Загрузите наш каталог продукции 2025 года, чтобы ознакомиться с подробными чертежами и техническими параметрами всех компонентов распределительного устройства.
Получить каталог Загрузите наш каталог продукции 2025 года, чтобы ознакомиться с подробными чертежами и техническими параметрами всех компонентов распределительного устройства.
Получить каталог
Защита трансформатора с помощью VCB зависит от понимания электромагнитных переходных процессов, возникающих при подаче напряжения и в условиях неисправности. При устранении неисправностей координации защиты на 40 с лишним подстанциях мы выяснили, что наиболее серьезная проблема заключается в том, чтобы отличить пусковой ток намагничивания от истинного повреждения - проблема, которая приводит к 60-70% неприятных срабатываний в трансформаторных установках среднего напряжения (от 6,6 кВ до 36 кВ).
Когда трансформатор находится под напряжением, магнитопровод может насыщаться несимметрично, в зависимости от угла переключения формы напряжения. Такое насыщение приводит к возникновению пусковых токов, в 8-12 раз превышающих номинальный ток трансформатора (In) в течение 0,1-3,0 секунд. Форма волны содержит значительное количество вторых гармоник (обычно 15-30% от основной), что отсутствует в токах короткого замыкания, которые имеют преимущественно основную частоту.
https://xbrele.com/vacuum-circuit-breaker/ Системы VCB усложняются за счет высокой скорости размыкания контактов (0,8-1,2 м/с) и превосходной дугогасящей способности при нулевом токе. В отличие от масляных или SF₆ выключателей, которые демонстрируют постепенное прерывание тока, VCB обеспечивают чистое прерывание тока при величинах до 2-5 А. Эта характеристика прерывания может генерировать высокочастотные переходные перенапряжения (до 3,5 на единицу номинального напряжения), которые напрягают изоляцию трансформатора и вызывают срабатывание элементов защиты от перенапряжения.
Измерения в полевых условиях показывают, что коэффициент второй гармоники (I₂/I₁) обычно составляет 20-40% во время пуска, но падает ниже 10% во время внутренних повреждений. Однако быстрое устранение неисправностей с помощью VCB - как правило, в течение 3-5 циклов при частоте 50 Гц - требует координации времени между вышестоящими и нижестоящими защитными устройствами в течение 0,2-0,4 секунды для поддержания селективности.
Пусковой механизм запускается в момент замыкания. Для создания потока в сердечнике трансформатора требуется ток намагничивания. Если напряжение питания переключается при переходе через ноль, а остаточный поток уже существует в той же полярности, сердечник входит в глубокое насыщение. В результате ток намагничивания формирует сильно искаженные формы сигналов, которые защитные устройства должны отличать от реальных условий повреждения.
Коммутационные характеристики VCB усиливают эту проблему. В отличие от старых масляных прерывателей, вакуумные прерыватели быстро замыкают контакты в течение 40-60 миллисекунд, не обеспечивая предварительного сопротивления для ограничения броска напряжения. Резкое повышение напряжения (di/dt до 5 кВ/мкс) приводит к насыщению сердечника быстрее, чем у устройств с воздушным сердечником. Полевые испытания в горнодобывающей промышленности с частыми переключениями трансформаторов показали, что VCB без алгоритмов блокировки пусковых импульсов имели ложные срабатывания в 18-22% случаях, когда мгновенные элементы перегрузки по току были установлены ниже 6× номинального тока.
Затухание пускового тока происходит по экспоненциальной кривой, зависящей от соотношения X/R трансформатора. Для типичных распределительных трансформаторов (X/R между 10-15) доминирующая вторая гармоника затухает до уровня менее 15% в течение 0,3-0,5 секунды, а остаточный пусковой ток может сохраняться в течение 2-4 секунд в зависимости от марки стали сердечника и условий нагрузки.
Зазор между контактами вакуумного прерывателя (обычно 10-14 мм в системах среднего напряжения) и способность к быстрому гашению дуги (в течение 5 мс при нулевом токе) означают, что после подачи команды на отключение прерывание происходит практически мгновенно. По сравнению с более медленными выключателями SF₆, существует минимальный временной интервал для логики дискриминации, чтобы предотвратить ошибочное отключение.
