風(fēng)力發(fā)電組合式變壓器用高壓限流熔斷器爆熔故障的原因分析

袁乙專 張曉峰 毛啟武 張偉濤 鐘志錦

風(fēng)力發(fā)電組合式變壓器用高壓限流熔斷器爆熔故障的原因分析

袁乙專 張曉峰 毛啟武 張偉濤 鐘志錦

（明珠電氣股份有限公司，廣州 511400）

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。文中的研究對高壓限流熔斷器的應(yīng)用具有重要的參考意義。

高壓限流熔斷器；爆熔；組合式變壓器；故障

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)測弧前時(shí)間，并對過電壓進(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，指出檢測電壓、電流特征值對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%。

坤二少爺自幼聰穎，三歲能背唐詩百首，四歲呤詩作賦，鄉(xiāng)人謂之神童。只憾張神童生逢亂世，讀至縣立麟山中學(xué)時(shí)，尚未完成學(xué)業(yè)學(xué)校停辦，便輟學(xué)回鄉(xiāng)。適逢老父過世，長兄張鐵頭闖蕩江湖，油坊無人打理，便子承父業(yè)，年方十六做了油坊主。

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于油頂層溫度要低，根據(jù)實(shí)測結(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)材料表面會發(fā)生老化分解，顏色變黃。熔斷器圓干筒內(nèi)溫度長期處于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地?fù)舸┓烹?，發(fā)生爆熔故障。

表1 熔斷器溫升測試（IN=31.5A）

圖5 熔斷器溫升試驗(yàn)

3 討論

3.1 熔斷器的質(zhì)量檢測

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，需要有對應(yīng)的質(zhì)量檢測手段[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組合體通過全部的型式試驗(yàn)，也沒有完善的檢測設(shè)備和檢測手段，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)目比較簡單，很少涉及這方面的內(nèi)容。

2）使用方對熔斷器檢測項(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)）、熔斷件電阻測量等。這些檢測項(xiàng)目不能對需要長期運(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)，對應(yīng)額定電流為24.6A，二者基本發(fā)熱功率比較見表4?？梢?，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。

5 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。

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Analysis of explosive melting fault of high voltage current-limiting fuse of pad-mounted transformer for wind turbine applications

Yuan Yizhuan Zhang Xiaofeng Mao Qiwu Zhang Weitao Zhong Zhijin

(Pearl Electric Co., Ltd, Guangzhou 511400)

One of the major threats to safe operation of the pad-mounted transformer is the failure of high voltage current-limiting fuse such as explosion melting. In view of explosive melting problem of high voltage current-limiting fuse of pad-mounted transformer for wind turbine applications, the main failure cause is analyzed. One reason is that the design and selection did not meet the requirements for reducing fuse capacity. The second reason is oil seeping at copper sheet of lead wire. The third reason is that heat accumulation for a long time causes accelerated aging of insulation. The temperature rise test of the fuse with rated current of 31.5A indicates that it is possible that the internal temperature of the high voltage current-limiting fuse is 25K higher than the external oil temperature. That is, when the external oil temperature is at or above 75℃, the temperature in the dry cylinder will reach 100℃. It is suggested that the design should be reasonably reduced capacity according to the actual installation of high voltage current-limiting fuse. Taking 1600kVA pad-mounted transformer as an example, the improvement example of design and selection is presented. The study of this paper has important reference significance for the application of high voltage current-limiting fuse.

high voltage current-limiting fuse; explosive melting; pad-mounted transformer; fault

2018-05-17

袁乙專（1965-），男，湖南永州人，本科，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)樽儔浩骷夹g(shù)。