楊文呈，劉紅文，楊慶

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司臨滄供電局，云南 臨滄 677000；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650011；3. 重慶大學(xué)，重慶 400044）

0 前言

在中低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中，在母線上安裝一臺(tái)電壓互感器（VT），具有監(jiān)視、測(cè)量和保護(hù)功能。因此，電壓互感器的安全可靠運(yùn)行直接影響到配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。高壓熔斷器一般在電壓互感器回路中串聯(lián)，以保護(hù)電壓互感器，防止電壓互感器故障影響系統(tǒng)。熔斷器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全可靠、價(jià)格低廉、限流能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1]。保險(xiǎn)絲熔斷后，為了使VT 繼續(xù)正常工作，操作員必須立即更換高壓保險(xiǎn)絲。如果頻繁熔斷，變電站供電的可靠性大大降低。在實(shí)際運(yùn)行中，電壓互感器的高壓熔斷器經(jīng)常發(fā)生非正常熔斷，有時(shí)電壓互感器也會(huì)不規(guī)則燒毀[2]。圖1 所示為35 kV 變電站電壓互感器因保險(xiǎn)絲未及時(shí)熔斷而燒毀，繞組比例尺為700:1。

圖1 A相電壓互感器（VT）繞組損壞

近年來(lái)，人們對(duì)熔斷器的研究取得了一些進(jìn)展。以往人們認(rèn)為，鐵磁諧振是引起電壓互感器熔斷器熔斷的主要原因，但經(jīng)過(guò)深入研究后，人們認(rèn)為鐵磁諧振不是主要原因。熔斷器不熔斷的原因主要有以下幾點(diǎn)：

1）鐵磁諧振產(chǎn)生飽和電流[3-12]。如果鐵磁諧振不被抑制，長(zhǎng)期的電壓互感器電流會(huì)導(dǎo)致電壓互感器熔斷器過(guò)熱而熔斷，從而保護(hù)配電網(wǎng)。

2）電磁暫態(tài)過(guò)程[13]。故障恢復(fù)后的電容放電沖擊電流是熔斷器熔斷的主要原因[14-16]。接地故障排除后，線路電壓由線路電壓恢復(fù)到正常相電壓。由于線對(duì)地電容上的電荷對(duì)地被切斷，電荷只能通過(guò)保險(xiǎn)絲，通過(guò)電壓互感器一次側(cè)的中性點(diǎn)進(jìn)入地[13]。當(dāng)線路較長(zhǎng)時(shí)，自由電荷較多，產(chǎn)生較大的沖擊電流，引起電壓互感器鐵心飽和。此飽和電流可能超過(guò)保險(xiǎn)絲的熔斷電流，并導(dǎo)致保險(xiǎn)絲熔斷。當(dāng)系統(tǒng)中多次發(fā)生單相瞬時(shí)接地時(shí)，上述過(guò)程反復(fù)發(fā)生，沖擊電流較大，熔斷器更容易熔斷。

3）電暈放電：由于熔斷器的有效部分只有0.2～0.5 mm，額定電壓為10 kV 或更高的熔斷器在氧化后可能因與電暈放電有關(guān)的熱效應(yīng)而熔斷。

4）銅線氧化：銅線氧化后，其電阻增大，更容易被吹滅。

5）保險(xiǎn)絲質(zhì)量：目前，熔斷器的結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，制造質(zhì)量往往參差不齊。目前，電壓互感器的熔斷器熔斷后，常用的方法是更換熔斷器，但這并不妨礙熔斷器熔斷。有時(shí)，增加保險(xiǎn)絲的額定電流是為了防止熔斷[13]。這種方法可以降低熔斷概率，降低熔斷器對(duì)電壓互感器的保護(hù)作用，導(dǎo)致變壓器燒毀。為了進(jìn)一步研究熔斷器的異常熔斷現(xiàn)象，解決VTs 中的這些問(wèn)題，本文對(duì)不同熔體材料和結(jié)構(gòu)的VT 熔斷器進(jìn)行了試驗(yàn)，包括穩(wěn)態(tài)電流特性、電磁暫態(tài)沖擊特性[17]、分?jǐn)嗵匦?、X 射線特性和熔斷器電暈特性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)配電網(wǎng)VT 熔斷器的選擇提出了建議。

