35kV箱變高壓熔斷器慢熔故障分析及解決思路

協(xié)鑫新能源控股有限公司 胡海松 華電電力科學(xué)研究院有限公司 劉惠娟

某大型新能源光伏企業(yè)（以下簡(jiǎn)稱某公司）35kV箱變2020年多次出現(xiàn)高壓熔斷器慢熔故障，導(dǎo)致箱變燒毀、集電線路被迫退出運(yùn)行的事故，給企業(yè)造成了巨大的電量和經(jīng)濟(jì)損失。本文對(duì)該企業(yè)某型號(hào)35kV箱變高壓熔斷器慢熔故障從設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行方面進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)選型不合理是高壓熔斷器慢熔故障的主要原因。從設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)維的角度，提出了預(yù)防35kV箱變高壓熔斷器慢熔的措施。

1 箱變故障診斷

1.1 故障概況

2020年4～6月對(duì)6188臺(tái)同一型號(hào)箱變進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中33臺(tái)35kV箱變高壓熔斷器發(fā)生慢熔故障，占同期箱變故障的97%，故障造成其中15臺(tái)箱變燒毀，13臺(tái)箱變絕緣油劣化，5臺(tái)箱變高壓熔斷器絕緣底座燒毀。某電站35kV箱變爆炸造成集電線路停電33次，累計(jì)損失電量442.4萬(wàn)kWh，直接和間接經(jīng)濟(jì)損失巨大。事故也嚴(yán)重影響到電站電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了沖擊，造成極其不好的社會(huì)影響。

該型號(hào)35kV箱變及配置的高壓熔斷器銘牌參數(shù)如下：型號(hào)ZGS11-Z.G-1600/38.5，額定容量1600kVA，高壓側(cè)額定電壓38.5kV，高壓側(cè)額定電流23.99A，低壓側(cè)額定電壓500V，低壓側(cè)額定電流1847.5A，額定頻率50Hz，相數(shù)三相，連接組別Yd11，冷卻方式ONAN，短路阻抗6.31%，絕緣水平LI200AC85/AC5kV，總質(zhì)量6170kG，油質(zhì)量1200kG，高壓熔斷器型號(hào)XRNT3A-40.5/40A/S-31.5kA，額定電流40A，開(kāi)斷電流31.5kA。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查、試驗(yàn)及調(diào)取故障時(shí)錄波數(shù)據(jù)，以及箱變廠家解體檢查情況發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)均為高壓熔斷器絕緣套管擊穿造成箱變短路故障，綜合分析判斷為高壓熔斷器發(fā)熱慢熔引起套管絕緣降低導(dǎo)致絕緣套管擊穿，從而引發(fā)箱變短路故障。經(jīng)查該型高壓熔斷器是設(shè)計(jì)院按《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)第四版》選型的[1]，為某廠生產(chǎn)XRNT3A-40.5/40A/S-31.5kA高壓插入式全范圍保護(hù)熔斷器（圖1）。

圖1 某35 kV箱變燒損高壓熔斷器

2 高壓熔斷器的工作原理及故障原因分析

2.1 高壓熔斷器的工作原理及特性

箱變高壓熔斷器的作用是：當(dāng)箱變出現(xiàn)過(guò)電流或短路時(shí)，熔件熔斷后自動(dòng)切斷電路，從而保護(hù)變壓器不受損。由于現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，使熔絲在重力和熱積累的作用下出現(xiàn)老化，可能導(dǎo)致在正常的工作電流下發(fā)生斷裂，由于熔斷器是在正常的工作電流下熔斷的，熔絲的熔斷時(shí)間較長(zhǎng)，在熔絲阻值逐漸變大的過(guò)程中造成該相電壓的幅值下降，從而引起相關(guān)保護(hù)的誤動(dòng)作。

