中壓變壓器保護(hù)用熔斷器小電流熔斷特性的試驗(yàn)研究*

鄭嘉禧, 王國慶, 林博勇, 劉 春, 劉 潯, 臧春艷

(1.南方電網(wǎng) 廣州供電局有限公司, 廣東 廣州 510620;2.華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430074)

0 引 言

中壓變壓器保護(hù)用熔斷器廣泛應(yīng)用在配電系統(tǒng)中。當(dāng)線路發(fā)生過載或短路故障時(shí),中壓熔斷器可自行熔斷切斷電路,避免設(shè)備損壞和事故蔓延[1]。

熔斷器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)承載而不發(fā)生熔化的電流稱為約定不熔化電流。在約定不熔化電流以下,熔體不允許發(fā)生熔化現(xiàn)象。在規(guī)定時(shí)間內(nèi),能夠使熔體熔化的電流稱為約定熔化電流[1]。當(dāng)電流大于約定熔化電流時(shí),只要時(shí)間足夠長,熔斷器就會(huì)發(fā)生熔斷。在約定不熔化電流與約定熔化電流之間,熔斷器可以熔斷,也可不熔斷,熔斷與否常受到隨機(jī)因素的影響。

近些年,在電力運(yùn)行中,經(jīng)常發(fā)生一些配電變壓器、電壓互感器(Power Transformer,PT)或電容式電壓互感器(Capacitor Voltage Transformer,CVT)保護(hù)用中壓熔斷器熔斷事故[2-14]。然而,有時(shí)電力系統(tǒng)卻并未記錄到大的工頻過流或短路故障,稱這樣的熔斷事故為輕熔斷事故。目前,關(guān)于中壓變壓器保護(hù)用熔斷器輕熔斷事故原因的分析較少,更多是關(guān)于PT或CVT保護(hù)熔斷器事故的分析。文獻(xiàn)[2]對(duì)湖南省1989～1991年3年間PT一次側(cè)保護(hù)用熔斷器熔斷原因進(jìn)行了分析,主要?dú)w結(jié)為外部原因所引起,如雷擊、高壓側(cè)發(fā)生短路等。文獻(xiàn)[3-4]對(duì)35 kV CVT高壓側(cè)熔斷器熔斷的原因進(jìn)行研究,認(rèn)為系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障過程中,由于CVT鐵芯深度飽和而激發(fā)了鐵磁諧振,導(dǎo)致PT保護(hù)用熔斷器的熔斷。文獻(xiàn)[5-6]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況,利用ATP-EMTP仿真,得出超低頻振蕩是導(dǎo)致PT一次側(cè)熔斷器頻繁燒毀的原因。進(jìn)一步核實(shí)發(fā)現(xiàn),消弧裝置未投入運(yùn)行是超低頻振蕩未得到抑制的主要原因。文獻(xiàn)[7-9]對(duì)配電網(wǎng)PT高壓熔斷器異常熔斷原因和抑制措施做了深入研究。文獻(xiàn)[10]對(duì)10 kV跌落式熔斷器熔體開展溫升試驗(yàn)。文獻(xiàn)[11]利用Ansys仿真,分析了限流熔斷器的弧前過程,為理論研究和工程應(yīng)用提供依據(jù)。文獻(xiàn)[12]從發(fā)電機(jī)側(cè)PT熔斷器“慢熔”現(xiàn)象入手,分析“慢熔”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,并給出3種解決方法。文獻(xiàn)[13]提出一種低壓熔斷器過載測(cè)試方法,用于研究低壓熔斷器長期頻繁過載運(yùn)行后對(duì)熔斷器動(dòng)作特性方面的影響。文獻(xiàn)[14]以一種常用的低壓戶外1 000 A熔斷器為例,利用Ansys軟件,研究溫升、弧前時(shí)間隨熔斷器材料參數(shù)、環(huán)境溫度、散熱特性等多種因素變化的規(guī)律,為中壓熔斷器輕熔斷事故分析提供研究思路。