1 熔斷器電流特性測(cè)試與分析

1.1 穩(wěn)定電流特性

在中性點(diǎn)隔離系統(tǒng)中，高壓限流熔斷器[18-20]用于保護(hù)電壓互感器。在正常運(yùn)行情況下，當(dāng)電壓互感器電流過(guò)大時(shí)，熔斷器會(huì)及時(shí)熔斷以切斷電壓互感器。

VT 電流過(guò)大的原因有很多，如鐵磁諧振過(guò)電壓、短路故障、故障恢復(fù)后電容器放電沖擊電流或保險(xiǎn)絲質(zhì)量低。在實(shí)際操作中，當(dāng)斷路器斷開或閉合時(shí)，VT 保險(xiǎn)絲可能熔斷。然而，由于鐵磁諧振或短路故障，保險(xiǎn)絲也可能無(wú)法及時(shí)熔斷。因此，必須根據(jù)實(shí)際線路系統(tǒng)參數(shù)選擇合適的VT 熔斷器類型。目前，10 kV 系統(tǒng)電壓互感器熔斷器的額定電流一般為0.5 或1 A，35 kV 系統(tǒng)電壓互感器熔斷器的額定電流一般為1 A 或2 A。在現(xiàn)有變電站使用的熔斷器中，本文考慮了10 kV/0.5A、10 kV/1 A、35 kV/1 A 和35 kV/2 A 四個(gè)系統(tǒng)的七個(gè)VT 熔斷器樣品（F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7）進(jìn)行穩(wěn)態(tài)電流測(cè)試。本文旨在為選擇合適參數(shù)的VT 熔斷器提供參考。同一型號(hào)的7 個(gè)VT 保險(xiǎn)絲樣品的保險(xiǎn)絲長(zhǎng)度和截面積幾乎相同。所選保險(xiǎn)絲編號(hào)如表1 所示。表1 中相同編號(hào)的四個(gè)系統(tǒng)（10 kV/0.5 A、10 kV/1 A、35 kV/1 A和35 kV/2 A）的保險(xiǎn)絲由相同的材料組成。

表1 保險(xiǎn)絲樣品

圖2 是isa 測(cè)試流程圖。測(cè)試包括施加交流電流，即電流RMS（均方根）值，持續(xù)2 min，以檢測(cè)保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)的電流水平。施加了大于保險(xiǎn)絲額定電流的恒定電流。如果連續(xù)施加超過(guò)2 分鐘的電流沒(méi)有引起熔斷，則將保險(xiǎn)絲冷卻至正常溫度，斷開，然后向保險(xiǎn)絲施加增量為0.5 A 的電流。這項(xiàng)測(cè)試一直持續(xù)到保險(xiǎn)絲燒斷為止。不同保險(xiǎn)絲系統(tǒng)的2 分鐘穩(wěn)態(tài)電流值如圖3 所示。

