羅泓博，趙燕峰

（1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2. 中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

引 言

當(dāng)前市場(chǎng)上的主流風(fēng)電機(jī)組功率等級(jí)為2.5～4 MW，它所發(fā)出的低壓電能通過箱變作用轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏弘娔芎笤賲R入風(fēng)電場(chǎng)。箱式變壓器典型的高低壓側(cè)電壓分別為35 kVac 與0.69 kVac。箱變中高低壓側(cè)采用的主流電氣安全配置是不同的，低壓側(cè)采用的是智能斷路器，而高壓側(cè)采用的則是熔斷器。

熔斷器是靜止部件，所以通?？梢哉J(rèn)為它的可靠性是100%。智能斷路器由采用集成電路芯片的控制器和斷路器本體構(gòu)成，是復(fù)雜的電子機(jī)械部件，在當(dāng)前技術(shù)質(zhì)量有限的前提下，不可避免地存在失效而拒動(dòng)的可能[1]。

斷路器拒動(dòng)指的是當(dāng)出現(xiàn)電氣故障且滿足斷路器跳閘條件時(shí)，斷路器由于自身原因不能跳閘而失去電氣保護(hù)功能，此時(shí)則需要高壓側(cè)熔斷器提供后備保護(hù)。

高壓側(cè)熔斷器選型必須滿足兩個(gè)條件：一是需作為高壓側(cè)短路的主保護(hù)；二是需作為低壓側(cè)短路的后備保護(hù)。本文圍繞以上兩個(gè)條件，探討高壓側(cè)熔斷器的選型。

1 等效阻抗

短路電流是熔斷器選型的重要依據(jù)之一，通過分析熔斷器后端電路的等效阻抗，進(jìn)而可以計(jì)算出相應(yīng)的短路電流。

1）箱變高壓側(cè)等效阻抗

圖1 是箱變電氣原理圖，當(dāng)前箱變高壓側(cè)普遍采用三角形接法，低壓側(cè)采用星型接法。本文在考慮高壓側(cè)熔斷器的相關(guān)問題時(shí)，將變壓器阻抗全部折算到高壓側(cè)。

圖1 箱變電氣原理圖

高壓側(cè)的等效阻抗模長(zhǎng)可按式（1）進(jìn)行計(jì)算；高壓側(cè)等效電阻可按式（2）進(jìn)行計(jì)算；高壓側(cè)等效電感可按式（3）進(jìn)行計(jì)算[2～3]；式（4）為高壓側(cè)阻抗表達(dá)式。

式中 ZT——箱變高壓側(cè)阻抗；

RT——箱變高壓側(cè)等效電阻；

XT——箱變高壓側(cè)電抗；

UrT——箱變高壓側(cè)額定電壓；

SrT——箱變額定容量；

PkrT——箱變的負(fù)載損耗；

Uk——變壓器短路電壓百分比；

IrT——箱變高壓側(cè)額定電流。

2）箱變低壓側(cè)等效阻抗

短路計(jì)算必須考慮到最遠(yuǎn)端的電氣節(jié)點(diǎn)發(fā)生短路，因此需要將低壓側(cè)等效阻抗計(jì)算延伸至機(jī)艙。從箱變低壓側(cè)到機(jī)艙，電纜長(zhǎng)度按米計(jì)算，n 根并聯(lián)，阻抗表示如式（5）（此處忽略電纜對(duì)接與端子連接處產(chǎn)生的阻抗）[3]。

式中 ZL——電纜阻抗；

RL——電纜的等效電阻；

j——虛數(shù)單位；

XL——電纜的等效電感；

m——線路長(zhǎng)度（m）；

R——電纜廠家給出的每1 000 m 電纜的電阻；

X——廠家給出的每1 000 m 電纜的電感。

再將低壓側(cè)短路阻抗折算到高壓側(cè)，折算電纜阻抗表示為式（6）：

式中 k——變壓器變比，數(shù)值等于高壓側(cè)相電壓除以低壓側(cè)相電壓。

3）箱變總阻抗

將低壓側(cè)阻抗折算到高壓側(cè)后，箱變的總阻抗表示如式（7）：

以某型風(fēng)電機(jī)組為實(shí)例進(jìn)行計(jì)算，機(jī)組的箱變參數(shù)及電纜參數(shù)如表1。

表1 某型風(fēng)電機(jī)組箱變和電纜的實(shí)際參數(shù)

