12 kV戶外跌落式熔斷器開斷試驗分析

周利民，李 冰，趙義松，邢 凱，王飛鳴

(1.沈陽計量測試院，遼寧 沈陽 110170;2. 遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽 110179；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；4.國網(wǎng)沈陽供電公司，遼寧 沈陽 110003)

12 kV戶外跌落式熔斷器作為過流保護裝置主要用于配電變壓器高壓側(cè)或配電支干線路，其結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護方便，體積小，適應戶外環(huán)境強，價格便宜且有良好的短路及過載保護功能[1-2]。雖然跌落式熔斷器在配電網(wǎng)中有其自身優(yōu)勢，但在運行中暴露的一些問題也逐漸引起重視。熔絲誤斷、熔管燒壞、熔管誤跌落、觸頭燒蝕等現(xiàn)象，不僅影響供電可靠性，同時降低了熔斷器開斷能力[3]。配電網(wǎng)對供電可靠性和安全性要求不斷提高，對熔斷器在運行過程的穩(wěn)定性提出了更高的要求。特別是由于配電變壓器容量及負荷不斷增大，導致短路故障電流及過載電流增大，而熔斷器作為配電系統(tǒng)中的電力變壓器、架空線路等電力設備的主要保護設備，提高其開斷能力和開斷性能勢在必行。

1 開斷試驗回路布置

跌落式熔斷器主要由底座和載熔件、熔斷件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。底座主要包括進線端、出線端、靜觸頭上、靜觸頭下、絕緣子及安裝支架。載熔件主要包括動觸頭上、含有高分子產(chǎn)氣材料的熔管。熔斷件主要包括熔體、鍍錫軟銅絞線、輔助滅弧管，熔體一般為銀、錫或其合金[4]。正常運行時，載熔件借助熔斷件張緊處于閉合位置，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障電流使熔體迅速熔斷，并形成電弧，熔管內(nèi)壁產(chǎn)氣材料受電弧灼熱迅速分解出大量的氣體，滅弧氣體不僅通過吸收電弧等離子體的熱量來進行去游離作用，而且高壓高速的氣體向熔管下端噴出形成縱向吹弧，使電弧拉長并在故障電流過零點時熄滅。熔體熔斷后，下部動觸頭失去張力而下翻，鎖緊機構(gòu)釋放熔管，熔管跌落，形成明顯的斷開點[5]。熔斷器開斷能力是熔斷器最重要的安全指標之一，開斷試驗是考核熔斷器開斷能力最直接、有效的方法，也是物資抽檢試驗中的重點試驗項目。

圖1 跌落式熔斷器結(jié)構(gòu)

IEC 60282-2：2008和GB/T 15166.3—2008根據(jù)高壓噴射跌落式熔斷器的保護對象和在配電系統(tǒng)中安裝位置的不同，將其分為A級、B級、C級。本文試品均為B級熔斷器。

1.1 試驗標準

IEC 60282-2：2008和GB/T 15166.3—2008均確定了熔斷器5種開斷試驗方式。方式1，試驗100%額定開斷電流能力，基于熔斷器開斷短路電流期間產(chǎn)生的電弧能量與預期開斷電流值近似成正比，此方式驗證滅弧管熄滅這一電流能力。方式2，試驗0.6～0.8倍額定開斷電流能力，雖然這一電流產(chǎn)生的電弧能量小于試驗方式1，但開斷這一電流的燃弧時間可能較長，因此熔斷器滅弧管的產(chǎn)氣材料燃弧時間可能較長，熔斷器滅弧管的產(chǎn)氣材料燒蝕程度較大。方式3，試驗0.2～0.3倍額定開斷電流能力，開斷此電流時滅弧管內(nèi)氣壓低，因此電弧熄滅較難，此方式驗證電弧能否熄滅。方式4，開斷400～500 A電流，基于變壓器二次側(cè)出口短路，其短路電流折算到一次側(cè)的短路電流值(各種變壓器的平均值)，是一種嚴重的故障條件。此外，這一電流值是使輔助熄弧管炸碎，電弧在滅弧管內(nèi)出現(xiàn)足夠的氣壓，此氣壓為熄滅電弧的最低壓強，因此須驗證熔斷器的這種開斷能力。方式5，驗證低過流條件下的開斷能力，此電流接近熔斷件最小熔化電流，系熔斷件熔化時間約為10 s時的電流值[6]。方式4和方式5主要驗證熔斷器開斷過載電流能力，方式1-方式3主要驗證熔斷器開斷較大短路電流能力，同時還要驗證電源電壓零點后不同關合角度、短路電流為不同非周期分量時的開斷能力。因此，本文熔斷器試品主要進行方式1-方式3的開斷試驗。熔斷器開斷成功不僅是指燃弧階段能開斷符合要求的短路電流，而且在熄弧后應能承受住符合要求的較高瞬態(tài)恢復電壓(TRV)。GB/T 15166.3—2008中規(guī)定，額定電壓12 kV B級熔斷器方式1-方式3的TRV標準值[7]如表1所示。

