdsmeltbanden bij alle insnoeringen reeds tijdens het aangroeien van de kortsluitstroom. Op deze insnoeringen branden lichtbogen, die door het blusmiddel zo sterk worden gekoeld, dat de spanning over deze lichtbogen groter is dan de bedrijfsspanning. Daardoor ontstaat een snelle stroomafname en wordt de kortsluitstroom nog tijdens de aangroeiperiocle onderbroken. De afmetingen van de smeltveiligheden zijn genormaliseerd. De lengte en diameter van de buis en de afmetingen van de contactkappen zijn hierbij vastgelegd. Er wordt hier veel gebruik

5 gemaakt van de Duitse normen zoals aangegeven in blad DIN 43625, of de Britse normen vastgelegd in B Minimum uitschakelstroom De thermische belasting bij het uitschakelen is bij een smeltveiligheid in een bepaald middengebied in het stroombereik het grootst. Men noemt dit het kritisch gebied. Ook de hoeveelheid ontwikkelde verlieswarrnte bij het voeren van de nominale bedrijfsstroom is door de toepassing in compacte gesloten installaties een belangrijke factor. De elektrotechnische industrie heeft de smeltveiligheid in het kritische gebied steeds meer betrouwbaar weten te maken en de toepasbaarheid weten te vergroten. Door een optimale verhouding tussen de doorsnede van de insnoeringen en de doorsnede van de in parallelle bandjes opgedeelde smeltband wordt bereikt dat, voor een standaard patroon, in het overstroomgebied de waarde van de minimum uitschakelstroom l = ca 3-1 is. Om explosie van de smeltpatroon bij een geringe overstroom te verhinderen wordt gebruik gemaakt van een smeltpuntverlagend middel ("M-effect", genoemd naar A.W. Metcalf). In het midden van elke smeltband wordt hiertoe een druppel tiri aangebracht. Bij langdurige verwarming van de zilveren smeltbanden in het overstroomgebied smelt het tin bij een temperatuur van circa 200 C en legeert zich met het nog vaste zilver. Deze legering heeft een lager smeltpunt dan de smelttemperatuur van zilver, dat ligt bij ca 1000 C Op deze Wijze wordt ook in het overstroomgebied (3 tot ca 10. In) de stroom betrouwbaar onderbroken. Als er een overstroom door een patroon loopt zal het tin langzaam in het zilver dringen. Wordt deze overstroom afgeschakeld, door een schakelaar elders, dan is de patroon blijvend veranderd. De patroon zal een volgende overstroom sneller afschakelen. Dit effect wordt veroudering van een patroon genoemd. Bij fullrange patronen worden door extra constructieve maatregelen, bijvoorbeeld veel parallelle smelt bandjes, de thermische opwarming tijdens geringe overstroom zover beperkt dat vanafde ln alle stromen betrouwbaar onderbroken worden. Bij backup patronen is het smeltpunt verlagend tin weggelaten. Het kritische gebied is daardoor wel veel groter. I bc): ca 6. In. Veroudering van dit type patroon zal echter niet optreden. Voor toepassing als kortsluitbeveiliging van motoren is dit patroon bij voorkeur geschikt: er treedt geen veroudering op door de aanloopstroom. 2.3 Overspanningen In IEC-normen worden maximale waarden aangegeven voor de overspanningen, die tijdens het afschakelen ontstaan. Bij de meeste fabrikanten blijven deze spanningen belangrijk onder de aangegeven waarde van 2,2woudige topwaarde van de nominale spanning.

6 l 2.4 Stroom-tijd karakteristieken In de karakteristiek in figuur 2.3 is de gemiddelde smelttijd aangegeven in relatie tot de effectieve waarde van de stationaire kortsluitstroom Ik op de plaats van de inbouw. Het tolerantiegebied bedraagt doorgaans i 10% van deze stroomwaarden. l - 60 l minuten _A 10 seconden 0, ik (A) *_* figuur 2.3 Stroom-tijd-karakteristieken van HS-smeltveìligheden (ABB CEF) 5-seconden-stroom In uitgestrekte netten waar smeltveiligheden worden toegepast voor de beveiliging van kabels dient volgens IEC voorschrift - te worden nagegaan of de kortsluitstroom aan het eind van de kabel of aan het eind van het te beveiligen traject binnen 5 seconden wordt afgeschakeld. Voor een 80 A smeltveiligheid uit figuur 2.3 bedraagt de 5-seconden stroom: ca. 380A.

