10 kV 雙斷口跌落式熔斷器設(shè)計(jì)

張旭鋒，夏正陽

（1.甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅 天水 741018）

（2.國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司沈陽檢測技術(shù)分公司，遼寧 沈陽 110000）

隨著我國電力技術(shù)的飛速發(fā)展，配電設(shè)備不斷的技術(shù)更新，跌落式熔斷器在配電中的運(yùn)用也越來越廣泛，尤其在10 kV 電力系統(tǒng)中，作為電力變壓器的過載、短路保護(hù)和額定電流的合分閘操作，對跌落式熔斷器的技術(shù)要求也越來越高。而且目前電網(wǎng)所使用的跌落式熔斷器都沒有遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，不能實(shí)時監(jiān)測出跌落式熔斷器的工作狀態(tài)，大大增加了檢修人員的工作難度。為了增加熔斷器的開斷性能,適應(yīng)未來電氣物聯(lián)發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)出一種新型可靠的跌落式熔斷器是必要的。10 kV 雙斷口跌落式熔斷器，在線路發(fā)生故障時，不僅比普通的跌落式熔斷器開斷更加可靠，而且具備遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，大大減少了檢修時間和檢修人員的危險系數(shù)，從而提高了檢修人員的工作效率。

1 普通跌落式熔斷器介紹

普通跌落式熔斷器基本構(gòu)造由絕緣子、觸頭組、熔管組、導(dǎo)向支架組成，如圖1 所示。

圖1 普通跌落式熔斷器

普通跌落式熔斷器在變壓器空載和負(fù)載情況下能夠正常進(jìn)行合分，當(dāng)配電線路的投切在配電變壓器超負(fù)荷工作或者短路的情況下,普通跌落式熔斷器會出現(xiàn)動作不可靠，甚至出現(xiàn)熔管炸裂的現(xiàn)象。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場工程應(yīng)用分析主要有以下幾個缺點(diǎn)：

（1）熔斷件和熔斷器不匹配，在小電流開斷后不能有足夠的熱累積效應(yīng)；

（2）在不同電流下電流的弧前時間不能滿足系統(tǒng)要求的開斷時間限制；

（3）在短路開斷的情況下，由于熔管材料問題，發(fā)生熔管炸裂，對其他用電器產(chǎn)生損壞；

（4）在開斷過程中，熔絲一直拉弧，不能及時地開斷回路；

（5）劣質(zhì)產(chǎn)品發(fā)生異常溫升，引起誤動作[1]。

目前國內(nèi)的12 kV 跌落式熔斷器的最大額定電流為200 A、最大開斷電流一般為16 kA，大大限制了其適用范圍，所以跌落式熔斷器新技術(shù)的設(shè)計(jì)更加有必要。

2 雙斷口跌落式熔斷器

雙斷口跌落式熔斷器由絕緣柱、真空泡、熔斷器、傳動機(jī)構(gòu)、觸頭、熔管組、進(jìn)線接線柱、出線接線柱、絕緣柱、遠(yuǎn)程通訊模塊等組成，如圖2 所示。

圖2 雙斷口跌落式熔斷器

設(shè)備在正常工況運(yùn)行時熔斷器雙斷口都閉合。當(dāng)線路發(fā)生故障時，熔絲燒斷，機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)動作，機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)給真空泡分閘信號，真空泡斷開，從而達(dá)到了雙斷口開斷短路電流的能力。由于熔管組跌落，觸點(diǎn)檢測模塊給遠(yuǎn)程通訊模塊一個分閘信號，遠(yuǎn)程通訊模塊將此信號傳送給主控室物聯(lián)監(jiān)測平臺，從而能更快、更迅速地通知專業(yè)檢修人員進(jìn)行故障排除。當(dāng)故障排除完畢之后，檢修人員應(yīng)更換新的熔絲，然后再遠(yuǎn)程對真空泡進(jìn)行合閘，設(shè)備檢修完畢，系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（1）真空泡和熔管組：普通的跌落式熔斷器只有一個斷口，即熔斷器在熱效應(yīng)積累導(dǎo)致熔絲熔斷的斷口，在實(shí)際運(yùn)用過程中，有可能存在不能正常分?jǐn)嗟那闆r，當(dāng)再多一個斷口時，它相當(dāng)于在回路中增加了一個可開斷大電流開關(guān)設(shè)備，可以使開斷更加的可靠[2]。本設(shè)計(jì)中在跌落式熔斷器靠近電源側(cè)加了一個真空泡，為了使熔斷器和真空泡能夠同時斷開或者斷開時差滿足要求，設(shè)計(jì)的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)能夠在熔絲動作的一瞬間將一個應(yīng)力傳送至真空泡，從而使真空泡及時開斷。

在跌落式熔斷器方面雙斷口本身是一種創(chuàng)新，而且可以在線路產(chǎn)生故障時能夠更加可靠的斷開，大大減少了經(jīng)濟(jì)損失，更加可靠的保障電網(wǎng)的正常運(yùn)行。雙斷口的在開斷過程中可以減少燃弧時間，從而減小了開斷時間，防止了爆炸的產(chǎn)生和用電設(shè)備的損壞。而且滿足了GB/T 15166.3—2008 中方式1～5 對瞬態(tài)恢復(fù)電壓、功率因數(shù)、相對于電壓零角度的合閘相角、開斷電路后工頻恢復(fù)電壓的持續(xù)時間等參數(shù)的要求。

