周利民，李 冰，趙義松，邢 凱，王飛鳴

(1.沈陽計(jì)量測(cè)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(xué)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(hù)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(hù)方便，體積小，適應(yīng)戶外環(huán)境強(qiáng)，價(jià)格便宜且有良好的短路及過載保護(hù)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(shì)，但在運(yùn)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(shí)降低了熔斷器開斷能力[3]。配電網(wǎng)對(duì)供電可靠性和安全性要求不斷提高，對(duì)熔斷器在運(yùn)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(fù)荷不斷增大，導(dǎo)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(shè)備的主要保護(hù)設(shè)備，提高其開斷能力和開斷性能勢(shì)在必行。

1 開斷試驗(yàn)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(jìn)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(dòng)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(yùn)行時(shí)，載熔件借助熔斷件張緊處于閉合位置，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，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(jìn)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(diǎn)時(shí)熄滅。熔體熔斷后，下部動(dòng)觸頭失去張力而下翻，鎖緊機(jī)構(gòu)釋放熔管，熔管跌落，形成明顯的斷開點(diǎn)[5]。熔斷器開斷能力是熔斷器最重要的安全指標(biāo)之一，開斷試驗(yàn)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(yàn)中的重點(diǎn)試驗(yàn)項(xiàng)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(hù)對(duì)象和在配電系統(tǒng)中安裝位置的不同，將其分為A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)。本文試品均為B級(jí)熔斷器。

1.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

IEC 60282-2：2008和GB/T 15166.3—2008均確定了熔斷器5種開斷試驗(yàn)方式。方式1，試驗(yàn)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(yù)期開斷電流值近似成正比，此方式驗(yàn)證滅弧管熄滅這一電流能力。方式2，試驗(yàn)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(yàn)方式1，但開斷這一電流的燃弧時(shí)間可能較長，因此熔斷器滅弧管的產(chǎn)氣材料燃弧時(shí)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(yàn)0.2～0.3倍額定開斷電流能力，開斷此電流時(shí)滅弧管內(nèi)氣壓低，因此電弧熄滅較難，此方式驗(yàn)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(yán)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(qiáng)，因此須驗(yàn)證熔斷器的這種開斷能力。方式5，驗(yàn)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(shí)間約為10 s時(shí)的電流值[6]。方式4和方式5主要驗(yàn)證熔斷器開斷過載電流能力，方式1-方式3主要驗(yàn)證熔斷器開斷較大短路電流能力，同時(shí)還要驗(yàn)證電源電壓零點(diǎn)后不同關(guān)合角度、短路電流為不同非周期分量時(shí)的開斷能力。因此，本文熔斷器試品主要進(jìn)行方式1-方式3的開斷試驗(yàn)。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(yīng)能承受住符合要求的較高瞬態(tài)恢復(fù)電壓(TRV)。GB/T 15166.3—2008中規(guī)定，額定電壓12 kV B級(jí)熔斷器方式1-方式3的TRV標(biāo)準(zhǔn)值[7]如表1所示。

表1 12 kV B級(jí)跌落式熔斷器方式1-方式3的TRV標(biāo)準(zhǔn)值

1.2 試驗(yàn)回路及參數(shù)

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

圖2 開斷試驗(yàn)回路原理

T為3臺(tái)單相短路試驗(yàn)變壓器，單臺(tái)容量88 MVA，Yd11接線方式，試驗(yàn)時(shí)中性點(diǎn)不接地。CB3為選相開關(guān)，L為調(diào)流電抗器，通過調(diào)整L調(diào)整試驗(yàn)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(cè)得信號(hào)經(jīng)隔離放大器進(jìn)入Nicolet數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

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

表2 方式1-方式3的預(yù)期試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)調(diào)整好的預(yù)期試驗(yàn)參數(shù)布置，將試品裝入試驗(yàn)位置，如圖3所示。本文涉及3個(gè)不同廠家熔斷器試品，試品編號(hào)為試品1、試品2、試品3，熔絲為實(shí)驗(yàn)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(yàn)試品位置

表3 試品主要參數(shù)

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

表4 試品開斷試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，所有試品均通過了方式3開斷試驗(yàn)，試品3在方式2、第1次試驗(yàn)條件下開斷失敗，試品2在方式2、第3次試驗(yàn)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(yàn)，開斷試驗(yàn)通過。現(xiàn)通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)及波形對(duì)開斷試驗(yàn)進(jìn)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(yàn)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(duì)熔斷器開斷性能的影響。