7 2.5 Maximale doorlaatstroom Ikap In het hoofdstuk Schakelmateriaal wordt het stroombegrenzende gedrag van een smeltveiligheid verder genoemd als één van de middelen om de kortsluitstroom te reduceren in het gebied achter de plaats van inbouw. ì smelttijd. boogtijd. - > i. ;. _ _. _i < loms figuur 2.4 De kapstroom en smelttijd Afhankelijk van de waarde van: 1 de nominale stroom I van de smeltveiligheden, 2. de kortsluitstroom ik boven een drempelwaarde. Bereikt de kortsluitstroom niet de topwaarde van maximaal 1,75 ' \/2 - l'k maar wordt al ruim voor bij het bereiken van de maximale topwaarde door de zeer korte smelttijd t$ in zijn hoogte begrensd (zie figuur 2.4) tot de kapstroom I ofmaximale doorlaatstroom. De tijd, die verloopt tussen het moment dat de boog ontstaat en de algehele stroomonderbreking noemt men de boogtijd th. In figuur 2.5 zijn de kapstroomkrommen gegeven, waaruit 1 met de effectieve waarde van de kortsluitstroom Ik ( ideële kortsluitstroom) en de nominale stroom van de smeltveiligheid In is te bepalen.

8 Voorbeeld: Gevraagd wordt de kapstroom te bepalen van een 100 A smeltveiligheicl wanneer de effectieve ( ideële ) kortsluitstroom bedraagt: Ik : 20 ka. ( horizontale as) Uit de figuur 2.4 volgt: 1de : 12,5 ka. ( afgelezen op verticale as) De stootkortsluitstroorn bij 1k : 20 l<_a is 2,5 maal dus 15 is 50 ka. De zekering heeft deze waarde van 50 ka verminderd tot 12,5 ka 105 piek stroom (A) 103 u. : : :. ideële kortsluitstroom (A) figuur 2.5 Kapstroomkrommen van 'MS'-smeltveiligheden (6-250 A)»1o_

9 2.6 Selectiviteit bij kortsluitstromen De smelttijd heeft bij grote kortsluitstromen een waarde, die kleiner is dan 5 ms. Dit kan in de doorsmelt karakteristiek worden weergeven. Ook de boogtijd is bij dergelijke kortsluitstromen niet meer te verwaarlozen ten opzichte Van de smelttijd. Toch dienen in serie geschakelde smeltveiligheden selectief te zijn. Om dit te kunnen bepalen geeft de leverancier de zogenaamde doorsmelt energie waarde voor elk type als functie van de kortsluitstroom in op. Deze grafieken staan bekend onder de naam Joule-intergraal-karakteristiek. Deze srneltwaarde is een maat voor de hoeveelheid energie, die benodigd is om een smeltveiligheid te doen doorsmelten en wordt opgegeven als IZ-t Waarde. Deze waarde is constant voor elk exemplaar met een bepaalde nominale stroom bij een bepaald type en is onafhankelijk van netomstancligheden. Aan de hand van de installatie in figuur 2.6 wordt de selectiviteit tussen twee smeltveiligheden verduidelijkt. lkap. A lsmelt* î. FI : E B ' F2 E : ị! : srne ltt"d: ') boogtijd -- t le _ _ _q < l0ms figuur 2.6 Selectiviteit tussen twee figuur 2.7 Kapstroom, smelt- en boog- tijd van zekering smeltveiligheden F2 Op de verdeling B vindt een sluiting plaats. De kortsluitstroom Ik vloeit door de smeltveiligheden Fl en FZ. in beide smeltveiligheclen ontstaat een warmteontwikkeling in de smeltdraden. Het is de bedoeling, dat alleen de smeltdraden van FZ doorsmelten. In figuur 2.7 is de kortsluitstroom weergeven, die wordt afgekapt door FZ. De totale tijd dat de kortsluitstroom vloeit is t : t; + th (smelttijd en boogtijd). Na de smelttijd t5 is de smeltveiligheid FZ doorgesmolten. De stroom neemt nu af, Ik : maar loopt dus nog door Fl en zal daar het doorsmelt proces voortzetten totdat de stroom is geblust door FZ. 11