表1 12 kV B級跌落式熔斷器方式1-方式3的TRV標準值

1.2 試驗回路及參數(shù)

圖2為開斷試驗回路原理圖。DS1、DS2、DS3為隔離開關；CB1、CB2為保護斷路器；CB3為合閘斷路器；T為短路試驗變壓器；TS為試品；TA為測量用電流互感器；L為可調(diào)電抗器；TV0、TV1為測量用分壓器；R0、C0、Cd為調(diào)頻電阻、電容。

圖2 開斷試驗回路原理

T為3臺單相短路試驗變壓器，單臺容量88 MVA，Yd11接線方式，試驗時中性點不接地。CB3為選相開關，L為調(diào)流電抗器，通過調(diào)整L調(diào)整試驗電流。R0、C0、Cd為調(diào)頻電阻、電容，通過調(diào)整其參數(shù)調(diào)整TRV參數(shù)。TA、TV0、TV1測得信號經(jīng)隔離放大器進入Nicolet數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

開斷試驗前，需先進行預期回路調(diào)整，一般用與試驗回路阻抗相比可以忽略的銅導線做金屬性短路接地，調(diào)整L、R0、C0、Cd以滿足標準要求。本文開斷試驗所用熔絲額定電流100 A，額定開斷電流12.5 kA。經(jīng)預期試驗，滿足標準要求的試驗參數(shù)如表2所示。

表2 方式1-方式3的預期試驗參數(shù)

2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)調(diào)整好的預期試驗參數(shù)布置，將試品裝入試驗位置，如圖3所示。本文涉及3個不同廠家熔斷器試品，試品編號為試品1、試品2、試品3，熔絲為實驗室統(tǒng)一采購某品牌熔絲，額定電流100 A，額定開斷電流12.5 kA。試品主要參數(shù)如表3所示。

圖3 試驗試品位置

表3 試品主要參數(shù)

試驗過程中，試驗順序按方式3、方式2、方式1進行，相對于電壓零角度的合閘相角角度按85°～105°(第1次試驗)、-5°～+15°(第2次試驗)、130°～150°(第3次試驗)進行，若某一條件下試品開斷失敗，則該試品試驗結(jié)束，開斷試驗未通過，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 試品開斷試驗結(jié)果

由表4可知，所有試品均通過了方式3開斷試驗，試品3在方式2、第1次試驗條件下開斷失敗，試品2在方式2、第3次試驗條件下熔管斷裂，試品1通過了方式1-方式3不同合閘相角條件下的開斷試驗，開斷試驗通過。現(xiàn)通過試驗數(shù)據(jù)及波形對開斷試驗進行分析。

2.1 不同合閘相角下開斷過程分析

由于方式1和方式2需要驗證-5°～+15°、85°～105°、130°～150° 3種不同合閘相角下熔斷器的開斷能力，以試品1為例，分析不同合閘相角對熔斷器開斷性能的影響。

以圖4開斷試驗波形為例，Ua0為系統(tǒng)電壓，Ua1為負載側(cè)電壓，Ia1為開斷電流。在Ua1開始驟升的第1個點認為是起弧點，對應的時刻與選相開關CB3合閘時刻的時間差為弧前時間，電流Ia1過零且對應Ua1的尖峰時刻為熄弧點，對應的時刻與CB3合閘時刻的時間差為全開斷時間。試品1的方式1和方式2的開斷試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表5所示。

圖4 方式1： -5°～+15°開斷試驗波形

表5 試品1的方式1和方式2開斷數(shù)據(jù)

不同合閘相角，峰值電流區(qū)別較大是由于短路電流非周期分量造成。短路電流變化的一般表達式為

(1)

式中：Im為短路電流周期分量幅值，即預期開斷電流的幅值；i～為短路電流的周期分量；i-為短路電流的非周期分量；R，L為回路電阻和電感；α為短路出現(xiàn)瞬間電源電壓的相角；φ為短路阻抗的功率因數(shù)角。

由表達式可推出短路電流變化的特點：α=0或π時，短路電流峰值最大；α=φ時，非周期分量為零，短路電流峰值最小；當φ<α<π時，i的奇數(shù)半波電流幅值較小，半波時間短；而偶數(shù)半波電流幅值較大，半波時間較長。