圖2 測(cè)試流程圖

圖3 10/35 kV VT系統(tǒng)的2分鐘穩(wěn)態(tài)電流值

對(duì)于10 kV/0.5 A VT 熔斷器，2 min 穩(wěn)態(tài)電流值在1.5～2 A 范圍內(nèi)，是額定電流的3～4 倍對(duì)于10 kV/1 A VT 保險(xiǎn)絲，2 min 穩(wěn)態(tài)電流值顯示出更大的分散性，最小值為2.5 A，最大值為5 A。對(duì)于額定電流為1 A 的35 kV VT 保險(xiǎn)絲，電流值在2.5～5 A 之間。額定電流為2 A 的保險(xiǎn)絲具有最大的熔斷電流值分散性，F(xiàn)4、F5、F6 和F7 保持在約5 A，F(xiàn)1、F2和F3高達(dá)8.5、9.5 和11 A。從圖3 和上圖來(lái)看，不同類型保險(xiǎn)絲的2 分鐘穩(wěn)態(tài)電流值僅與VT 額定電流有關(guān)，而與電壓水平無(wú)關(guān)。對(duì)于同一型號(hào)的熔斷器，基于銅成分的2 min 穩(wěn)態(tài)電流值高于基于銀和鎳成分的。額定電流較高的熔斷器，其2 min穩(wěn)態(tài)電流值的差異表明，這種熔斷器的制造質(zhì)量差異很大。為了配合VT 熔斷器的選擇，本文根據(jù)35 kV 變電站的實(shí)際數(shù)據(jù)，采用PSCAD（power system scomputer aidedde sign） 構(gòu)建了VT 電流仿真電路，如圖4 所示，研究了發(fā)生鐵磁諧振時(shí)VT 電流的大小。35 kV Ⅰ段母線和線路總電容電流約11 A，三段支路分別為17.394 km、27.607 km 和5 km。35 kV 架空線路的電容電流為0.13a/ km，三段線路的總線性電流約為5.55 A。模擬了空載線路切除后產(chǎn)生的鐵磁諧振。因此，只有母線設(shè)備和變電站電纜的電容參與諧振。因此，35 kV Ⅰ段母線設(shè)備及電纜電容電流約為5.45 A，計(jì)算出各相線對(duì)地電容為0.286 μF。值為0.1 Ω 由系統(tǒng)阻抗求得。變壓器二次側(cè)母線電壓為35 kV，為準(zhǔn)確模擬VT 電流，未安裝避雷器。鐵磁諧振由C 相接地觸發(fā)。圖5 顯示了鐵磁共振的模擬波形。0.1 s 時(shí)，C 相接地0.1 s。在0.2 s 時(shí)，接地消失，產(chǎn)生穩(wěn)定的交叉共振。模擬接地故障時(shí)，各相過(guò)電壓峰值為70.0 kV，穩(wěn)定后峰值為54.2 kV。零序電壓波形表明為1/2 分諧振，此時(shí)VT 一次繞組的電流峰值約為4 A。

圖4 35 kV VT.HV鐵磁諧振電流模擬

圖5 35 kV時(shí)的鐵磁共振波形

圖5 顯示了接地恢復(fù)引起的變壓器鐵磁諧振的脈沖電流幅度。脈沖電流是保險(xiǎn)絲額定電流的幾倍。熔斷器不能有效隔離故障，造成變壓器損壞。根據(jù)鐵磁諧振時(shí)VT 電流的仿真結(jié)果，35 kV 系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振時(shí)VT 電流約為3～5 A。改變參數(shù)后，10 kV 系統(tǒng)的VT 電流約為2-4.5 A。因此，當(dāng)發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，額定電流較大的VT 熔斷器可能無(wú)法及時(shí)熔斷。在配電網(wǎng)系統(tǒng)中安裝電壓互感器熔斷器時(shí)，應(yīng)慎重選擇電壓互感器的型號(hào)，額定電流應(yīng)在1 A 及以下。

1.2 電磁瞬態(tài)沖擊特性

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生多次單相瞬時(shí)接地時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的電流，導(dǎo)致保險(xiǎn)絲熔斷。本文測(cè)試了作者提出的引信抗電磁暫態(tài)沖擊特性，如圖6所示。

圖6 熔斷器電磁暫態(tài)沖擊試驗(yàn)電路

試驗(yàn)裝置如圖7 所示。根據(jù)對(duì)熔斷器的相關(guān)試驗(yàn)，熔斷器多次受到的瞬態(tài)沖擊電流幅值小于30 A，大部分沖擊集中在5～30 A 范圍內(nèi)。波形的半波時(shí)間約為10 ms。在測(cè)試過(guò)程中，根據(jù)U、L、R 和C 調(diào)整電流的上升沿和峰值。根據(jù)波形要求，選擇電容器（C）為3000 μF，電感（L）為20 mh 通過(guò)充電電壓和樣品電阻調(diào)節(jié)電流幅值。該試驗(yàn)從峰值電流10 A 開始，對(duì)四個(gè)系統(tǒng)的五個(gè)保險(xiǎn)絲樣品（表示為F1、F2、F5、F6和F7）進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，以5 A 的增量增加，直到保險(xiǎn)絲熔斷。在熔斷器熔斷時(shí)的峰值電流I 處，峰值電流從5 A 逐漸減小，并對(duì)熔斷器反復(fù)進(jìn)行10 次沖擊試驗(yàn)，以確定沖擊電流I10，熔斷器可承受10 次沖擊電流而不熔斷。