Сдерживание второй гармоники
Современные цифровые реле достигают дискриминации путем сравнения составляющей 100 Гц (в системах 50 Гц) с основной составляющей 50 Гц в режиме реального времени, блокируя команды отключения, когда соотношение подтверждает пусковые характеристики, а не условия повреждения. Согласно стандарту IEEE C37.91 (применение защитных реле), методы ограничения гармоник должны применяться, когда отношение второй гармоники превышает 15% от основной составляющей при включении трансформатора.
Пусковые токи содержат 15-30% второй гармоники в течение первых трех циклов, в то время как неисправности обычно показывают <5%. Установка пикапа ограничения гармоник ниже 12% или времени наблюдения менее 5 циклов предотвращает эффективную дискриминацию. Чтобы убедиться в правильности дискриминации, запишите осциллограммы тока при включении трансформатора с помощью записей событий реле. Если отключения происходят в течение первых 200 миллисекунд и осциллография показывает высокое содержание вторых гармоник, увеличьте порог сдерживания гармоник с 15% по умолчанию до 20% с шагом 2%.
Координация по времени и току
Нарушения координации защит приводят к тому, что вышестоящие устройства VCB срабатывают раньше, чем нижестоящие устройства изолируют повреждения. Критическим параметром является разделение кривой время-ток: поддерживайте время дискриминации между зонами защиты не менее 0,3 секунды при всех значениях тока до 10 кА. Интервалы времени координации (CTI) менее 0,3 секунды между вышестоящими и нижестоящими защитными устройствами создают ложную селективность.
Кривые реле сверхтока должны поддерживать этот запас при любых уровнях тока повреждения. Проверки на местах показывают, что в 45% установках используются стандартные инверсные кривые (SI), в то время как очень инверсные (VI) или крайне инверсные (EI) кривые лучше подходят для пусковых режимов. Для трансформатора мощностью 1000 кВА с импедансом 5% настройка отбора должна составлять 125-150% от тока полной нагрузки (приблизительно 1,5-1,8 кА при вторичном напряжении 400 В).
Выбор КТ и нагрузка
Для полевых измерений требуется тестирование трехфазного тока на клеммах реле. Подавайте токи при 125%, 150%, 200% и 500% настройки срабатывания реле, измеряя время срабатывания с миллисекундным разрешением. Фактическое время срабатывания, превышающее расчетные значения более чем на 50 миллисекунд, свидетельствует о деградации реле или эрозии контактов в механизме VCB, требующей технического обслуживания.
[EXPERT INSIGHT: Harmonic Restraint Configuration]
Полевые проверки схем защиты трансформаторов в 150 с лишним установках среднего напряжения показали, что на ошибки настройки приходится 68% неприятных срабатываний VCB при подаче напряжения. Вот пять критических ошибок и их решения:
Установка мгновенной защиты от сверхтоков ниже 8-10-кратного номинального тока трансформатора является основной причиной срабатываний при бросках тока. Мы зафиксировали случаи, когда 51 реле было настроено на 5×Iн, что приводило к немедленному срабатыванию при несимметричных пусковых токах, достигавших 12×Iн в течение первых 50 мс.
Фикс: Установите мгновенные элементы выше пиковой величины броска напряжения с запасом прочности - обычно 12-15× In для распределительных трансформаторов. Согласно IEEE C37.91, намагничивающие броски могут сохраняться на уровне 3-5× In в течение 0,1 секунды в трансформаторах мощностью более 5 МВА.
По данным промышленных исследований, в 42% несогласованных схемах использовались CTI 0,15-0,2 секунды, что недостаточно для учета времени работы VCB (40-80 мс), перебега реле и погрешности ТТ при больших токах КЗ.
Фикс: МЭК 60255 рекомендует минимальный CTI 0,3-0,4 секунды для электромеханических реле и 0,2-0,3 секунды для цифровых устройств, но в полевых условиях часто требуется 0,4 секунды независимо от типа реле.
Современные многофункциональные реле включают алгоритмы сдерживания второй гармоники, позволяющие отличить пусковой ток от тока повреждения, однако в 35% проверенных установках эта функция либо отключена, либо пороговые значения установлены неверно.