因此，在第1次開斷試驗(合閘相角為85°～105°)過程中，由于開斷電流直流分量最小，因此開斷電流峰值最小，產(chǎn)生的電弧更容易熄滅，故全開斷時間最短。在第2次開斷試驗(合閘相角為-5°～+15°)過程中，由于開斷電流直流分量最大，弧隙中電弧能量增大，開斷條件更嚴酷，不利于熄弧，因此相對于第1次試驗時全開斷時間更長。在第3次開斷試驗(合閘相角為130°～150°)過程中，全開斷時間最長，這主要是由于開斷電流首個半波電流幅值較小，產(chǎn)生的電弧能量較小，導致熔管產(chǎn)生的氣體不足以將電弧熄滅，電弧一般會在第2個或第3個半波電流過零點時熄滅。而且，由于第3次試驗開斷電流峰值略低于第2次，因此，第3次試驗開斷條件嚴酷程度不次于第2次試驗，這也在開斷試驗中得到了驗證。試品2在方式開斷試驗過程中，通過了第1次和第2次試驗，但在第3次試驗開斷失敗，以往的熔斷器開斷試驗也出現(xiàn)過類似情況。

2.2 不同電弧縮短管長度開斷對比

由試品參數(shù)可知，試品1、試品2電弧縮短管長度分別為10.5 cm、13 cm，試品3無電弧縮短管，試驗數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 不同電弧縮短管長度開斷數(shù)據(jù)

通過試驗數(shù)據(jù)可知，3支試品均通過了方式3開斷試驗，但試品3在方式2第1次試驗開斷失敗，主要是由于試品3無電弧縮短管所致。熔體在熔管中的位置決定了電弧起弧點的位置，決定了熔管內(nèi)壁最先分解產(chǎn)氣的位置，直接影響吹弧效果。熔體所在位置的壓強最大，起弧點距上端帽較近，弧柱拉長拉細的速度較慢，燃弧時間較長，不利于縱吹冷卻電弧。熔斷后產(chǎn)生氣體對上端帽產(chǎn)生較大壓力，容易造成進線端鐵件變形(見圖5)。

圖5 進線端鐵件變形

2.3 不同熔管尺寸開斷對比

熔管是噴射式熔斷器最重要的部件之一，熔管的尺寸對熔斷器的開斷能力有較大影響。試品1和試品2熔管內(nèi)徑分別為16 cm和13.6 cm。通過開斷試驗數(shù)據(jù)對比分析可知，試品2在方式3條件下全開斷時間明顯小于試品1，這主要是由于試品2的熔管內(nèi)徑小于試品1，而方式3開斷電流產(chǎn)生的氣壓相對較低，較小的空間使熔體溫度更容易達到熔點，因此，熔管尺寸對弧前時間影響較大。而在方式2條件下，試品2全開斷時間略小于試品1，主要是由于方式2條件下開斷電流產(chǎn)生的氣壓較高，熔管尺寸對弧前時間影響不大。試品2在方式2第3次試驗時開斷失敗，熔管底部斷裂，主要是由于熔管內(nèi)徑偏小，短路電流瞬間產(chǎn)氣量太大，管內(nèi)壓力過高(開斷較大短路電流時更為明顯)，引起熔管爆炸(見圖6)。若熔管內(nèi)徑偏大，則會因產(chǎn)氣量不足而不能熄弧，造成開斷失敗，這種現(xiàn)象在開斷過負荷電流時更為明顯。因此，對于不同電壓等級，不同額定電流及額定開斷電流的熔斷器，應選擇適合尺寸的熔管以提高熔斷器開斷能力(見表7)。

圖6 熔管炸裂

表7 不同熔管尺寸開斷數(shù)據(jù)

3 影響熔斷器開斷性能的其他因素

在以往的試驗中，出現(xiàn)過銅鑄件與載熔件連接不牢固，導致銅鑄件與載熔件脫扣的現(xiàn)象。如圖7所示，在開斷試驗過程中，由于強大氣壓導致銅鑄件與載熔件脫扣炸飛，這主要是由于銅鑄件與載熔件連接工藝差造成的。

圖7 銅鑄件脫扣

載熔件內(nèi)產(chǎn)氣材料涂層厚度不夠，也容易導致開斷失敗。熔斷器開斷氣吹主要是由開斷電流電弧引燃載熔件內(nèi)產(chǎn)氣材料，強烈氣吹迫使電弧能量散失，導致電弧弧道不能自持，電弧熄滅。若產(chǎn)氣材料涂層厚度不夠會導致氣吹強度不夠，使電弧不能熄滅。此外，產(chǎn)氣材料在電弧作用下應不被碳化(或碳化較輕)，自身消耗量小，這樣才能多次承受電弧作用。

4 結(jié)語

本文所涉及到的開斷試驗不僅是為了檢驗試品的開斷能力，同時對比分析了合閘相角、電弧縮短管長度、熔管尺寸等因素對開斷性能的影響。通過試驗分析可知，合閘相角為130°～150°開斷試驗由于首個半波電流過零點一般無法熄弧導致全開斷時間最長，需引起重視。熔斷件需選配長度適合的電弧縮短管以提高熔斷器的整體開斷性能。選擇合適尺寸的熔管，同時熔管材料需有較高的機械強度，而且銅鑄件與熔管的連接工藝需提高。