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明珠電氣股份有限公司的研究人員袁乙專、張曉峰等，在2018年第8期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，高壓限流熔斷器發(fā)生爆熔等故障，是影響組合式變壓器安全運(yùn)行的主要威脅之一。針對(duì)風(fēng)力發(fā)電組合式變壓器用高壓限流熔斷器爆熔問題，分析故障的主要原因在于：設(shè)計(jì)選型時(shí)未滿足熔斷器降容要求、引線銅片處滲油、長時(shí)間熱量累積造成絕緣加速老化。

經(jīng)額定電流為31.5A的熔斷器溫升試驗(yàn)表明，高壓限流熔斷器內(nèi)部溫度比外部油溫高出25K是可能的，即外部油溫在75℃或以上時(shí)，圓干筒內(nèi)的溫度將達(dá)到100℃。本文提出設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)熔斷器實(shí)際安裝位置合理降容，并以1600kVA組合式變壓器為例，給出了設(shè)計(jì)選型改進(jìn)實(shí)例。文中的研究對(duì)高壓限流熔斷器的應(yīng)用具有重要的參考意義。

作為風(fēng)力發(fā)電組合式變壓器的主要保護(hù)元件，35kV高壓限流熔斷器在組合式變壓器中被廣泛使用。運(yùn)行情況表明，風(fēng)力發(fā)電組合式變壓器運(yùn)行初期，高壓限流熔斷器頻繁出現(xiàn)故障，是影響組合式變壓器安全運(yùn)行的主要威脅之一。

高壓限流熔斷器一般故障表現(xiàn)為熔斷件表面發(fā)黃，嚴(yán)重時(shí)熔斷件會(huì)燒毀，甚至熔斷件從熔斷器圓干筒中噴出，形成爆熔現(xiàn)象。爆熔故障發(fā)生時(shí)，熔斷器會(huì)將小室門撞壞，若有運(yùn)行維護(hù)人員在附近工作，還存在人身傷害風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)剛興起時(shí)，配套的組合式變壓器在其高壓側(cè)采用了兩組保護(hù)元件，一組是插入式熔斷器，一組是后備熔斷器，對(duì)應(yīng)功能分別是過載保護(hù)和短路保護(hù)[1] 。

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，熔斷器行業(yè)推出了功能組合技術(shù)，使高壓限流熔斷器具有切斷過載電流和短路電流的兩種功能，合二為一，這是隨著我國風(fēng)力發(fā)電快速發(fā)展出現(xiàn)的新的應(yīng)用形式[2]。和其他形式熔斷器一樣，高壓限流熔斷器也包含一個(gè)核心元件-熔斷件，圍繞熔斷件相關(guān)機(jī)構(gòu)已取得一些研究成果。

文獻(xiàn)[3]以熱電耦合數(shù)學(xué)模型理論為基礎(chǔ)，通過ANSYS建模對(duì)熔斷件進(jìn)行參數(shù)分析，短路和過載的分析結(jié)果和廠家數(shù)據(jù)接近，驗(yàn)證了仿真研究手段可行性。文獻(xiàn)[4]分析了高壓限流熔斷器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并用有限元法建模求解，描述了熔斷器熔斷過程，預(yù)測(cè)弧前時(shí)間，并對(duì)過電壓進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]分析了熔斷件安秒特性曲線，研究配電網(wǎng)分支線中熔斷器的保護(hù)配置與整定解決方案。

文獻(xiàn)[6]分析了PT熔斷器故障電壓電流與故障原因之間的關(guān)系，指出檢測(cè)電壓、電流特征值對(duì)PT熔斷器故障的診斷具有重要意義。上述研究揭示了熔斷件或普通熔斷器的關(guān)鍵技術(shù)特征，但對(duì)高壓限流熔斷器這種較特殊的產(chǎn)品而言，還缺乏具體研究，尤其是涉及其運(yùn)行故障的原因分析還需進(jìn)一步的研究。

本文主要從設(shè)計(jì)選型、產(chǎn)品特殊結(jié)構(gòu)、散熱條件來進(jìn)行研究，分析高壓限流熔斷器爆熔故障的根源，以指導(dǎo)后續(xù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)選型，對(duì)避免爆熔故障以提高組合式變壓器運(yùn)行可靠性有重大意義。

1 高壓限流熔斷器的特點(diǎn)與工作原理

安裝在組合式變壓器中的35kV高壓限流熔斷器由高壓全范圍保護(hù)限流熔斷件、操作手柄以及圓干筒組成插入式結(jié)構(gòu)（見圖1、圖2）。目前，該類熔斷器具有開斷故障電流范圍寬的特點(diǎn)，最小開斷電流為熔斷器額定電流的2倍，最大開斷電流可達(dá)31.5kA，在風(fēng)力發(fā)電組合式變壓器上被廣為使用。