Фикс: Включите подавление гармоник с подхватом при содержании второй гармоники 15-20% и временем контроля не менее 5 циклов (100 мс в системах 50 Гц).
Применение защиты от остаточного заземления при первичном токе ниже 10 А на трансформаторах с кабельным питанием вызывает отключение при емкостных переходных процессах заряда. Кабельные системы генерируют зарядный ток 0,5-1,5 А/км при напряжении 10 кВ; фидер длиной 2 км генерирует 2-3 А в установившемся режиме.
Фикс: Параметры замыкания на землю должны превышать 3× зарядный ток - обычно 20-50 A для сетей среднего напряжения - при сохранении чувствительности в соответствии с местными стандартами заземления.
Мгновенный элемент (функция 50) часто устанавливается на 6× номинального тока, когда пиковые значения пускового тока достигают 8-12× при подборе холодной нагрузки после длительного отключения.
Фикс: Установите мгновенный элемент выше максимального пускового тока - обычно 12-15× номинальный ток - или полностью отключите его на время ограничения (0,3-0,5 секунды).
Параметры системы:
Шаг 1: Рассчитайте номинальный и пусковой токи
Номинальный первичный ток: Iн = 1250 кВА / (√3 × 10,5 кВ) = 68,7 А
Максимальный пусковой ток (наихудший случай): 12 × 68,7 A = 824 A, продолжительность 0,1-1,5 секунды
Шаг 2: Настройте элемент мгновенного действия (ANSI 50)
Настройка пикапа: 12 × 68,7 A = 824 A (выше максимального пика пускового тока)
Включение сдерживания второй гармоники: порог 18%, 0,5-секундный таймер контроля
Задержка на определенное время: 0,2 секунды (резерв на случай отказа гармонической блокировки)
Шаг 3: Установите кривую сверхтока по времени (ANSI 51)
Тип кривой: Стандартная обратная кривая IEC
Подборка: 1,25 × 68,7 A = 86 A
Множитель времени: 0,15 (устраняет перегрузку 3× за 8 секунд, координирует работу с вышестоящим фидером с запасом в 0,5 секунды)
Шаг 4: Проверка адекватности КТ
Предельный коэффициент точности (ALF) = 10 → насыщение при 10 × 150 A = 1500 A первичного тока
Возможность сквозного замыкания: доступный ток замыкания 25 кА соответствует 25000 × (5/150) = 833 А вторичного тока в пределах линейного диапазона без насыщения
Шаг 5: Сезонная корректировка
Для наружных установок, работающих при температуре -10°C, увеличьте таймер контроля гармонического сдерживания до 0,8 секунды, чтобы учесть увеличение продолжительности пускового импульса в холодных условиях окружающей среды.
Результат: Эта конфигурация выдерживает 50+ пусковых импульсов без аварийного отключения, устраняет внутренние повреждения за 0,05 секунды (мгновенно) и поддерживает 0,5-секундную селективность с защитой фидера выше по потоку.
[ИНСАЙТ ЭКСПЕРТА: проверка ввода в эксплуатацию на месте]
Полевые испытания и процедуры ввода в эксплуатацию требуют систематической проверки координации защиты, времени срабатывания выключателей и настроек дискриминации по пусковым нагрузкам. В ходе наших внедрений на 85 с лишним промышленных подстанциях с распределительными трансформаторами 11 и 33 кВ 60% аварийных отключений были связаны с недостаточной проверкой ввода в эксплуатацию, а не с ошибками проектирования.
Протокол испытаний первичной инъекции
Первичная инжекция проверяет всю цепь защиты от трансформаторов тока через релейные элементы до катушек отключения VCB. Процедура требует инжекции трехфазного тока во время мониторинга:
Для проверки сдерживания пускового тока подайте однофазный ток намагничивания с содержанием второй гармоники на уровне 15-20% от основной. Реле должно продемонстрировать сдерживание при коэффициенте гармоник выше порогового значения 15%, разрешая отключение при затухании гармоник ниже 12%.
Проверка целостности вакуума
Измерение контактного сопротивления каждого вакуумного прерывателя с помощью микроомметра должно давать значения менее 100 мкОм для новых установок и менее 150 мкОм для эксплуатируемых прерывателей. Значения, превышающие 200 мкΩ, указывают на эрозию или загрязнение контактов, требующие замены прерывателя.
