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行的事故，給企業(yè)造成了巨大的電量和經(jīng)濟損失。本文對該企業(yè)某型號35kV箱變高壓熔斷器慢熔故障從設(shè)計、安裝、運行方面進行了分析，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、安裝和運維的角度，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6188臺同一型號箱變進行統(tǒng)計，其中33臺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臺箱變燒毀，13臺箱變絕緣油劣化，5臺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，累計損失電量442.4萬kWh，直接和間接經(jīng)濟損失巨大。事故也嚴(yán)重影響到電站電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，同時對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成了沖擊，造成極其不好的社會影響。

該型號35kV箱變及配置的高壓熔斷器銘牌參數(shù)如下：型號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XRNT3A-40.5/40A/S-31.5kA，額定電流40A，開斷電流31.5kA。

1.2 現(xiàn)場檢查情況

通過現(xiàn)場檢查、試驗及調(diào)取故障時錄波數(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)計院按《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊第四版》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)過電流或短路時，熔件熔斷后自動切斷電路，從而保護變壓器不受損。由于現(xiàn)場的運行環(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，熔絲的熔斷時間較長，在熔絲阻值逐漸變大的過程中造成該相電壓的幅值下降，從而引起相關(guān)保護的誤動作。

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)計原理看，電路發(fā)生過負荷和短路、有大的故障電流經(jīng)過熔絲時，由于金屬效應(yīng)（難熔金屬在某種合金狀態(tài)下會成為易熔材料），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。熔絲在被保護設(shè)備未被損壞之前被加熱熔斷，達到斷開電路保護設(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特性來表示，其保護特性為t=f⑴，曲線如圖3所示，圖中橫坐標(biāo)I表示流過熔斷器的電流大小；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，給熔斷器帶來額外的溫升；高壓熔斷器所處環(huán)境溫度較高，熔絲是用熔點較低的金屬材料制成的金屬絲，由于熔絲極細，即便是受到外力的振動也可能斷裂；高壓熔斷器在運行過程中因質(zhì)量不好容易出現(xiàn)劣化甚至熔斷；進線開關(guān)的突然合閘、斷續(xù)弧光接地等引起鐵磁諧振過電壓可引起高壓熔斷器熔斷。

正常工作時，若流過熔件的電流小于其額定電流熔斷器不會熔斷。當(dāng)熔件流過的電流大于其額定電流時，熔斷器熔斷需要的時間與其過電流倍數(shù)有密切關(guān)系。過電流倍數(shù)越大熔斷器熔斷所需要的時間就越短，當(dāng)過電流倍數(shù)非常大時熔斷器就會瞬間熔斷。但由于現(xiàn)場的運行環(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，熔絲的熔斷時間比較長，在熔絲阻值逐漸變大的過程中造成該相電壓的幅值下降，從而引起相關(guān)保護的誤動作。

熔斷器的保護特性與熔斷器穩(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，熔斷器的保護特性曲線就會左移，熔斷器更容易熔斷，甚至在流過熔斷器的電流小于其額定電流時也會造成非選擇性熔斷；當(dāng)熔斷器的熔件局部截面面積變小時，流過同樣的電流時熔斷器熔斷所需要的時間就會變短，即熔斷器的保護特性曲線會左移。

3 箱變故障處理及防范措施

某公司對該型箱變進行一次全面排查，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比圖見圖4，安裝完后運行情況良好。通過對高壓熔斷器現(xiàn)場故障檢查，并結(jié)合歷年運行情況，針對可能造成高壓熔斷器慢融的原因考慮從設(shè)計選型、安裝運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)計選型

設(shè)計時高壓熔斷器選型要充分考慮超裝情況（光伏行業(yè)）和箱變實際運行工況。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)計手冊 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）。后來經(jīng)查，33臺故障箱變都有1.1～1.2倍的超裝負荷（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)33.6mΩ；XRNT3A-40.5/50A/S-31.5kA，阻值(20℃時)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)試及運維管理

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

4 分析結(jié)論

高壓熔斷器選型不合理是造成33臺箱變高壓熔斷器慢熔故障的主要原因。針對熔斷器質(zhì)量不穩(wěn)定的原因，要求根據(jù)設(shè)備檢修計劃定期測試高壓熔斷器直阻，出現(xiàn)明顯變化時應(yīng)及時更換，同時接觸面必須經(jīng)去氧化層處理后并適當(dāng)涂抹導(dǎo)電膠。運行期間加強紅外測溫、振動監(jiān)控。

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