將表中參數(shù)代入式（7），得到：

將低壓側(cè)阻抗折算到高壓側(cè)后，并依照式（7）計(jì)算出高壓側(cè)總的等效阻抗。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)短路時(shí)，可在此基礎(chǔ)上計(jì)算出高壓側(cè)的短路電流。

2 短路計(jì)算

1）最大短路電流

箱變將電流匯集到風(fēng)電場(chǎng)，再由風(fēng)電場(chǎng)的主變壓器并入電網(wǎng)。風(fēng)電場(chǎng)主變壓器的容量通常不大于100 MVA，短路電壓百分比不小于10.5%[4]，可依照式（8）計(jì)算箱變高壓側(cè)短路的最大短路電流。

本例中計(jì)算結(jié)果為15.7 kA，此處忽略了線路阻抗，所以實(shí)際短路電流一定小于該值，故高壓側(cè)短路的最大電流不超過15.7 kA。

2）最小短路電流

當(dāng)?shù)蛪簜?cè)發(fā)生相間短路時(shí)，在高壓側(cè)產(chǎn)生的故障電流約為600 A。考慮電壓波動(dòng)與短路的溫升效應(yīng)以及電弧短路，可對(duì)計(jì)算所得故障電流進(jìn)行可靠性折算。

假定電壓波動(dòng)為正常波動(dòng)的10%，考慮兩臺(tái)相鄰機(jī)組同時(shí)刻發(fā)生短路，其值在波動(dòng)基礎(chǔ)上再下降10%。再考慮溫度對(duì)導(dǎo)體阻抗的影響，短路時(shí)的溫升效應(yīng)導(dǎo)致等效阻抗增加，等效阻抗按照增加到1.2 倍計(jì)算。還需考慮電弧短路與位于線路末端等因素，可靠系數(shù)按1.3 進(jìn)行折算[5]，本例中折算的最后結(jié)果為310 A。

3）短路電流范圍

本例中，可認(rèn)為斷路器最大短路電流不大于15.7 kA，最小短路電流不小于310 A（當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)配置與本文所述不同時(shí)，具體的短路電流范圍應(yīng)該依據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的具體配置另行核算）。

3 勵(lì)磁涌流

變壓器因空載投入或者外部故障切除后的電壓恢復(fù)過程，會(huì)在變壓器電壓突變側(cè)產(chǎn)生數(shù)值較大的電流，這個(gè)電流稱為勵(lì)磁涌流。依據(jù)箱變的實(shí)際工況，高壓側(cè)會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，而箱變高壓側(cè)熔斷器在勵(lì)磁涌流期間不能熔斷。

在風(fēng)電機(jī)組實(shí)際工況中，高壓側(cè)合閘完畢后風(fēng)電機(jī)組需完成自檢才可并網(wǎng)發(fā)電。這個(gè)過程至少需要持續(xù)數(shù)分鐘，而此時(shí)低壓側(cè)近乎開路。高壓側(cè)在這種工況下合閘，變壓器實(shí)際充當(dāng)電抗器投入高壓側(cè)電網(wǎng)，其磁通可以用式（9）表示[6]：

式中 φt——合閘時(shí)刻的磁通；

φm——變壓器的穩(wěn)態(tài)磁通；

α——合閘初相角。

w=100π。

合閘時(shí)刻電流突增導(dǎo)致變壓器鐵芯過飽和，磁通也隨之增大，最大磁通可達(dá)額定磁通的2.3 倍[7]。對(duì)于1.6 MVA 功率等級(jí)的變壓器，勵(lì)磁涌流可達(dá)額定電流的8 倍以上[4]。

箱變勵(lì)磁涌流的大小和作用時(shí)間與變壓器的結(jié)構(gòu)型式、接線方式、容量和阻抗等因素有關(guān)，可依據(jù)實(shí)踐和理論分析計(jì)算出箱變勵(lì)磁涌流。高壓側(cè)熔斷器必須保證在勵(lì)磁涌流幅值作用以及衰減時(shí)間內(nèi)不能熔斷。