Механические испытания VCB проверяют время движения контактов с помощью высокоскоростного регистрирующего оборудования, при этом типичные значения составляют 40-60 мс для операций замыкания и 20-35 мс для операций размыкания при номинальном напряжении. Согласно п. 6.111 стандарта IEC 62271-100, вакуумные выключатели должны демонстрировать постоянное время механического срабатывания в пределах допуска ±5 мс в течение 10 последовательных операций в условиях холостого хода.
Целостность вакуумного прерывателя напрямую влияет на способность прерывания дуги. При полевых испытаниях используются высоковольтные испытания на стойкость при 80% номинальном напряжении грозового импульса (обычно 75 кВ для VCB класса 12 кВ) через разомкнутые контакты. При испытаниях на устойчивость к частотному напряжению на выключателях с номинальным напряжением 12 кВ применяется напряжение 42 кВ в течение 1 минуты.
Работа дифференциального трансформатора (87T) во время пускового тока
Когда токи короткого замыкания приближаются к номинальной отключающей способности VCB (часто 25-40 кА для приложений среднего напряжения), трансформаторы тока с нагрузкой, превышающей номинальную 15 ВА при 5 А на вторичной обмотке, могут насытиться, искажая точность измерения реле и вызывая неправильную работу дифференциального реле.
Насыщение ТТ на одной обмотке создает ложный дифференциальный ток во время пусковых переходных процессов. Современные многофункциональные реле перекрестно блокируют дифференциальные элементы с ограничением гармоник для предотвращения срабатывания. Процентные дифференциальные характеристики должны быть сконфигурированы с крутизной 20% 1 и крутизной 50% 2 в соответствии с рекомендациями IEC 60255-187 для трансформаторных приложений.
Срок службы и ресурс контактов при сквозном замыкании
Каждое сквозное замыкание (замыкание за трансформатором, устраненное нижестоящим выключателем) вызывает напряжение на контактах VCB. Для получения дополнительной информации об обслуживании контактов обратитесь к https://xbrele.com/vacuum-circuit-breaker-parts/ технические характеристики.
Одно прерывание при токе 25 кА требует примерно 10 механических операций, эквивалентных эрозии контактов. Контакты CuCr (медно-хромовые) выдерживают глубину эрозии до 2-3 мм, прежде чем потребуется их замена. Измерьте толщину контактов с помощью точного штангенциркуля и сравните с новыми размерами контактов, зафиксированными при установке.
VCB, работающие при напряжении 12 кВ с номиналом прерывания 25 кА, должны завершать замыкание контактов в течение 50-80 мс в соответствии с требованиями IEC 62271-100. Задержки более 100 мс свидетельствуют о заедании механизма привода или недостаточной энергии заряда пружины (обычно требуется энергия 200-300 Дж).
Полное руководство по выбору спецификаций выключателей, совместимых с защитой, см. https://xbrele.com/vcb-rfq-checklist/ технические требования.
Ссылка на внешний орган: Комитет по реле и управлению энергосистемами IEEE предоставляет подробные руководства по применению координации защиты трансформаторов на сайте https://www.ieee.org/.
Контекст проблемы
На промышленном предприятии с тремя масляными трансформаторами мощностью 1600 кВА в течение шести месяцев произошло 12 аварийных отключений при нормальной последовательности включения. Каждое отключение каскадно передавалось на вышестоящие фидерные выключатели 33 кВ, что приводило к 15-минутным отключениям в масштабах предприятия, влияющим на производственные линии.
Результаты расследования
Систематическое устранение неполадок выявило четыре основные причины:
Внедрение решений
Результат за 18 месяцев
За 18 месяцев мониторинга после внедрения не было зафиксировано ни одного нежелательного срабатывания. Данные регистратора неисправностей подтвердили поддержание времени очистки <80 мс для фактических сквозных неисправностей во время плановых испытаний на техническое обслуживание. Измерения контактного сопротивления оставались ниже 120 мкОм, что свидетельствует об отсутствии ускоренной эрозии в результате предыдущих операций, связанных с аварийными отключениями.
