Lastadskiller i kombination med sikringer Med SIBA SSK-sikringer1 får du en optimal transformerbeskyttelse helt op til 3000 kVA. Den kontinuerlige og til tider sågar voldsomme stigning i verdens efterspørgsel efter elektrisk energi stiller hele tiden nye krav til de komponenter, der bruges til at producere og fordele energien til brugerne. Inden for området mellemspænding er der således ofte ønsker om, at der skal anvendes højspændingssikringer til at udføre beskyttelsen af anlæg med transformere med større og større mærkeeffekt. Til beskyttelse af transformeren er der i de seneste 30 år med gode resultater typisk blevet anvendt en kombination af HH-sikringer og en adskiller/lastadskiller (i det følgende anvendes alene betegnelsen lastadskiller). Ved denne kombination bliver en lastadskiller koblet i serie med HH-sikringen (billede 1). HH-sikringen skal afbryde de strømme, som lastadskilleren ikke er beregnet til at håndtere. Mekanisk sammenkobles lastadskillerens udkoblingsmekanisme med HH-sikringen via den i sikringen integrerede slagstift. I tilfælde af fejl ”smelter” en eller flere af HH-sikringerne hvorved fjederenergien i slagstiften frigives til udkobling af lastadskilleren, således at der foretages en 3-faset adskillelse. Koordinationen mellem HH-sikringen og lastadskilleren er anvist i standarden IEC 62271-105 [1] (i Tyskland: VDE 0671-105 [2] ). Standarden har i en indkøringsfase været årsag til nogen usikkerhed hos de projektansvarlige. Pludselig kom der en ny standard, som satte spørgsmålstegn ved de årelange accepterede løsninger vedrørende beskyttelse af distributionstransformere. Man stod over for en beslutning om at skulle udskifte den både teknisk og kommercielt gennemprøvede løsning med en ny, som måske var forbundet med høje økonomiske omkostninger. Der er dog belæg for, at løsningen med en lastadskiller i kombination med en sikring fortsat er det mest rationelle og teknisk mest fordelagtige beskyttelsesprincip [3].

Billede 1: HH-sikring i kombination med en luftisoleret lastadskiller

Reducering af kortslutningsenergi ved hjælp af lastadskiller i kombination med sikringer Som det har været tilfældet inden for alle tekniske områder, har udviklingen inden for transformerstationer og sikkerhedsteknologi heller ikke stået stille. Gennem den parallelle videreudvikling af lastadskillere (luft- og gasisolerede) og HH-sikringer er det i dag muligt at anvende kombinationen til transformereffekter, hvortil det tidligere typisk har været almindeligt at anvende effektafbrydere.

1 SSK: Sicherung-Schalter Kombination

Her er det ikke mindst HH-sikringernes strømbegrænsende egenskab, der er en teknisk fordel. Ved store kortslutningsstrømme kan HH-sikringen afbryde fejlstrømmen allerede i den første halvbølge til en øjebliksværdi (iD), der er mindre end den teoretisk største øjebliksværdi (i^). Det i billede 2 viste strømforløb viser en strømbegrænsende afbrydelse af en kortslutningsstrøm. Grundet den ekstremt hurtige afbrydelse bliver kun en ringe mængde energi ledt videre til downstream-komponenterne. Det samlede kredsløbskoncept bliver grundet strømbegrænsningen således en rationel løsning og dermed økonomisk fordelagtigt.

iS Smeltestrøm îD Største øjebliksværdi î Teoretisk største øjebliksværdi I”k Begyndelseskortslutningsstrøm

Billede 2: Strømbegrænsning ved brug af HH-sikring

Betingelser for brugen af lastadskiller i kombination med med sikring For at imødekomme udfordringen med transformereffekter, der er større end 1000 kVA, med optimale forhold i overensstemmelse med IEC 62271-105 [1], kræves det, at lastadskilleren og HH-sikringen er koordineret med hinanden. For at være på forkant med udviklingen har SIBA intensivt arbejdet med dette tema [4]. Følgende aspekter skal tages i betragtning for at sikre rigtig koordination:

- Maksimal tilladelig opvarmning i koblingsanlægget

- Transferstrøm i overensstemmelse med IEC 62271-105

- Transformerens indkoblingsstrøm

- Selektivitet til over- og underordnede beskyttelseselementer

Ved store transformereffekter er opvarmningen i koblingsanlægget det mest restriktive af ovennævnte aspekter. Særligt ved gasisolerede koblingsanlæg bliver ønsket om store belastningsstrømme ofte begrænset af den maksimalt tilladte opvarmning i sikringsholderne. Generelt skal den maksimale temperatur i overensstemmelse med IEC 60694:2002-01 [3] altid overholdes. For at forebygge skader forårsaget af termisk overbelastning af koblingsanlægget udviklede SIBA allerede i 1995 den såkaldte "temperaturbegrænsende slagstift" [4]. Denne slagstift sikrer en udelukkende termisk provokeret 3-polet udkobling af koblingsudstyret, således at belastningsstrømmen afbrydes, inden temperaturen i anlægget overstiger det tilladte niveau. Brugen af den temperaturbegrænsende slagstift beskytter således anlægget i situationer, hvor en stor belastning vil give for høj temperatur. En sådan situation kan f.eks. forekomme ved brug af standard HH-sikringer foran en transformer med en høj ydelse f.eks. >2000 kVA ved 20 kV. For at undgå, at der i anlægget opstår en temperatur, der overstiger det tilladte, kan der i stedet for en standard HH-sikring vælges en sikring med mindre effekttab. Med henvisning til sikringsteknologien fysiske love kunne det anbefales at bruge højspændingssikringer med længere smeltetid. Imidlertid kan denne ønskede ”træghed” også opnås ved i stedet at vælge en sikring med næste højere mærkestrøm. Dette valg er klart en fordel med hensyn til at reducere effekttabet i sikringen, men det skaber store ulemper i forhold til en koordineret afbrydelse med lastadskilleren. Eftersom anvendelse af en transformer med stor mærkeeffekt også betyder en stor mærkestrøm for sikringen, bør valg af højere mærkestrøm i dette tilfælde udelukkes, idet lastadskillerens brydestrøm eller transiente spænding vil komme til at ligge uden for lastadskillerens brydekapacitet. Vi kommer dog her ikke nærmere ind på denne problematik. For mere information henviser vi til udgivelser, der særskilt behandler dette emne [5], [6]. Endnu en ulempe ved en valgt ”træghed” er den dermed forbundne forhøjelse af minimum brydestrømmen Imin, som er den mindste værdi af en prospektiv strøm som en sikring er i stand til at bryde under definerede forhold, der er anvist i IEC 60282-1:2005-11 [7]. Værdien Imin ligger hos SIBAs HH-sikringer af typen Teilbereich (Back-up) inden for 3,2 - 3,5 gange mærkestrømmen In. De langsomste varianter på markedet kan have en minimum brydestrøm på Imin > 5 gange In [9]. Både ved brug af “træghed” eller ved valg af en højere mærkestrøm vil strømområdet, der ikke er beskyttet af sikringen, øges. Dette område er placeret fra sikringen mærkestrøm og op til minimum brydestrømmen. Ved at benytte en sikring med en temperaturbegrænsende slagstift kan det ikke beskyttede område imidlertid fjernes. Strømme i dette område vil aktivere slagstiften og udkoble lastadskilleren. Det skal naturligvis sikres at lastadskilleren er i stand til sikkert at foretage udkoblingen af strømmene i dette område. SIBA-sikringen af typen SSK For at imødekomme de voksende krav til ”sikring” af højere effektniveauer inden for rammerne af et givent budget og for at kunne afværge de ovenfor nævnte ulemper har SIBA udviklet HH-sikringen af typen SSK. Denne sikring er i stand til at forene de fysisk

modsigende krav til en sikringsenhed. Hovedfordelene ved brug af SSK-typen i forhold til brug af en standard HH-sikring kan sammenfattes som følger:

• Reduktion af sikringens effekttab (PV)

• En hurtigere funktionstid i relation til lastadskillerens åbningstid (T0)

• En lav værdi af minimum brydestrøm (Imin)

Disse fordele gør det muligt som en prisbillig løsning at bruge en markedstypisk lastadskiller i kombination med en sikring også i de tilfælde, hvor det tidligere var almindeligt, at opvarmningsgrænsen for koblingsanlægget forhindrede en sådan anvendelse.

Anvendelse inden for vindenergiområdet Et anvendelsesområde, hvor kravene til voksende transformereffekt er konstant stigende, er inden for den regenerative energi. Særlig markedet for vindenergianlæg har et stort vækstpotentiale. Hvor det tidligere inden for dette område var almindeligt med en transformereffekt på op til 1000 kVA, er situationen i dag den, at der nu kræves effekt på helt op til 3000 kVA. Sammen med det voksende krav til transformereffekt stiger således også kravene til de anvendte kombinationer af lastadskiller og sikring, der skal anvendes til beskyttelse. Udfordringen er altså at finde den rette kombination af lastadskiller og sikring til brug ved disse effektområder, og de spændingsniveauer der anvendes. SIBA gennemførte med sikringerne fra SSK-serien en række opvarmningsforsøg på markedstypiske lastadskillere i kombination med sikringer. Diagram 1 illustrerer de forskellige forløb over opvarmningen i et typisk gasisoleret anlæg dels med en standard 24 kV - 125 A HH-sikring og en tilsvarende sikring i en SSK-version. De viste temperaturer er overtemperaturer. I diagram 2 illustreres effekttabet for sikringerne anbragt i det samme gasisoleret anlæg. Den maksimale strøm anvendt under forsøget (72,2 A) svarer til en 2500 kVA transformer med en nominel spænding på 20 kV.

Diagram 1: Sammenligning af temperaturer i sikringskammeret

0

20

40

60

80

100

120

40 50 60 72,2

Transformatorstrøm I [A]

∆∆ ∆∆ϑϑ ϑϑ

[K]

Standard HH

SSK

Cen

tert

em

pera

tur

i sik

rin

gskam

mer

Diagram 2: Sammenligning af effekttab

Som det fremgår af diagrammerne, viser sammenligningen mellem en standard 10/24 kV - 125 A HH-sikring og en tilsvarende sikring af type SSK en tydelig forskel i opvarmningen af anlægget og i effekttab. Både IEC 60282-1 og IEC 60265-1 specificerer en maksimal overtemperatur på T=65 K ved de kontakter, hvor sikringer tilsluttes i anlægget. Ved nominel drift af en 2500 kVA transformer med 20 kV er det således kun SSK-sikringen, der overholder den specifikke grænsetemperatur på 65 K. Standardsikringen giver her en overtemperatur på 88 K. Det maksimalt tilladte effekttab i et gasisoleret anlæg defineres individuelt af de forskellige anlægsproducenter og ligger typisk på værdier mellem 60-70 W for et 20 kV-anlæg. På grund af de større afstande, der er i et 36 kV anlæg vil de typiske værdier for tilladte effekttab her være større end i et 20 kV anlæg. Opvarmningsforsøget viser tydeligt, at kun den 125 A SSK-sikring kan overholde kravene. For god ordens skyld skal det nævnes at forsøg med 20/36 kV SSK-serien også er blevet gennemført med tilsvarende succes.