圖1 熔斷器

圖2 熔斷件及圓干筒

1.1 特點(diǎn)

1）絕緣。主要依靠空氣絕緣，整個(gè)圓干筒和熔斷件管殼均為環(huán)氧樹脂濕法纏繞玻璃纖維增強(qiáng)材料，僅導(dǎo)電端子和安裝法蘭為金屬件。熔斷件帶電體通過帶傘裙環(huán)氧支柱與端部手柄連接。

2）電氣連接。熔斷件兩端連接到圓干筒中部和尾部的導(dǎo)電端子上，再通過其外部浸泡在變壓器油中的端子與變壓器器身相連接。

3）密封。圓干筒一般是密封的，端部把手上有密封件，用于密封圓干筒，而熔斷件是整體密封的。

4）散熱。導(dǎo)體隱藏在熔斷件內(nèi)部，其內(nèi)部熱量主要通過熱傳導(dǎo)和對(duì)流將熱量散到變壓器油中。

5）安裝。熔斷器外側(cè)一端通過安裝法蘭固定在油箱壁上，內(nèi)側(cè)另一端則由油箱內(nèi)壁上的絕緣支架提供支撐。

6）運(yùn)行。容易受環(huán)境溫度影響。

1.2 工作原理

裝在圓干筒中的熔斷件是一種高壓全范圍保護(hù)限流熔斷器，其內(nèi)部，短路保護(hù)熔體和過載保護(hù)熔體串聯(lián)封裝在環(huán)氧玻璃管殼內(nèi)，熔體周圍充滿高純度石英砂用于滅弧。短路保護(hù)熔體采用變截面高純度銀片；過載保護(hù)熔體為低熔點(diǎn)銀合金材料，封裝在產(chǎn)氣有機(jī)材料管中。

故障時(shí)，短路電流由短路保護(hù)熔體開斷。當(dāng)短路電流通過高壓限流熔斷器時(shí)，變截面銀片狹徑處瞬間熔斷起弧，電弧被高純度石英砂冷卻，待電流過零時(shí)電弧即熄滅。當(dāng)過載電流通過高壓限流熔斷器時(shí)，過載保護(hù)熔體熔斷并起弧，電弧在有機(jī)產(chǎn)氣材料管中燃燒，有機(jī)材料分解產(chǎn)生出有強(qiáng)烈滅弧作用的氣體，電弧很快在氣體中熄滅，起到保護(hù)的作用[7-8]。

組合式變壓器是將變壓器器身、負(fù)荷開關(guān)、熔斷器等在油箱中進(jìn)行組合的變壓器，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)一般是將35kV組合式變壓器作為升壓變壓器[9-12]。組合式變壓器選擇高壓限流熔斷器作為配套的保護(hù)元件，充分利用其切斷過載電流和短路電流的兩種能力。

2 熔斷器爆熔原因分析

高壓限流熔斷器爆熔故障時(shí)有發(fā)生，對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行威脅之大，不可忽視，傳統(tǒng)研究方法主要從識(shí)別侵入熔斷器的異常過電壓、過電流入手[13-14]，下面將從設(shè)計(jì)選型、產(chǎn)品特殊結(jié)構(gòu)、散熱條件來進(jìn)行分析。

2.1 設(shè)計(jì)選型時(shí)未滿足熔斷器降容要求

GB/T 15166.2中熔斷器使用條件規(guī)定：熔斷器周圍介質(zhì)溫度不大于40℃，當(dāng)大于40℃時(shí)需對(duì)熔斷器進(jìn)行降容[15]。

一般情況下，當(dāng)熔斷器安裝在戶內(nèi)高壓開關(guān)柜內(nèi)時(shí)，熔斷器的額定電流是按變壓器的額定滿載電流的1.5～1.8倍選取的，這是考慮到以下因素：①變壓器可以在1.1倍額定功率下長期工作；②變壓器可以在1.3倍變壓器額定功率可短暫運(yùn)行數(shù)十分鐘；③熔斷器需躲開變壓器合閘涌流（合閘涌流約為10～12倍變壓器額定電流，持續(xù)時(shí)間0.1s[16]）對(duì)熔斷器熔斷件的沖擊。這種選擇原則在熔斷器周圍環(huán)境溫度40℃以下才有效。

因本身有電阻，工作時(shí)熔斷器不可避免會(huì)發(fā)熱，當(dāng)熔斷器周圍環(huán)境溫度比較高時(shí)，將影響熔斷器的正常工作。GB/T 15166.2附錄F：熔斷器的周圍環(huán)境溫度超過40℃時(shí)降低額定值的方法中有相關(guān)的規(guī)定：當(dāng)熔斷件處于較小的罐（如單相外殼）中時(shí)，由于罐和熔斷件相互作用密切，這一組合體額定值的降低量通常只能通過測(cè)量確定。根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)熔斷器周圍介質(zhì)溫度大于40℃時(shí)，每升高1℃，熔斷器需降容1%。