Дискриминация пусковых импульсов отделяет надежные подстанции от кошмаров технического обслуживания. Разница заключается в согласованном выборе ТТ, настройке алгоритма реле и реалистичном моделировании условий эксплуатации, учитывающем температуру окружающей среды, токи зарядки кабеля и сезонные колебания пусковых нагрузок.
XBRELE сочетает в себе инженерную защиту и https://xbrele.com/vacuum-circuit-breaker-manufacturer/ проектирование - наши инженеры по применению предварительно конфигурируют комплекты VCB-реле для работы в трансформаторах, включая ограничение второй гармоники, испытания на устойчивость к сквозным замыканиям и протоколы сезонной регулировки.
Запросите исследование координации защиты: Предоставьте номиналы трансформаторов, уровни повреждений и модели существующих реле. Получите кривые тока времени, расчеты размеров ТТ и файлы настроек в течение 72 часов.
В комплект поставки входят:
Вопрос 1: Какой процент второй гармоники должен вызывать сдерживание пусковых импульсов в реле защиты VCB?
A: Установите отбор гармоник в диапазоне 15-20% от основного тока, при этом 18% обеспечивает оптимальный баланс для большинства распределительных трансформаторов. При более низких пороговых значениях (12%) существует риск блокировки обнаружения законных неисправностей, а при более высоких (25%+) может не удаться сдержать пусковые режимы глубокого насыщения.
Вопрос 2: Как долго обычно длится пусковой ток трансформатора при переключении вакуумного выключателя?
О: Пиковый пусковой ток снижается с 8-12× номинального тока до менее 3× в течение 0,3-0,5 секунды для большинства распределительных трансформаторов, хотя остаточный ток намагничивания сохраняется в течение 2-4 секунд. При низких температурах окружающей среды ниже 0°C продолжительность увеличивается до 2,5+ секунд из-за повышенной вязкости масла.
Вопрос 3: Какой минимальный временной интервал координации предотвращает ложное срабатывание между VCB восходящего и нисходящего потоков?
О: Поддерживайте временной интервал координации (CTI) 0,3-0,4 секунды между зонами защиты, чтобы учесть время работы VCB (40-80 мс), перерегулирование реле и ошибки измерения ТТ. Полевые условия с кабельными системами или частыми колебаниями температуры часто требуют запаса в 0,4 секунды.
Q4: Почему VCB срабатывают при подаче напряжения на трансформатор даже при правильных настройках реле?
A: Насыщение ТТ во время пуска высокой мощности (>1500 А в первичной сети для ТТ 150/5 А с ALF=10) искажает формы вторичных сигналов, снижая видимое содержание вторых гармоник ниже порога сдерживания реле. Это заставляет реле интерпретировать насыщенный пусковой ток как состояние неисправности.
Q5: Какой класс точности ТТ необходим для надежной дифференциальной защиты трансформатора с помощью VCB?
О: Класс 5P10 (IEC) или C200 (IEEE) - это минимальные спецификации, но класс PX с напряжением точки сгорания, превышающим 2 × максимальный ток повреждения × общую нагрузку на вторичную обмотку, обеспечивает более высокие характеристики. Рассчитайте требуемую точку сгиба как Vk ≥ 2 × Ifault × (RCT + Rlead + Rrelay).
Q6: Можно ли безопасно использовать автоотключение на трансформаторных фидерах, защищенных вакуумными выключателями?
О: Для автоматического отключения требуется минимум 10-секундное мертвое время, чтобы поток в сердечнике снизился ниже остаточного значения 10%; в противном случае повторный бросок напряжения может превысить начальную величину и вызвать повторное отключение. В большинстве трансформаторных фидеров автоотключение полностью отключено.
Q7: Как эрозия контактов в прерывателях VCB влияет на эффективность защиты трансформатора?
О: Сопротивление контактов свыше 200 мкОм (измеренное с помощью испытательного оборудования DLRO) увеличивает нагрев I²R и энергию дуги во время прерывания, что может увеличить время размыкания на 10-20 мс и снизить устойчивость к сквозным замыканиям. Замените контакты, если глубина эрозии превышает 2 мм или пределы, указанные производителем.
