Автоматические выключатели для трансформатора IEK

Автоматические выключатели для защиты трансформаторов IEK: принципы выбора, расчет параметров и схемы подключения

Защита силовых трансформаторов является критически важной задачей в проектировании и эксплуатации электрических сетей. Правильный подбор автоматических выключателей, обеспечивающих защиту от токов короткого замыкания и перегрузки, напрямую влияет на надежность, безопасность и долговечность оборудования. В ассортименте компании IEK представлен широкий спектр аппаратов, пригодных для решения этих задач. Данная статья детально рассматривает специфику защиты трансформаторов, методику выбора автоматических выключателей IEK и практические аспекты их применения.

Особенности пусковых токов трансформатора и требования к защите

Главная специфика при выборе автоматического выключателя для трансформатора заключается в учете броска тока намагничивания (пускового тока), возникающего в момент включения трансформатора на холостом ходу или после снятия аварийного режима. Этот ток обусловлен переходным процессом намагничивания сердечника и может в 10-15 раз превышать номинальный ток трансформатора. Длительность броска составляет обычно 0.05–0.1 с (3-10 периодов промышленной частоты).

Защитный аппарат не должен срабатывать при этом броске, но должен надежно отключать токи короткого замыкания и защищать от длительных перегрузок. Таким образом, ключевым становится правильный выбор время-токовой характеристики (ВТХ) расцепителя и уставок срабатывания.

Номенклатура автоматических выключателей IEK для защиты трансформаторов

Для защиты трансформаторов малой и средней мощности (до 2500 кВА) применяются следующие серии аппаратов IEK:

• ВА47-29, ВА47-63, ВА47-100, ВА47-125 (модульные выключатели). Применяются для защиты маломощных трансформаторов (осветительных, контрольных, до нескольких десятков кВА) на вторичной стороне или в цепях управления.
• ВА55-41, ВА55-43 (воздушные автоматические выключатели в литом корпусе). Серия ВА55-41 предназначена для номинальных токов до 160А, ВА55-43 – до 630А. Это основное решение для защиты вводов и отходящих линий трансформаторов распределительных подстанций 0.4 кВ.
• ВА88 (воздушные выключатели). Рассчитаны на высокие номинальные токи (до 6300А) и отключающую способность (до 100 кА). Используются для защиты мощных трансформаторов на стороне НН в промышленных распределительных устройствах.

Методика выбора автоматического выключателя на стороне 0.4 кВ

Выбор производится по следующему алгоритму:

1. Определение номинального тока трансформатора на стороне НН (0.4 кВ). Рассчитывается по формуле: I_н.тр = S_тр / (√3
2. U_н), где S_тр – полная мощность трансформатора в кВА, U_н – номинальное линейное напряжение в кВ (0.4 кВ).
3. Выбор номинального тока автоматического выключателя. I_н.авт ≥ I_н.тр. Рекомендуется выбирать ближайшее большее значение из стандартного ряда.
4. Выбор время-токовой характеристики (ВТХ). Для уставки от перегрузки (теплового расцепителя) критичен пусковой ток. Характеристика срабатывания должна лежать выше точки броска намагничивания.
   • Характеристика D (10-20 I_н): Наиболее распространенный выбор. Зона срабатывания электромагнитного расцепителя (10-20I_н) позволяет «проскочить» бросок намагничивания (обычно 10-15I_н.тр).
   • Характеристика K (10-14 I_н): Доступна в сериях ВА55 и ВА88. Оптимальна для трансформаторов, так как нижний порог (10I_н) выше, чем у характеристики D, что обеспечивает лучшую селективность, а верхний (14I_н) перекрывает бросок тока.
   • Характеристики B и C, как правило, не применяются на вводе трансформатора из-за высокой вероятности ложных срабатываний при включении.
5. Проверка отключающей способности (I_cu/I_cs). Отключающая способность выключателя должна быть не меньше ожидаемого тока КЗ в точке его установки. Для выключателей IEK серии ВА55-43 она достигает 50 кА (при 415В), что достаточно для большинства распределительных сетей.
6. Проверка на срабатывание при пусковом токе. Необходимо убедиться, что время срабатывания электромагнитного расцепителя (мгновенного) больше длительности броска намагничивания (≈0.1 с). Кривая срабатывания выключателя не должна пересекать точку с координатами [Длительность броска; Значение броска тока].

Пример выбора выключателя для трансформатора 630 кВА

Дано: Трансформатор TM-630 10/0.4 кВ.

1. I_н.тр = 630 кВА / (√3
2. 0.4 кВ) = 909.3 А.
3. Выбираем ближайший больший номинал: I_н.авт = 1000 А.
4. Выбираем ВА55-43 с I_н=1000А и характеристикой K (10-14 I_н).
5. Пусковой ток: 15 I_н.тр = 15 909.3 = 13640 А. Приведем его к номиналу выключателя: 13640 А / 1000 А = 13.64 I_н.авт. Это значение находится в зоне неопределенности срабатывания характеристики K (10-14 I_н). Для гарантированного несрабатывания необходим более детальный анализ по время-токовым кривым или выбор характеристики D (10-20 I_н), где 13.64 I_н находится в гарантированной зоне несрабатывания.
6. Проверяем отключающую способность. Для ВА55-43 при 1000А I_cu = 50 кА. Ток трехфазного КЗ на шинах 0.4 кВ обычно не превышает 30-40 кА, условие выполняется.

Вывод: Для данного трансформатора подходит автоматический выключатель IEK ВА55-43-1000 с характеристикой D или K (при подтверждении по кривым производителя).