高壓限流熔斷器在組合式變壓器的安裝位置有兩種：①水平安裝；②立式安裝。當(dāng)高壓限流熔斷器安裝在變壓器正上方時(shí)（水平安裝），組合式變壓器內(nèi)高壓電器元件布置較簡(jiǎn)潔，一次導(dǎo)線連接緊湊方便，使用較廣。此時(shí)熔斷器基本位于變壓器油上表面附近，其周圍變壓器油溫最高，實(shí)測(cè)表明：組合式變壓器滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，油箱中油頂層油溫在 65℃～85℃之間，平均油溫75℃。

此外，熔斷器還可安裝在組合式變壓器側(cè)面（立式安裝），高壓限流熔斷器周圍油溫相對(duì)于油頂層溫度要低，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，滿載時(shí)組合式變壓器下部的油溫較頂部油溫要低10K以上，采用立式安裝熔斷器受油溫的影響要小一些，這種安裝方式導(dǎo)線連接復(fù)雜，較少應(yīng)用。

這只是熔斷器組合體的情況，如果考察熔斷件，熔斷件插入圓干筒外殼內(nèi)時(shí)，熔斷件和圓干筒之間隔了一層空氣，散熱條件惡化。對(duì)水平安裝的高壓限流熔斷器，環(huán)境溫度影響因素更加突出，如果設(shè)計(jì)選型不滿足降容要求，會(huì)造成爆熔等嚴(yán)重后果。

2.2 引線銅片處滲油

為將圓干筒中部的導(dǎo)電端子引出，設(shè)置有一條貫穿圓干筒筒壁的引線銅片，通過對(duì)多個(gè)故障熔斷器樣本的解剖分析，發(fā)現(xiàn)引線銅片處滲油也是發(fā)生爆熔故障的不可忽視的重要影響因素。由于制造工藝的不完善，干筒絕緣材料與引線銅片的冷熱膨脹系數(shù)不一致，長期運(yùn)行后，銅片與干筒產(chǎn)生離縫。

經(jīng)過一定時(shí)間變壓器油慢慢滲入干筒內(nèi)，這些油會(huì)混入一些灰塵甚至水份，形成油污，使絕緣拉桿、內(nèi)筒壁、熔斷件外表面絕緣強(qiáng)度降低，產(chǎn)生間斷性的沿面放電，最終導(dǎo)致相對(duì)地絕緣失效，引起擊穿放電，放電產(chǎn)生的高溫高壓氣體將熔斷件及絕緣拉桿從圓干筒內(nèi)噴出，發(fā)生爆熔故障（見圖3、圖4）。

圖3 高壓限流熔斷器水平安裝

圖4 高壓限流熔斷器發(fā)生爆熔沖出

2.3 長時(shí)間熱量累積造成絕緣加速老化

為了保證圓干筒的絕緣特性和易加工特性，圓干筒普遍采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂濕法纏繞工藝制作，基于酸酐固化體系的環(huán)氧樹脂材料導(dǎo)熱性能并不佳[17]。高壓熔斷件是電阻元件，在電流通過熔斷器時(shí)產(chǎn)生大量的熱，熱量積聚在熔斷器圓干筒內(nèi)，由于散熱不暢，熔斷器圓干筒內(nèi)溫度會(huì)大幅上升。

選取西安某熔斷器廠額定電流為31.5A的熔斷器，浸入試驗(yàn)油箱中，施加額定電流，監(jiān)測(cè)其內(nèi)部溫度變化，如圖5所示。結(jié)果顯示：盡管圓干筒外部油溫較低，但其內(nèi)部溫度攀升十分明顯，穩(wěn)態(tài)下內(nèi)外溫差最高達(dá)25.2K，證明其散熱能力較差。見表1。

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，油溫在75℃或以上，圓干筒內(nèi)的溫度將達(dá)到100℃，熔斷件管殼環(huán)氧有機(jī)材料表面會(huì)發(fā)生老化分解，顏色變黃。熔斷器圓干筒內(nèi)溫度

表1 熔斷器溫升測(cè)試（IN=31.5A）

長期處于100℃以上時(shí)，則熔斷器圓干筒及熔斷件管殼的環(huán)氧有機(jī)材料將加速老化，圓干筒內(nèi)部絕緣性能也逐步下降[18-19]。嚴(yán)重時(shí)，造成熔斷器帶電端子對(duì)地?fù)舸┓烹姡l(fā)生爆熔故障。

圖5 熔斷器溫升試驗(yàn)

3 討論

3.1 熔斷器的質(zhì)量檢測(cè)