4 斷路器與熔斷器的協(xié)調(diào)與配合

箱變低壓側(cè)短路的主保護(hù)是斷路器，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)斷路器拒動(dòng)時(shí)，便由高壓側(cè)熔斷器執(zhí)行后備保護(hù)。低壓側(cè)斷路器的全斷開的最快時(shí)間是30 ms，這要求高壓側(cè)熔斷器在低壓側(cè)短路后至少30 ms 內(nèi)不能熔斷，并且還需保證在這段時(shí)間內(nèi)熔斷器不會(huì)受到顯著損傷，以免熔斷器日后正常運(yùn)行時(shí)因?yàn)闇囟冗^高而意外熔斷。

低壓側(cè)發(fā)生短路時(shí)電流會(huì)急劇增大，并且在變壓器內(nèi)部產(chǎn)生極大的電磁力，可導(dǎo)致變壓器機(jī)械結(jié)構(gòu)遭到破壞或繞組變形。因此變壓器允許的短路時(shí)間很短[4]。高壓側(cè)熔斷器必須在變壓器允許的短路時(shí)間內(nèi)切斷電路，否則將失去后備保護(hù)意義。

高壓側(cè)熔斷器在上述條件下，必須與低壓側(cè)斷路器形成協(xié)調(diào)配合，才能更好的發(fā)揮保護(hù)作用。高壓側(cè)熔斷器的保護(hù)曲線要大于低壓側(cè)斷路器的保護(hù)曲線，但同時(shí)又要小于低壓側(cè)線路、箱變繞組等電氣部件能夠承受的曲線范圍，見圖2。

圖2 高壓側(cè)熔斷器與低壓側(cè)斷路器的協(xié)調(diào)與配合

高壓側(cè)熔斷器需要在低壓側(cè)發(fā)生短路且低壓側(cè)斷路器拒動(dòng)時(shí)在低壓側(cè)電氣部件的短路耐受時(shí)間內(nèi)熔斷。熔斷器與斷路器的保護(hù)動(dòng)作曲線需要在時(shí)序上形成協(xié)調(diào)配合才能不僅實(shí)現(xiàn)其作為后備保護(hù)的功能，又不會(huì)因?yàn)閯?dòng)作時(shí)間過長(zhǎng)而導(dǎo)致?lián)p失加大或直接引起電氣事故。

5 熔斷器選型

高壓側(cè)熔斷器選型的目的是在保證風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行的條件下，更好地實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)的短路保護(hù)和低壓側(cè)短路的后備保護(hù)。在綜合考慮以下因素后，可選出最適合系統(tǒng)特性的熔斷器。

5.1 熔斷器相關(guān)額定值

5.1.1 額定電壓

為防止熔斷器熔斷時(shí)產(chǎn)生的關(guān)斷過電壓破壞系統(tǒng)絕緣，熔斷器的額定電壓不能低于運(yùn)行電壓，但也不能過高于運(yùn)行電壓，故熔斷器的額定電壓應(yīng)等于或略高于運(yùn)行電壓。

5.1.2 額定電流

熔斷器額定電流應(yīng)不低于系統(tǒng)額定電流，同時(shí)依據(jù)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的環(huán)境溫度、安裝地點(diǎn)的海拔高度、熔斷器連接導(dǎo)體的電流密度等進(jìn)行降容計(jì)算（具體的降容系數(shù)由熔斷器廠家給出）。熔斷器的額定電流是運(yùn)行額定電流經(jīng)降容計(jì)算后的電流值或與之接近的值[8]。

5.1.3 額定最大關(guān)斷電流

熔斷器的額定最大關(guān)斷電流應(yīng)不小于系統(tǒng)的最大短路電流，系統(tǒng)的最大短路電流可按第三節(jié)短路計(jì)算的方法進(jìn)行。例如，前述風(fēng)場(chǎng)的接入系統(tǒng)配置，熔斷器的額定最大關(guān)斷電流I1不能小于15.7 kA。