Схемы защиты трансформатора с аппаратами IEK

Типовая схема комплексной защиты включает:

• Со стороны ВН (10 кВ): Защита обычно осуществляется предохранителями типа ПКТ или выключателями нагрузки с предохранителями. Автоматические выключатели IEK серии ВА55 на среднее напряжение не применяются.
• Со стороны НН (0.4 кВ): На вводе устанавливается основной автоматический выключатель (например, ВА55-43), выполняющий функции защиты от перегрузки и КЗ. Дополнительно может быть установлен термомагнитный расцепитель с функцией защиты от перегрева по обмоткам (биметаллическая пластина с датчиком температуры).
• Резервная защита: Для обеспечения селективности часто применяется схема с двумя выключателями: вводным с выдержкой времени и секционным. Аппараты ВА55 и ВА88 поддерживают установку электронных расцепителей (например, PRO- или PRM-серии для ВА88), позволяющих программировать время-токовые характеристики, что необходимо для построения селективных схем.

Координация с предохранителями на стороне ВН

Важным аспектом является согласование характеристик автоматического выключателя на стороне 0.4 кВ и предохранителей на стороне 10 кВ. Цель – обеспечение селективности. Предохранитель должен срабатывать только при внутренних повреждениях в трансформаторе, а автоматический выключатель – при КЗ на шинах или отходящих линиях НН. Для анализа координации строятся совмещенные время-токовые характеристики (ВТХ) обоих аппаратов. Характеристика предохранителя должна лежать ниже и левее характеристики выключателя в области высоких токов КЗ.

Таблица ориентировочного выбора автоматических выключателей IEK для защиты трансформаторов 0.4 кВ

Мощность трансформатора, кВА	Номинальный ток на стороне НН, А (при 0.4 кВ)	Рекомендуемый тип выключателя IEK	Рекомендуемая ВТХ	Примечание
100	144	ВА55-41-160	K или D	Возможно использование ВА47-100 для второстепенных цепей.
250	361	ВА55-43-400	K или D	Стандартное решение для распределительных подстанций.
400	577	ВА55-43-630	K или D	Требуется проверка по пусковому току.
630	909	ВА55-43-1000	D	Обязателен анализ ВТХ.
1000	1443	ВА88-1600	Настраиваемая (электронный расцепитель)	Требуется точный расчет и настройка.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Почему при включении трансформатора иногда срабатывает вводной автомат с характеристикой С?

Характеристика С имеет зону срабатывания электромагнитного расцепителя 5-10 I_н. Бросок намагничивания трансформатора (10-15 I_н.тр) попадает в эту зону, особенно если номинал автомата выбран с небольшим запасом. Это приводит к мгновенному отключению. Решение – замена автомата на аппарат с характеристикой D или K.

2. Можно ли использовать для защиты трансформатора только автоматический выключатель без предохранителей на стороне ВН?

На стороне ВН (6-10 кВ) экономически и технически чаще целесообразно использовать высоковольтные предохранители (ПКТ) или выключатели нагрузки с предохранителями, так как они эффективно и быстро отсекают внутренние повреждения трансформатора. Автоматические выключатели на такое напряжение значительно дороже. Защита со стороны НН автоматом является основной от перегрузок и КЗ в сети 0.4 кВ.

3. Как настроить электронный расцепитель на выключателе ВА88 для защиты трансформатора?

Настройка включает установку следующих уставок:

• I_r (уставка теплового расцепителя): 1.05
• I_н.тр.
• I_sd (уставка короткозамыкательного расцепителя с выдержкой времени): Устанавливается выше пускового тока, обычно 12-15
• I_r. Выдержка времени (t_sd) настраивается для селективности.
• I_i (уставка мгновенного срабатывания): Устанавливается выше тока трехфазного КЗ на шинах НН, но ниже тока, отключаемого предохранителем ВН, для обеспечения селективности. Часто отключается (OFF), если селективность обеспечивается ступенью I_sd.

Точные значения определяются расчетом.

4. Как обеспечить селективность между вводным автоматом трансформатора и автоматами отходящих линий?

Для обеспечения полной временной селективности необходимо, чтобы время-токовая характеристика вводного автомата (с большим номиналом) всегда находилась справа и выше характеристики отходящего автомата (с меньшим номиналом). С аппаратами IEK этого добиваются:

• Использованием выключателей с электронными расцепителями (ВА88), где можно программировать задержки.
• Применением выключателей с разными характеристиками: на вводе – K или D, на отходящих линиях – B или C.
• Использованием аппаратов с регулируемой выдержкой времени на электромагнитном расцепителе (доступно в некоторых моделях ВА55).

5. Что делать, если пусковой ток трансформатора близок к верхней границе характеристики K (14 I_н)?

В данной ситуации существует риск срабатывания при каждом включении. Необходимо:

1. Перейти на характеристику D (20 I_н).
2. Рассмотреть возможность применения автоматического выключателя с электронным расцепителем (ВА88), где можно точно установить порог срабатывания, например, на 16 I_н.
3. Проверить остаточную намагниченность трансформатора (она может увеличивать бросок тока). Процедура включения может требовать специальных устройств или методов.

Заключение

Выбор автоматического выключателя IEK для защиты трансформатора является комплексной инженерной задачей, требующей учета бросков намагничивающего тока, уровней токов короткого замыкания и требований селективности. Наиболее предпочтительными являются аппараты серий ВА55 и ВА88 с время-токовыми характеристиками типа K или D. Критически важно проводить проверку выбранного аппарата по время-токовым кривым на несрабатывание при пуске трансформатора. Для сложных схем и мощных трансформаторов обязательным является применение выключателей с программируемыми электронными расцепителями, позволяющими точно адаптировать защиту под конкретные условия эксплуатации. Правильно подобранный и настроенный автоматический выключатель обеспечит надежную и долговременную работу силового трансформатора, минимизируя риски аварийных отключений и повреждения дорогостоящего оборудования.