De ifølge IEC 62271-105 påkrævede koordinationer mellem lastadskiller og HH-sikring blev beregnet ved hjælp af et internt SIBA softwareværktøj og tog udgangspunkt i produktionsdetaljer for lastadskillerne og tid/strøm kurver for de anvendte HH-sikringer. Desuden blev kombinationen af lastadskiller og sikring også kontrolleret for om transformerindkoblingsstrømmen ikke medfører udkobling medens der alternativt skal sikres 3 polet udkobling i tilfælde af en 3-faset sekundær terminalkortslutning. SSK sikringerne har hos akkrediterede laboratorier med succes gennemgået de i IEC 62271-105 krævede test i kombination med en række af de lastadskillere, der er tilgængelige på markedet. De opnåede testresultater viser, at SSK sikringer i kombination med lastadskillere kan anvendes til effektniveauer, som tidligere kun kunne dækkes af dyrere løsninger.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

40 50 60 72,2

Eff

ek

tta

b P

v [

W]

Transformatorstrøm I [A]

Standard

SSK

Det nye SSK-sortiment

For at imødekomme de voksende krav, som indledningsvis blev skitseret, tilbyder SIBA i dag en udvidet serie af HH-sikringer af typen SSK, der i kombination med en lastadskiller kan anvendes til beskyttelse af transformere på op til 3000 kVA. Tabel 1 kan anvendes som retningslinje for valg af sikring til diverse transformere.

Anbefalede sikring af transformere, SN > 1000 kVA med SIBA SSK-sikring.

Spænding [kV] Transformerydelse [kVA]

Mærke-spænding

Arbejds-spænding

1250 1600 2000 2500 3000

relativ kortslutningsspænding uk = 6 %

SSK sikringens mærkestrøm [A]

min max min max min max min max min max

12 10 100 125 125 160 160 --------

- -------

-- --------

- -------

-- ---------

24 20 63 80 80 100 100 125 125 --------

- -------

-- ---------

36 30 40 50 50 63 63 80 80 --------

- 80 ---------

Tabel 1: Valg af SSK sikringer

Distributionstransformeren på op til 1000 kVA anvendt i lokale netstationer bliver på sekundærsiden af transformeren typisk udstyret med NH-sikringer. I disse tilfælde bør selektiviteten mellem NH-sikringerne og de primære HH-sikringer naturligvis vurderes. I tabel 1 er der med de høje transformereffekter ikke regnet med at der på sekundærsiden placeres lavspændingssikringer som overbelastningsbeskyttelse. Hvilken mærkestrøm og hvilken type sikring – standard eller SSK – der vælges specifikt til det enkelte koblingsanlæg afhænger af anlæggets data og af betingelserne givet i IEC 62271-105 [1]. Valget kan vha. den tidligere nævnte interne SIBA software udføres på baggrund af information om transformerens data, koblingsanlæggets mærke-transferstrøm Itransfer og åbnetiden T0 ved påvirkning af sikringens slagstift. Tabel 2 viser de nødvendige parametre til brug for beregningen samt resultaterne, der opfylder bestemmelserne i IEC 62271-105 [1] ved brug af en 10/24 kV - 125 A SSK-sikring i kombination med en lastadskiller med en mærke-transferstrøm på 800 A og åbningstid på 85 ms, anbragt som beskyttelse af en 2500 kVA transformer med en mærkespænding på 20 kV.

Tabel 2: Eksempel 2500 kVA i følge IEC 62271-105

Det fremgår, at selv en lastadskiller med en relativ lav mærke-transferstrøm (Itransfer = 800 A) sammen med en 125 A SSK sikring kan sikre beskyttelse af en transformer på 2500 kVA i overensstemmelse med IEC 62271-105. Den beregnede værdi for effekttab gælder udelukkende for sikringer anbragt i et luftisoleret anlæg. Ved brug i et kapslet SF6-anlæg kan værdien variere grundet afkølingsforholdene i indkapslingen (billede 3).

Billede 3: Brug i indkapslet SF6-anlæg

Valg af SIBA SSK-sikring til beskyttelse af en 2500 kVA transformer, i overensstemmelse med IEC 62271-105.