5.1.4 額定最小關(guān)斷電流

無論是選用全范圍分段能力還是部分范圍分段能力地熔斷器，均要求其能在最小短路電流下正常且快速地熔斷。采用部分范圍分?jǐn)嗄芰θ蹟嗥鲿r(shí)，其I3必須小于系統(tǒng)的最小短路電流[8]。例如，前述風(fēng)場(chǎng)的接入系統(tǒng)配置，箱變額定容量為1.6 MVA，熔斷器的額定最小關(guān)斷電流I3不能大于310 A。

5.2 熔斷器相關(guān)特性

5.2.1 勵(lì)磁涌流耐受能力

熔斷器要求在箱變的勵(lì)磁涌流作用下不能熔斷，且不能對(duì)熔斷器造成顯著損傷，以免影響熔斷器的長(zhǎng)期可靠性。工程應(yīng)用上，也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值對(duì)照熔斷器的“時(shí)間-電流特性曲線”來校核熔斷器；10～20 倍變壓器額定電流，持續(xù)0.1 s，熔斷器不能熔斷；或者20～25 倍變壓器額定電流，持續(xù)作用0.01 s，熔斷器不能熔斷[9]。具體電流倍數(shù)應(yīng)根據(jù)變壓器的實(shí)際情況選取。

5.2.2 時(shí)間-電流特性

該特性描述了熔斷器在短路電流下的熔斷時(shí)間。當(dāng)短路電流發(fā)生時(shí)，熔斷器必須在設(shè)備耐受的時(shí)間內(nèi)熔斷才能執(zhí)行保護(hù)。短路對(duì)變壓器繞組和機(jī)械結(jié)構(gòu)造成很大的損害，文獻(xiàn)[4]指出變壓器在短路持續(xù)0.5 s 的情況下，最多可以承受9 次而不損壞；標(biāo)準(zhǔn)[10]要求變壓器短路下最長(zhǎng)耐受時(shí)間達(dá)到2 s。因此在最小短路電流的作用下，熔斷器必須在2 s 內(nèi)熔斷，推薦該值減小到0.5 s，以便增加變壓器短路工況下的可靠性。否則僅當(dāng)發(fā)生2 次短路后，變壓器就可能損壞。對(duì)照熔斷器的時(shí)間電流曲線，要求在最小短路電流下，熔斷器的熔斷時(shí)間（弧前時(shí)間、熔化時(shí)間）在2 s 內(nèi)，推薦該值接近0.5 s。

5.3 熔斷器與低壓側(cè)斷路器的協(xié)調(diào)配合

當(dāng)?shù)蛪簜?cè)出現(xiàn)短路時(shí)，由低壓側(cè)斷路器作為主保護(hù)動(dòng)作。而只有當(dāng)?shù)蛪簜?cè)斷路器拒動(dòng)時(shí)，才由高壓側(cè)熔斷器執(zhí)行后備保護(hù)。如上文圖2 所示，低壓側(cè)斷路器的全動(dòng)作范圍均應(yīng)小于高壓側(cè)熔斷器。且在低壓側(cè)斷路器的動(dòng)作曲線下，高壓側(cè)熔斷器不能熔斷。

5.4 其它考慮因素

選擇熔斷器時(shí)還需考慮一些其它的相關(guān)因素，例如：熔斷器與負(fù)荷開關(guān)的配合；熔斷器部分損傷導(dǎo)致的過熱問題；熔斷器的額定轉(zhuǎn)換電流；熔斷器動(dòng)作后的開關(guān)開啟時(shí)間等。

6 結(jié) 論

風(fēng)電機(jī)組箱變的高壓側(cè)熔斷器，不僅承擔(dān)高壓側(cè)的短路保護(hù)，還承擔(dān)低壓側(cè)短路的后備保護(hù)。熔斷器的選型應(yīng)立足于完成以下兩個(gè)目標(biāo)：

1）機(jī)組正常運(yùn)行情況下，熔斷器不熔斷。

2）無論低壓側(cè)還是高壓側(cè)出現(xiàn)短路時(shí)，熔斷器最快熔斷，將短路損失降低到最小。

選擇正確熔斷器的核心不僅僅是在于熔斷器的額定值上，還在于熔斷器的時(shí)間-電流曲線與系統(tǒng)的短路特性相匹配，且與系統(tǒng)的各部件之間形成良好的協(xié)調(diào)配合。