目前,專門針對(duì)中壓變壓器保護(hù)用熔斷器輕熔斷事故分析的文章比較少。這些事故,嚴(yán)重影響供電質(zhì)量,導(dǎo)致大量人力和物力的浪費(fèi)。本文對(duì)國內(nèi)外10家企業(yè)生產(chǎn)的中壓變壓器保護(hù)用熔斷器產(chǎn)品開展了小電流下熔斷特性試驗(yàn)研究,試圖找到發(fā)生輕熔斷事故的原因。

1 試驗(yàn)樣品

中壓變壓器保護(hù)用熔斷器外觀如圖1所示。點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3是溫升測(cè)試點(diǎn)。

圖1 中壓變壓器保護(hù)用熔斷器外觀

本次試驗(yàn)共采用了國內(nèi)外10個(gè)主要熔斷器廠家的中壓變壓器保護(hù)用熔斷器樣品,每個(gè)樣品各采購相同批次的9只嶄新試品。中壓變壓器保護(hù)用熔斷器送檢樣品如表1所示。

表1 中壓變壓器保護(hù)用熔斷器送檢樣品

2 試驗(yàn)內(nèi)容

小電流(指0～2In范圍,In為額定電流)下,中壓變壓器保護(hù)用熔斷器的主要特征參數(shù)為熔體材質(zhì)、熔體電阻、約定不熔化電流、約定熔化電流。在這些特征參數(shù)中,與輕熔斷事故關(guān)系最密切的是約定不熔化電流。

熔斷器熔體電阻大小與熔體材質(zhì)、熔體根數(shù)、熔體長度、狹頸位置、狹頸大小、狹頸個(gè)數(shù)、熔體溫度有關(guān)。熔斷器熔體材質(zhì)、熔體結(jié)構(gòu)、石英砂質(zhì)量、加工工藝決定約定不熔化電流的大小。mA級(jí)電流下測(cè)得的熔體電阻不能真實(shí)反映熔斷器工作時(shí)的狀態(tài)。按照國標(biāo)規(guī)定,需要測(cè)量0.1In電流下的熔體電阻,該電阻可以大致反映熔體的功耗特性。

試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置如下[15-16]:

(1) 0.1In電流下熔體電阻測(cè)試;

(2) 1.0In電流下穩(wěn)定溫升試驗(yàn);

(3) 1.25In電流下穩(wěn)定溫升試驗(yàn);

(4) 熔斷器熔斷特性試驗(yàn);

(5) 中壓熔斷器熔體材質(zhì)檢測(cè);

(6) 中壓熔斷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測(cè)。

3 試驗(yàn)電路

中壓熔斷器低壓恒流溫升試驗(yàn)電路如圖2所示。

圖2 中壓熔斷器低壓恒流溫升試驗(yàn)電路

接通電源,利用低壓大電流互感器將電流升高至試驗(yàn)電流大小,但輸出側(cè)電壓極低。當(dāng)輸出電流發(fā)生偏離時(shí),驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)細(xì)調(diào)一次側(cè)電壓,以獲得穩(wěn)定電流輸出。中壓熔斷器熔體熔斷時(shí),與撞針相連的高阻熔絲接入電路中。但由于輸出側(cè)電壓極低,無法輸出設(shè)定大小的電流,實(shí)際電流將變得非常小,無法熔斷與撞針相連的高阻熔絲。因此,中壓熔斷器熔體熔斷后,撞針無法彈出。若撞針在熔體熔斷前彈出了,則中壓熔斷器屬于不正常狀態(tài)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)全部委托廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院進(jìn)行。

4.1 0.1In下熔體電阻測(cè)量

為避免熔斷器電阻測(cè)量結(jié)果的隨機(jī)性,每個(gè)樣品均采用4只相同試品進(jìn)行測(cè)量。中壓熔斷器熔體電阻測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 中壓熔斷器熔體電阻測(cè)量結(jié)果