以圖4開斷試驗(yàn)波形為例，Ua0為系統(tǒng)電壓，Ua1為負(fù)載側(cè)電壓，Ia1為開斷電流。在Ua1開始驟升的第1個(gè)點(diǎn)認(rèn)為是起弧點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的時(shí)刻與選相開關(guān)CB3合閘時(shí)刻的時(shí)間差為弧前時(shí)間，電流Ia1過零且對(duì)應(yīng)Ua1的尖峰時(shí)刻為熄弧點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的時(shí)刻與CB3合閘時(shí)刻的時(shí)間差為全開斷時(shí)間。試品1的方式1和方式2的開斷試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表5所示。

圖4 方式1： -5°～+15°開斷試驗(yàn)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(dá)式為

(1)

式中：Im為短路電流周期分量幅值，即預(yù)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(dá)式可推出短路電流變化的特點(diǎn)：α=0或π時(shí)，短路電流峰值最大；α=φ時(shí)，非周期分量為零，短路電流峰值最??；當(dāng)φ<α<π時(shí)，i的奇數(shù)半波電流幅值較小，半波時(shí)間短；而偶數(shù)半波電流幅值較大，半波時(shí)間較長。

因此，在第1次開斷試驗(yàn)(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(shí)間最短。在第2次開斷試驗(yàn)(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(yán)酷，不利于熄弧，因此相對(duì)于第1次試驗(yàn)時(shí)全開斷時(shí)間更長。在第3次開斷試驗(yàn)(合閘相角為130°～150°)過程中，全開斷時(shí)間最長，這主要是由于開斷電流首個(gè)半波電流幅值較小，產(chǎn)生的電弧能量較小，導(dǎo)致熔管產(chǎn)生的氣體不足以將電弧熄滅，電弧一般會(huì)在第2個(gè)或第3個(gè)半波電流過零點(diǎn)時(shí)熄滅。而且，由于第3次試驗(yàn)開斷電流峰值略低于第2次，因此，第3次試驗(yàn)開斷條件嚴(yán)酷程度不次于第2次試驗(yàn)，這也在開斷試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。試品2在方式開斷試驗(yàn)過程中，通過了第1次和第2次試驗(yàn)，但在第3次試驗(yàn)開斷失敗，以往的熔斷器開斷試驗(yàn)也出現(xiàn)過類似情況。

2.2 不同電弧縮短管長度開斷對(duì)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(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)可知，3支試品均通過了方式3開斷試驗(yàn)，但試品3在方式2第1次試驗(yàn)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(diǎn)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(qiáng)最大，起弧點(diǎn)距上端帽較近，弧柱拉長拉細(xì)的速度較慢，燃弧時(shí)間較長，不利于縱吹冷卻電弧。熔斷后產(chǎn)生氣體對(duì)上端帽產(chǎn)生較大壓力，容易造成進(jìn)線端鐵件變形(見圖5)。

圖5 進(jìn)線端鐵件變形

2.3 不同熔管尺寸開斷對(duì)比

熔管是噴射式熔斷器最重要的部件之一，熔管的尺寸對(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，試品2在方式3條件下全開斷時(shí)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(duì)較低，較小的空間使熔體溫度更容易達(dá)到熔點(diǎn)，因此，熔管尺寸對(duì)弧前時(shí)間影響較大。而在方式2條件下，試品2全開斷時(shí)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(duì)弧前時(shí)間影響不大。試品2在方式2第3次試驗(yàn)時(shí)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(shí)更為明顯)，引起熔管爆炸(見圖6)。若熔管內(nèi)徑偏大，則會(huì)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(fù)荷電流時(shí)更為明顯。因此，對(duì)于不同電壓等級(jí)，不同額定電流及額定開斷電流的熔斷器，應(yīng)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(yàn)中，出現(xiàn)過銅鑄件與載熔件連接不牢固，導(dǎo)致銅鑄件與載熔件脫扣的現(xiàn)象。如圖7所示，在開斷試驗(yàn)過程中，由于強(qiáng)大氣壓導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)烈氣吹迫使電弧能量散失，導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致氣吹強(qiáng)度不夠，使電弧不能熄滅。此外，產(chǎn)氣材料在電弧作用下應(yīng)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(yàn)不僅是為了檢驗(yàn)試品的開斷能力，同時(shí)對(duì)比分析了合閘相角、電弧縮短管長度、熔管尺寸等因素對(duì)開斷性能的影響。通過試驗(yàn)分析可知，合閘相角為130°～150°開斷試驗(yàn)由于首個(gè)半波電流過零點(diǎn)一般無法熄弧導(dǎo)致全開斷時(shí)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(shí)熔管材料需有較高的機(jī)械強(qiáng)度，而且銅鑄件與熔管的連接工藝需提高。