（2）遠(yuǎn)程通訊模塊：主要由發(fā)射器、接收器和控制器組成。集成了QCA9531、QCA988 雙芯片的ac AP/Router、雙頻WIFI 模塊、SKW100 模塊，還集成了雙核MIPS CPU（650MHz）、5×10/100 Mbps 速度的以太網(wǎng)，支持USB2.0UART 接口。SKW100 集成了2.4 GHz 2×2 MIMO WLAN 芯片，內(nèi)置PA 和LAN，它支持2.4 GHz 運(yùn)行，分別支持20 MHz 和40 MHz 信道。

由于我國電力行業(yè)飛速發(fā)展和5G 時代的來臨，為了實(shí)時監(jiān)測電網(wǎng)中的各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，各種開關(guān)設(shè)備具備遠(yuǎn)程通訊功能是一種趨勢。雙斷口跌落式熔斷器增加了遠(yuǎn)程通訊功能，通過觸點(diǎn)監(jiān)測機(jī)構(gòu)連接一個常開觸點(diǎn)，當(dāng)熔斷器正常運(yùn)行時，常開觸點(diǎn)對遠(yuǎn)程通訊模塊一個低電平，主控室物聯(lián)監(jiān)測平臺顯示熔斷器正常工作，處于合閘狀態(tài)。當(dāng)熔斷器斷開時，常開觸點(diǎn)閉合，給遠(yuǎn)程通訊模塊一個高電平信號，從而主控室物聯(lián)檢測平臺顯示熔斷器已斷開。對于真空泡不僅可以進(jìn)行遠(yuǎn)程的狀態(tài)監(jiān)測，而且還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程合分閘控制。

3 性能比較

對于跌落式熔斷器必須根據(jù)GB/T 15166.3—2008 的要求進(jìn)行型式試驗(yàn)，滿足正常運(yùn)行的條件或者特殊規(guī)定技術(shù)條件（短路情況）下的試驗(yàn)[3]。對普通跌落式熔斷器和雙斷口跌落式熔斷器選用相同規(guī)格的熔絲進(jìn)行相同的預(yù)期試驗(yàn)電流進(jìn)行試驗(yàn)。按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了方式1～5 試驗(yàn)，以下只對預(yù)期試驗(yàn)電流16 kA 時的方式1 進(jìn)行對比，如圖3、圖4 所示。

圖3 普通熔斷器開斷示波圖

圖4 雙斷口熔斷器開斷示波圖

根據(jù)GB/T15166.3—2008 的要求對兩組不同的跌落式熔斷器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析：

（1）兩種類型的熔斷器都能滿足試驗(yàn)TRV 要求；

（2）普通熔斷器的通流時間為11.3 ms，雙端口熔斷器的通流時間為9.9 ms；

（3）普通熔斷器的燃弧時間為8.2 ms，雙斷口熔斷器的燃弧時間為3.2 ms。

在實(shí)際配電過程中，熔斷器在短路開斷時的通流時間和燃弧時間越短，意味著其開斷能力越強(qiáng)。在發(fā)生短路的情況下，當(dāng)通流時間過長時，熔斷器起不到保護(hù)作用，從而會燒毀電網(wǎng)中的其他設(shè)備，當(dāng)燃弧時間太長時，會造成熔斷器底座爆炸，引起周圍配電設(shè)備損壞，造成重大的電氣事故和經(jīng)濟(jì)損失。故雙斷口熔斷器相對于普通熔斷器在短路開斷能力方面有著絕對的優(yōu)勢[4]。

4 技術(shù)應(yīng)用

普通跌落式熔斷器的檢修操作不允許帶負(fù)荷操作，只允許空載情況下操作。在拉閘操作時，由于配電變壓器在三相轉(zhuǎn)換成兩相運(yùn)行時，分開中間相產(chǎn)生的電弧火花最小，其次是拉斷背風(fēng)邊相，由于中間相已被斷開，兩邊相的距離增加，即便有過電壓產(chǎn)生，造成相間短路的可能性小。最后拉斷迎風(fēng)邊相時，僅有對地的電容電流，產(chǎn)生的電火花則已很輕微。所以跌落式熔斷器一般先拉中間相，再拉背風(fēng)相側(cè)，最后拉迎風(fēng)相側(cè)。在合閘操作時，正好與拉閘操作相反[5]。

雙斷口熔斷器由于真空泡斷口在電源側(cè)，熔斷器在負(fù)荷側(cè)。在熔斷器拉閘操作之前，先斷開電源側(cè)的真空泡，再拉開熔斷器。由于在電源側(cè)已經(jīng)存在斷口，所以在拉開熔斷器的時候不存在先后順序。在熔斷器合閘操作時，由于電源側(cè)真空泡斷口斷開，所以合閘熔斷器也沒有先后次序之分，然后對真空泡進(jìn)行遠(yuǎn)控合閘，達(dá)到送電的目的。

綜上所述，雙斷口熔斷器不僅在合、分閘操作上程序簡單，而且對于檢修人員更加安全可靠，大大降低了在操作過程中的風(fēng)險。

5 結(jié)語

通過和普通跌落式熔斷器進(jìn)行對比，顯現(xiàn)出了雙斷口跌落式熔斷器在分?jǐn)嗄芰蜋z修方面的技術(shù)優(yōu)勢，并且利用遠(yuǎn)程通訊模塊實(shí)現(xiàn)了熔斷器狀態(tài)的監(jiān)測。真空泡狀態(tài)的監(jiān)控，體現(xiàn)出了設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性。隨著電力技術(shù)和5G 技術(shù)的發(fā)展，10 kV 雙斷口跌落式熔斷器一定會越來越普及。