組合式變壓器用高壓限流熔斷器是為滿足風(fēng)力發(fā)電需要開發(fā)的新品種，需要有對(duì)應(yīng)的質(zhì)量檢測(cè)手段[20]。

1）熔斷器生產(chǎn)廠試驗(yàn)不完整

根據(jù)GB/T 15166.2要求，熔斷器應(yīng)完成包括絕緣試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、開斷試驗(yàn)、時(shí)間-電流特性試驗(yàn)等試驗(yàn)內(nèi)容。針對(duì)風(fēng)力發(fā)電使用要求，開發(fā)的高壓限流熔斷器是包括圓干筒外殼和熔斷件的組合體，現(xiàn)階段，不少高壓限流熔斷器廠家并沒有針對(duì)組合體通過全部的型式試驗(yàn)，也沒有完善的檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)手段，不能完全排除產(chǎn)品質(zhì)量隱患。

特別是插入式結(jié)構(gòu)決定其不得不配套一個(gè)圓干筒外殼，導(dǎo)致散熱能力大幅下降，和傳統(tǒng)熔斷器差別明顯，理應(yīng)安排型式或特殊試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，據(jù)調(diào)查，目前行業(yè)內(nèi)一些生產(chǎn)廠的產(chǎn)品試驗(yàn)報(bào)告試驗(yàn)項(xiàng)目比較簡(jiǎn)單，很少涉及這方面的內(nèi)容。

2）使用方對(duì)熔斷器檢測(cè)項(xiàng)目有局限性

作為熔斷器使用方，一般檢查的是例行試驗(yàn)項(xiàng)目，主要包括外形尺寸和外觀檢查、絕緣試驗(yàn)（工頻電壓干耐受試驗(yàn)）、熔斷件電阻測(cè)量等。這些檢測(cè)項(xiàng)目不能對(duì)需要長期運(yùn)行才能發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行充分暴露，有較大局限性。

3.2 熔斷器爆熔影響因素的相互作用

上文所述引起熔斷器爆熔的主要原因，并非單獨(dú)起作用，而是共同起作用，產(chǎn)生疊加效果。如果選型未滿足熔斷器降容要求，這種失誤加劇干筒內(nèi)表面絕緣碳化風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也加劇熱膨脹不同步，滲油更加嚴(yán)重。對(duì)已發(fā)生碳化的圓干筒內(nèi)壁，在油流作用下碳化微粒更易形成小橋效應(yīng)[21]，加速對(duì)地放電導(dǎo)通引發(fā)故障。

4 設(shè)計(jì)選型改進(jìn)實(shí)例

風(fēng)力發(fā)電常用容量是1600、2200kVA，下面以1600kVA組合式變壓器為例，進(jìn)行設(shè)計(jì)選型分析。產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 組合式變壓器技術(shù)參數(shù)

當(dāng)組合式變壓器滿載電流為24.6A時(shí)，熔斷器應(yīng)選的額定電流為24.6A×(1.5～1.8)倍=36.9A～44.3A。初步選型：若安裝周圍環(huán)境溫度在40℃以下時(shí)，可以選用額定電流40A的熔斷器。

熔斷器采用水平安裝，其周圍變壓器油溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過40℃時(shí)，根據(jù)GB/T 15166.2的規(guī)定，熔斷器必須降容。以組合式變壓器頂部油溫80℃為上限，估算熔斷件額定值降低因數(shù)為60%，應(yīng)選熔斷器的電流值是(36.9A～44.3A)÷60%=61.5A～73.8A。因此，考慮安裝環(huán)境溫度影響，應(yīng)選熔斷器額定電流63A的熔斷器。

環(huán)境溫度32.1℃時(shí)，測(cè)得某品牌熔斷器兩個(gè)規(guī)格的電阻值，見表3。

表3 熔斷器電阻值

使用在1600kVA組合式變壓器上時(shí)，對(duì)應(yīng)額定電流為24.6A，二者基本發(fā)熱功率比較見表4。可見，額定電流63A與40A的熔斷器相比，發(fā)熱功率降低31%，體現(xiàn)了降容的效果。

表4 熔斷器基本發(fā)熱功率比較

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，按上述方案進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，熔斷器爆熔故障率下降，提高了組合式變壓器運(yùn)行可靠性。

結(jié)論

通過上述分析可得出如下結(jié)論：

1）高壓限流熔斷器爆熔有多種原因，主要包括：①設(shè)計(jì)選型時(shí)未滿足熔斷器降容要求；②引線銅片處滲油；③長時(shí)間熱量累積造成絕緣加速老化。

2）插入式結(jié)構(gòu)致使熔斷件散熱能力大幅下降，當(dāng)外部油溫在75℃或以上時(shí)，高壓限流熔斷器圓干筒內(nèi)的溫度將達(dá)到100℃。

3）設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)高壓限流熔斷器安裝處的環(huán)境溫度合理降容。