高壓熔斷器一般由金屬熔件、外殼及觸頭構(gòu)成（圖2）。從熔斷器的設(shè)計(jì)原理看，電路發(fā)生過(guò)負(fù)荷和短路、有大的故障電流經(jīng)過(guò)熔絲時(shí)，由于金屬效應(yīng)（難熔金屬在某種合金狀態(tài)下會(huì)成為易熔材料），熔絲將首先在焊有錫球的地方熔斷，隨之在電弧的作用下使熔絲沿全長(zhǎng)迅速熔化，所產(chǎn)生的電弧在石英砂的作用下迅速熄滅。熔絲在被保護(hù)設(shè)備未被損壞之前被加熱熔斷，達(dá)到斷開(kāi)電路保護(hù)設(shè)備的目的。

圖2 熔斷器結(jié)構(gòu)圖

熔斷器的熔斷特性通常用其保護(hù)特性來(lái)表示，其保護(hù)特性為t=f⑴，曲線如圖3所示，圖中橫坐標(biāo)I表示流過(guò)熔斷器的電流大小；縱坐標(biāo)t表示熔斷器熔斷所需要的時(shí)間；Ir為熔斷器工作的額定電流；θ2為熔斷器穩(wěn)定持續(xù)工作狀態(tài)下的溫度[2]。

圖3 熔斷器保護(hù)特性曲線

2.2 故障原因分析

高壓熔斷器一次插頭因材質(zhì)不同出現(xiàn)氧化層經(jīng)常接觸不好、連接螺栓松動(dòng)，給熔斷器帶來(lái)額外的溫升；高壓熔斷器所處環(huán)境溫度較高，熔絲是用熔點(diǎn)較低的金屬材料制成的金屬絲，由于熔絲極細(xì)，即便是受到外力的振動(dòng)也可能斷裂；高壓熔斷器在運(yùn)行過(guò)程中因質(zhì)量不好容易出現(xiàn)劣化甚至熔斷；進(jìn)線開(kāi)關(guān)的突然合閘、斷續(xù)弧光接地等引起鐵磁諧振過(guò)電壓可引起高壓熔斷器熔斷。

正常工作時(shí)，若流過(guò)熔件的電流小于其額定電流熔斷器不會(huì)熔斷。當(dāng)熔件流過(guò)的電流大于其額定電流時(shí)，熔斷器熔斷需要的時(shí)間與其過(guò)電流倍數(shù)有密切關(guān)系。過(guò)電流倍數(shù)越大熔斷器熔斷所需要的時(shí)間就越短，當(dāng)過(guò)電流倍數(shù)非常大時(shí)熔斷器就會(huì)瞬間熔斷。但由于現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，使熔絲在重力和熱積累的作用下出現(xiàn)老化，可能導(dǎo)致在正常的工作電流下發(fā)生斷裂，由于熔斷器是在正常的工作電流下熔斷的，熔絲的熔斷時(shí)間比較長(zhǎng)，在熔絲阻值逐漸變大的過(guò)程中造成該相電壓的幅值下降，從而引起相關(guān)保護(hù)的誤動(dòng)作。

熔斷器的保護(hù)特性與熔斷器穩(wěn)定持續(xù)工作狀態(tài)下的溫度有很大關(guān)系。當(dāng)熔斷器穩(wěn)定工作狀態(tài)下的溫度升高時(shí)，熔斷器的保護(hù)特性曲線就會(huì)左移，熔斷器更容易熔斷，甚至在流過(guò)熔斷器的電流小于其額定電流時(shí)也會(huì)造成非選擇性熔斷；當(dāng)熔斷器的熔件局部截面面積變小時(shí)，流過(guò)同樣的電流時(shí)熔斷器熔斷所需要的時(shí)間就會(huì)變短，即熔斷器的保護(hù)特性曲線會(huì)左移。

3 箱變故障處理及防范措施

某公司對(duì)該型箱變進(jìn)行一次全面排查，發(fā)現(xiàn)超裝的統(tǒng)一將原RNT3A-40.5/40A/S-31.5kA高壓熔斷器更換成XRNT3A-40.5/50A/S-31.5kA高壓熔斷器。高壓熔斷器更換前后對(duì)比圖見(jiàn)圖4，安裝完后運(yùn)行情況良好。通過(guò)對(duì)高壓熔斷器現(xiàn)場(chǎng)故障檢查，并結(jié)合歷年運(yùn)行情況，針對(duì)可能造成高壓熔斷器慢融的原因考慮從設(shè)計(jì)選型、安裝運(yùn)維階段提出以下防范措施。