10個(gè)中壓熔斷器樣品的熔體電阻平均值在7.3～16.0 mΩ,相差較大,高達(dá)1倍以上

大部分同一廠家4個(gè)試品的熔體電阻大小相差不大。其中,#8樣品的4個(gè)送檢試品的電阻差值偏大,達(dá)到3.1 mΩ,偏差達(dá)到30%。

4.2 1.0In下熔斷器穩(wěn)定溫升試驗(yàn)

為了避免1.0In電流下熔斷器穩(wěn)定溫升測(cè)量的隨機(jī)性,一個(gè)樣品采用兩只相同試品一起測(cè)量。溫升測(cè)量點(diǎn)為3個(gè),分別選在熔管兩端和中間位置(如圖1)。中壓變壓器保護(hù)用熔斷器在1.0In電流下的穩(wěn)定溫升如表3所示。

表3 中壓變壓器保護(hù)用熔斷器在1.0In電流下的穩(wěn)定溫升

在1.0In電流下,#9樣品在通流55 min 39 s、1 h 1min時(shí)發(fā)生了熔斷。其他9個(gè)樣品在2 h內(nèi)未發(fā)生熔斷。在未發(fā)生熔斷的樣品中,穩(wěn)定溫升在81.0～151.7 K,相差較大。溫升最高者為#2樣品,最低為#5樣品。

#9樣品在1.0In電流下就發(fā)生了熔斷,可判定其質(zhì)量為不合格。

4.3 1.25In電流下穩(wěn)定溫升試驗(yàn)

為了避免1.25In電流下熔斷器穩(wěn)定溫升測(cè)量的隨機(jī)性,一個(gè)樣品采用兩只相同試品一起測(cè)量。溫升測(cè)量點(diǎn)為3個(gè),分別選在熔管兩端和中間位置(如圖1)。中壓變壓器保護(hù)用熔斷器在1.25In電流下穩(wěn)定溫升如表4所示。

表4 中壓變壓器保護(hù)用熔斷器在1.25In電流下的穩(wěn)定溫升

測(cè)試結(jié)果表明,#3樣品、#4樣品各1個(gè)試品發(fā)生了熔斷。#9樣品的2個(gè)試品全部發(fā)生了熔斷。試驗(yàn)熔斷比例達(dá)到30%。按照南網(wǎng)約定不熔化電流的大小規(guī)定,這3個(gè)樣品不滿足要求。若使用了該類產(chǎn)品,在約定不熔化電流下,在密閉的開關(guān)柜中,一定會(huì)發(fā)生輕熔斷事故。

在未發(fā)生熔斷樣品中,都是中間測(cè)試點(diǎn)溫升偏高,#2樣品溫升最高,達(dá)到232.9 K。穩(wěn)定溫升最低的為8#樣品,僅為120.1 K。

4.4 熔斷器熔斷特性

在1.0In、1.25In、1.4In、1.6In、2.0In電流下,對(duì)不同制造單位樣品的熔斷特性進(jìn)行了測(cè)量。中壓變壓器保護(hù)用熔斷器熔斷特性如表5所示。

表5 中壓變壓器保護(hù)用熔斷器熔斷特性

在1.25In、1.4In、1.6In、2.0In電流下,10個(gè)送檢樣品的熔斷特性相差較大。

在1.6In下,#6樣品發(fā)生了撞針彈出異常;在2.0In下,#5樣品、#6樣品發(fā)生了撞針彈出異常。發(fā)生撞針彈出異常共3處。

4.5 中壓熔斷器熔體材質(zhì)檢測(cè)

試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)送檢樣品熔體材質(zhì)進(jìn)行了解體檢測(cè)。