10 De energie (lzt) die tijdens het doorsrnelten en blussen door beide smeltveiligheden loopt is weergegeven in figuur 2.8 _. l2-t (A-s) î doorlaat energie Fl ;:..-_-_ doorsmelt - energie Fl doorlaat energie F ,.... doorsmelt energie F2 smelttijd F2 bmgn id F2 smelttijd F1 boogtijd Fl figuur 2.8 l2t waarde van de smeltveiligheden F1 en FZ Gedurende de boogtijd blijft de doorlaat energie van smeltveiligheid F2 toenemen. Zolang de doorsmelt energie van F1 niet wordt overschreden zal deze ook niet doorsmelten waardoor de selectiviteit gewaarborgd blijft. Als de doorlaat energie van F2 echter de doorsmelt energie van Fl te dicht nadert kan F1 wel beschadigen. Men stelt nu dat de selectiviteit gewaarborgd is, wanneer de doorsmelt energie waarden van de in de serie geschakelde smeltveiligheden zich tenminste verhouden als 1:2. Een voorbeeld van doorsmelt karakteristieken( Joule-intergraal) voor fullran patronen is gegeven in de Telex. In de praktijk wordt het in serie schakelen van HS patronen niet vaak toegepast.

11 Toepassingen 3.1 Kortsluitbeveiligingen van nettransformatoren De smeltveiligheid wordt veel gebruikt voor het beveiligen tegen kortsluiting in kleine nettransformatoren. Deze oplossing is minder kostbaar dan het installeren van een vermogenschakelaar met beveilingsmiddelen en vergt minder plaatsruimte. Om te beveiligen tegen overbelasting zal men aan de laagspanningszijde van de transformator de passende maatregelen dienen te nemen. Bij de keuze van de nominale stroomwaarde van de smeltveiligheden dient men te bedenken dat bij het inschakelen van de transformator de nullast-inschakelstroorn optreedt, welke een waarde kan bereiken van het lo---lz voudige van de nominale transformatorstroom. In de praktijk komt dit erop neer, dat men de smeltveiligheid dient te kiezen voor een waarde welke het l,5u-z,s voudige is van de nominale stroom I van de transformator (in : Su/( \/3 U"). Als vuistregel: ln(patroon) : %(trafo) [3.1] waarin: I (patroon) : de nominale stroom van de smeltveiligheid (A), S (trafo) : het nominale vermogen van de transformator ( VA okaa), U (trafo) : De nominale spanning van de transformator (V oka). De beveiligingsmiddelen voor en na de gekozen smeltveiligheid dienen hiermede selectief te zijn. Indien volledige selectiviteit niet kan worden bereikt is veelal een gedeeltelijke selectiviteit ook acceptabel. Er dient te worden nagegaan welk gebied dit betreft en ofhet optreden van de stroomwaarde in dit gebied waarschijnlijk kan worden geacht. 13

12 3.2 Kortsluitbeveiliging bij motoren Smeltveiligheden worden bij het inschakelen van motoren door de aanloopstroom vaak ontoelaatbaar belast. Om een ongewenste afschakeling tijdens het aanlopen te voorkomen, moet men er voor zorgen dat de doorsmeltstroom van de smeltveiligheid groter is dan de aanloopstroom. De aanlooptijd en het aantal inschakelingen per uur zijn hierbij tevens belangrijke factoren. Het type smeltveigheid dat wordt toegepast is het Back-up patroon. Dit patroon heeft geen smelpunt verlagend tin op de smeltbandjes. l let verouderd dan ook niet door de aanloopstroom. De minimale uitschakelstroom ligt aanmerkelijk hoger als bij standaard patronen. Deze bedraagt ca De IECpublicatie 644 geeft richtlijnen waaraan de karakteristieken dienen te voldoen in verband met bovenstaande gebruiksmogelijkheid. De leveranciers van smeltveiligheden verstrekken tabellen en karakteristieken. Hieruit kan dejuiste nominale stroom worden gekozen in relatie tot de motorgegevens en de bedrijfsomstandigheden teneinde een bedrijfszekere kortsluitbcveiliging te verkrijgen. 3.3 Opmerking betreffende aardfoutstromen Als er een aardfout optreedt in een zwevend middenspanningsnet, zal de aardfoutstroom worden bepaald door de capaciteit van dit net. Tezamen met de aanwezige belastingstroom kan de stroom door de smeltveiligheid een waarde bereiken die ligt tussen de nominale - en de minimum uitschakelstroom. De afschakeling wordt dan problematisch. Wanneer deze situatie zich voordoet, kan men de smeltveiligheden combineren met een driepolige lastscheider. Door het inbouwen van een beveiligingsmiddel dat op de aardfoutstroom reageert kan men de lastscheicler uitschakelen. Een goede oplossing is het aanbrengen van een doorsteek-ringstroomtransformator om de kabel van het betreffende veld. Bij een aardfout is de som van de fasestromen ongelijk aan nul zodat in de wikkeling van de stroomtransformator een verschilstroom ontstaat. Indien nu hierop een onafhankelijk maximumstroomtijdrelais wordt aangesloten kan het beoogde doel bereikt worden. In figuur 3.l is één en ander schematisch weergeven terwijl tevens een dergelijke demonteerbare ringstroomtransformator is afgebeeld. Een ander veel toepaste oplossing is het Full range patroon. Dit patroon heeft door de inwendige constructie wel de capaciteit om iedere stroom boven zijn nominale te onderbreken en heeft geen beperkingen door de minimale uitschakelstroom. 14