圖4 高壓熔斷器更換前后照片

3.1 設(shè)計(jì)選型

設(shè)計(jì)時(shí)高壓熔斷器選型要充分考慮超裝情況（光伏行業(yè)）和箱變實(shí)際運(yùn)行工況。根據(jù)GBT15166.6-2008《用于變壓器回路的高壓熔斷器的熔斷件選用導(dǎo)則》和《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè) 第四版》，以額定容量1600kVA、額定電壓38.5kV該型箱變?yōu)槔?，高壓熔斷器額定電流選取方案如下：

Ie=Se/Ue/√3=1600kVA/38.5kV/1.732=23.9 9A，Ir=D×Ie=1.7×23.99A=40.79A（D為高壓熔斷器額定電流系數(shù)1.7～1.8，此例選1.7）。后來(lái)經(jīng)查，33臺(tái)故障箱變都有1.1～1.2倍的超裝負(fù)荷（光伏組件）情況，Ir=1.1×D×Ie=1.1×1.7×23.99A=44.8 7A（D為高壓熔斷器額定電流系數(shù)1.7～1.8，此例選1.7）。其中Ie為箱變額定電流，Se為為箱變額定容量，Ue為箱變額定電壓，Ir為熔斷器額定電流。

由于高壓熔斷器電功率與發(fā)熱量成正比，公式為P=I2R，所以I恒定的條件下，R越大電功率越大，發(fā)熱量也就越大。根據(jù)該型高壓熔斷器參數(shù)：XRNT3A-40.5/40A/S-31.5kA，阻值(20℃時(shí))33.6mΩ；XRNT3A-40.5/50A/S-31.5kA，阻值(20℃時(shí))28.1mΩ。40A型高壓熔斷器的電功率高于50A型高壓熔斷器，因此40A型高壓熔斷器的發(fā)熱量亦高于50A型高壓熔斷器。

3.2 安裝調(diào)試及運(yùn)維管理

安裝時(shí)要考慮箱變等設(shè)備額定容量，嚴(yán)格控制超設(shè)計(jì)容量安裝。避免不必要的容量冗余浪費(fèi)或是不足的情況發(fā)生，影響設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行；運(yùn)行中加強(qiáng)對(duì)后臺(tái)的監(jiān)控和設(shè)備的巡視，發(fā)現(xiàn)油溫超標(biāo)應(yīng)及時(shí)處置，控制油溫降低到85℃以下運(yùn)行[3]。停電時(shí)加強(qiáng)對(duì)高壓熔斷器外觀檢查和阻值測(cè)量，高度重視年度預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)高壓熔斷器阻值的變化，并完善熔斷器阻值歷次臺(tái)賬記錄，做好橫向及縱向趨勢(shì)分析。

4 分析結(jié)論

高壓熔斷器選型不合理是造成33臺(tái)箱變高壓熔斷器慢熔故障的主要原因。針對(duì)熔斷器質(zhì)量不穩(wěn)定的原因，要求根據(jù)設(shè)備檢修計(jì)劃定期測(cè)試高壓熔斷器直阻，出現(xiàn)明顯變化時(shí)應(yīng)及時(shí)更換，同時(shí)接觸面必須經(jīng)去氧化層處理后并適當(dāng)涂抹導(dǎo)電膠。運(yùn)行期間加強(qiáng)紅外測(cè)溫、振動(dòng)監(jiān)控。

綜上，本文通過(guò)對(duì)某公司35kV箱變高壓熔斷器慢熔故障展開(kāi)分析和計(jì)算，提出了相應(yīng)的整改辦法和防范措施，對(duì)風(fēng)電、光伏行業(yè)35kV箱變的高壓熔斷器及火電發(fā)電機(jī)出口PT熔斷器慢熔故障有積極預(yù)防的作用，對(duì)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行有很好的指導(dǎo)意義。