中壓變壓器保護(hù)用熔斷器送檢樣品熔體材質(zhì)如表6所示。由表6可見,各家所用材質(zhì)有所區(qū)別。

表6 中壓變壓器保護(hù)用熔斷器送檢樣品熔體材質(zhì)

4.6 內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測(cè)

試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)所有送檢樣品內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行了觀察。送檢樣品熔體材質(zhì)和形狀如圖3所示。在10個(gè)樣品中,有9個(gè)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相似,中間有七棱柱支撐,熔體由多根熔絲(純銀或純銅)均勻并繞而成,一般是6根,#1樣品～#8樣品、#10樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。該種結(jié)構(gòu)發(fā)熱、散熱比較均勻。#9樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊,未使用七棱柱支撐,內(nèi)部填滿石英砂。熔絲材質(zhì)為單根螺旋狀合金材質(zhì),#9樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)(無七棱柱支撐)如圖5所示。

圖3 送檢樣品熔體材質(zhì)和形狀

圖4 #1樣品～#8樣品、#10樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5 #9樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)(無七棱柱支撐)

#9樣品熔體電阻比較大,發(fā)熱集中,散熱性差。在相同通流情況下,發(fā)熱量大,容易發(fā)生熔斷。

4.7 討 論

在開關(guān)柜的密閉環(huán)境中,由于散熱原因,部分試驗(yàn)達(dá)標(biāo)產(chǎn)品在1.3In下也可能發(fā)生熔斷。因此,中壓變壓器保護(hù)用熔斷器產(chǎn)品質(zhì)量不合格是導(dǎo)致發(fā)生輕熔斷事故的主要原因。建議電力部門在中壓變壓器保護(hù)用熔斷器采購時(shí)選用信譽(yù)好、質(zhì)量高的產(chǎn)品,同時(shí)加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量把控,做好質(zhì)量抽檢環(huán)節(jié)。

5 結(jié) 語

通過試驗(yàn),對(duì)國內(nèi)外10種中壓變壓器保護(hù)用熔斷器樣品進(jìn)行了熔體電阻測(cè)試,開展了1.0In、1.25In、1.4In、1.6In、2.0In電流下溫升、熔斷特性試驗(yàn)。結(jié)論如下:

(1) 中壓變壓器保護(hù)用熔斷器所用熔體材質(zhì)各異,有純銀、純銅、合金、銅鍍銀4種,電阻大小變化范圍大,最大16 mΩ,最小7.3 mΩ。

(2) 在1.0In電流下,1個(gè)送檢樣品在55 min 39 s、1 h 1 min后發(fā)生了熔斷。未熔斷樣品最大穩(wěn)定溫升為151.7 K,最小溫升為76.3 K。

(3) 在1.25In電流下,3個(gè)送檢樣品發(fā)生了熔斷。熔斷時(shí)間分別是5 h 7 s、2 h 28 min、18 min 3 s。未熔斷樣品最高穩(wěn)定溫升為232.8 K。

(4) 在1.4In電流下,4個(gè)送檢樣品發(fā)生了熔斷,最短熔斷時(shí)間僅有5 min 23 s。

(5) 在1.6In電流下,5個(gè)送檢樣品發(fā)生了熔斷,最短熔斷時(shí)間是1 min。

(6) 在2.0In電流下,10個(gè)送檢樣品全部發(fā)生了熔斷。最短熔斷時(shí)間是1 min 46 s。

(7) 按照南網(wǎng)的約定不熔化電流規(guī)定,30%送檢樣品不達(dá)標(biāo)?？紤]撞針異常彈出問題,不合格比例會(huì)更高。

(8) 在開關(guān)柜的密閉環(huán)境中,由于散熱原因,部分試驗(yàn)達(dá)標(biāo)產(chǎn)品在1.3In下也可能發(fā)生熔斷。

因此,中壓變壓器保護(hù)用熔斷器產(chǎn)品質(zhì)量不合格是導(dǎo)致發(fā)生輕熔斷事故的主要原因。