13 \i L1 r'? L2 <17la3 _3 CL_Ca_Caf ' a t_j l ; 0 lastscheider r t.. J _ aar rail \1.\ à : l na % î : % l ' Î ringkerntransformator... «H. _} E :\ \) aard litze j. : l»aardscherm 2l/ Ë.- kabel. figuur 3.1 Aardfoutbeveiliging met een ringkerntransformator om een afgaande kabel. Letop de doorvoer van de aard litzeclraadll

14 Bedrijfsvoering en onderhoud 4.1 Uitwisselen van defecte smeltveiligheden Defecte smeltveiligheden dienen te worden vervangen. In IEC-normen wordt aanbevolen om in een draaistroomnet bij het aanspreken en uitschakelen van één smeltveiligheid in één fase de smeltveiligheden in de andere twee fasen ook te vervangen. De achtergrond is dat bij een tweefasen- of driefasenkortsluìting enige smeltbandjes van de niet doorgesmolten patronen, door de over ofkortsluitstroom, onderbroken zijn. De patroon is dan verouderd. Bij zijn nominale stroom zal de patroon dan de het kritische gebied komen. De doorgesmolten bandjes verlagen in feite zijn nominaal stroom. Bij gesloten systemen (Magnefîx) kan men op eenvoudige wijze de smeltveiligheden, meestal in kunststofhouder met bajonetsluiting geplaatst zijn, uitwisselen. 4.2 Preventief onderhoud De relatief dunne smeltbanden kunnen op den duur door mechanische trillingen en/of corrosie defect raken. Zoals reeds aangegeven zijn meestal een aantal van deze banden parallel geschakeld zodat vaak na verloop van tijd storing optreedt. De kans hierop wordt verkleind door af en toe de weerstand van de smeltveiligheden op te meten en te vergelijken met de nieuwwaarden zoals deze door de leverancier zijn opgegeven. Deze weerstand bedraagt bij smeltveiligheden met een nominale spanning van 10 kv en een nominale stroom van 6,3 A ongeveer O,7.Q. Voor een smeltveiligheid met een nominale stroom van In: 100 A bedraagt deze waarde ongeveer 7 mg. Gezien de lage waarden van de weerstanden bij hogere nominale stroomsterkten kan deze weerstanden het meest nauwkeurig worden bepaald met behulp van een stroombron en mv meter. 16

15 5. Opgaven Gegeven is de installatie uit figuur figuur 2.6 Smeltpatroon Fl: 63 A. Smeltpatroon F2: 40 A. De patronen zijn van het Fullran type fabrikant Holec. Voor de karakteristieken zie Telex. Waarom bestaat er selectiviteit tussen de beide patronen indien het kortsluitvermogen in het 10 kv-net ca. 100 MVA bedraagt? Bepaal ook de 5 s. stromen voor beide patronen. Aanwijzing: De karakteristieken kunnen verlengd worden (extrapoleren). De lijnen blijven dan horizontaal verder lopen. Bepaal uit figuur 2.4 de kapstroom van een 63 A patroon, die is geïnstalleerd in een 10 kvnet met een kortsluitvermogen SL van 86,6 MVA Hoe kan men voorkomen dat een smeltpatroon voor het beveiligingen van een transformator in een zwevend 10 kv net explodeert door een aardfout in de voeding naar de transformator? Een zekering Iastschakelaar beveiligt een 1000 kva transformator. Hoe voorkomt men dat de inrushstroom de zekeringen beschadigd. Welk type patroon wordt over het algemeen toegepast bij de beveiliging van HS motoren? 18