Inputparametre

Transformer Koblingsudstyr SSK-sikring

Mærkespænding [kV]

Mærkeeffekt [kVA]

Kortslutnings- spænding

uk [%] Itransfer [A]

Afbryderens åbningstid

T0 [ms]

Mærkespænding Un [kV]

Mærkestrøm In [A]

20 2500 6 800 85 10/24 125 SSK

Resultater

Betingelser ifølge IEC62271-105 Beregnede numeriske værdier Vurdering

Mærke- transferstrøm for koblingsudstyret

[A]

≥ Beregnet

transferstrøm SSK-sikring [A]

800 ≥ 795 opfyldt

Primær strøm ved sekundær 3 pol. kortslutning [A]

> Beregnet

transferstrøm SSK-sikring [A]

1204 > 795 opfyldt

Smeltestrøm ved 0,1 s [A]

> Transformerens indkoblingsstrøm

[A] 938 > 722 opfyldt

SSK-sikringens effekttab

Drift ved transformerens mærkestrøm In [A] 72.2

Effekttab PV [W] (Tilladt værdi for

koblingsanlægget skal tages i betragtning)

51

Sammenfatning

Beskyttelse af transformere med effekter op til 3000 kVA, som oprindeligt kun kunne løses via dyre løsninger, kan grundet muligheden for at bruge SSK-serien i kombination med en lastadskiller nu gennemføres effektivt og økonomisk. Litteraturliste: [1] IEC 62271-105:2002-08, High-voltage switchgear and controlgear – Part 105: Alternating

current switch-fuse combinations. Geneva/Switzerland: Bureau de la Commission Electrotechnique Internationale (ISBN 2-8318-6472-0)

[2] SIBA GmbH, Lünen: www.siba.de

[3] IEC 60694:2002-01, Common specifications for high-voltage switchgear and controlgear standards. Geneva/Switzerland: Bureau de la Commission Electrotechnique Internationale (ISBN 2-8318-5937-9)

[4] Haas, H.-U.: Thermal system protection of switchgear through high voltage fuse-links with integrated temperature limiter under consideration of IEC 420:1990. pp. 66–70 in Proceedings of the 5th International Conference on Electric Fuses and their Applications (ICEFA), 1995/25/09–1995/27/09 in Ilmenau. Berlin Offenbach: VDE VERLAG, 1995 (ISBN 3-8007-2139-2)

[5] Haas, H.-U.; Löffler, R.: Hochspannungssicherungen für Schalter-Sicherungs-Kombinationen. etz Elektrotech. + Autom. 122 (2001) H. 7–8, pp. 68–72 (ISSN 0948-7387)

[6] Haas, H.-U.; Wilhelm, D.: VDE 0671 Teil 105: Fortsetzung eines bewährten Konzeptes – Sicherer Schutz von Verteiltransformatoren mit Lastschalter-Sicherungs-Kombinationen. netzpraxis 44 (2005) H. 3, pp. 14–19 (ISSN 1611-0412)

[7] IEC 60282-1:2005-11 High-voltage fuses – Part 1: Current-limiting fuses. Geneva/Switzerland: Bureau de la Commission Electrotechnique Internationale (ISBN 2-8318-8323-7)

[8] Neddermann, B.: Windenergie: Eine deutsche Erfolgsgeschichte. In Proceedings of the Poleko ’2005. IX Miedzynarodowy Zjazd Ekologiczny przy targach POLEKO ’2005 Polska w nowej Europie (9th International Ecological Convention, during POLEKO 2005 Fair) of 2005/11/14–2005/11/15 in Poznán (Poznan)/Poland: Abrys, 2005 (to be obtained from Abrys Sp. z o.o., ul. Daleka 33, 60-124 Poznán/Poland, E-Mail: office@abrys.pl, www.abrys.pl)

[9] IEC 60265-1:1998-01 High-voltage switches – Part 1: Switches for rated voltages above 1 kV and less than 52 kV. Geneva/Switzerland: Bureau de la Commission Electrotechnique Internationale (ISBN 2-8318-4222-0)