圖7 測(cè)試設(shè)置的圖片

10 kV 熔斷器的試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。在10 kV/0.5A 熔斷器中，F(xiàn)5、F6和F7至少能承受10 A 電流。10 kV/1 A 保險(xiǎn)絲F5、F6和F7至少能承受30 A 電流。F1和F21 A 保險(xiǎn)絲的沖擊電流閾值分別高達(dá)80 和100 A。因此，如果在配電網(wǎng)中使用F1和F21 A 熔斷器，故障恢復(fù)后的電容器放電沖擊電流可能不會(huì)導(dǎo)致熔斷器熔斷。電力系統(tǒng)通常有大約10 A 的沖擊電流。如果使用F1和F20.5 A 熔斷器，這些熔斷器不能承受一定幅度的瞬態(tài)脈沖電流，可能會(huì)熔斷。因此，對(duì)于10 kV系統(tǒng)，應(yīng)選擇額定電流為1 A的保險(xiǎn)絲。

圖8 10 kV熔斷器承受的最大沖擊電流幅度

35 kV 熔斷器的試驗(yàn)結(jié)果如上圖9 所示。電容器額定電壓的限制和單個(gè)35 kV 熔斷器的高直流電阻意味著35 kV 熔斷器能夠承受的沖擊電流的大小不是限制值。因此，如果在35 kV系統(tǒng)中使用F1和F22 A 保險(xiǎn)絲，則保險(xiǎn)絲不容易熔斷。這可能會(huì)影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行，并導(dǎo)致VT 損壞事件進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖9 35 kV熔斷器承受的最大沖擊電流振幅

通過(guò)對(duì)10 kV 和35 kV 熔斷器的2 min 穩(wěn)態(tài)電流特性和電磁暫態(tài)沖擊特性的分析，發(fā)現(xiàn)在額定電流過(guò)高或過(guò)低的情況下，熔斷器可能發(fā)生異常熔斷。因此，本文推薦在10 kV 系統(tǒng)中使用10 kV/1 A 熔斷器，在35 kV 系統(tǒng)中使用35 kV/1 A 熔斷器。

2 分?jǐn)嗵匦?/h2>

本文采用分?jǐn)嘣囼?yàn)對(duì)VT 熔斷器分?jǐn)鄷r(shí)的電弧特性進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試原理如圖10 所示。充電電容器（C）的尺寸為55.7 mF，電抗器的電感為186.7 mH。當(dāng)電流源為零負(fù)載電阻或電阻較小時(shí)，對(duì)于欠阻尼條件，每施加1 kV 充電電壓，預(yù)期放電電流為10 A，頻率為50 Hz。

圖10 保險(xiǎn)絲熔斷試驗(yàn)示意圖

35 kV/1 A 熔斷器的典型分?jǐn)嗷謴?fù)電壓和分?jǐn)嚯娏魅鐖D11 所示。從波形上看，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，恢復(fù)電壓和分?jǐn)嚯娏饔幸粋€(gè)瞬態(tài)脈沖。這與電流源的內(nèi)部電路有關(guān)。本文只考慮了脈沖后恢復(fù)電壓和開斷電流波形的特性。

圖11 35 kV/1 A熔斷器的斷開波形

四種型號(hào)的五個(gè)熔斷器的試驗(yàn)結(jié)果、恢復(fù)電壓和開斷電流幅值以及開斷電流持續(xù)時(shí)間如圖12 所示。35 kV 熔斷器的恢復(fù)電壓達(dá)到最大值后，下降到充電電壓值，恢復(fù)電壓約為2 kV?；謴?fù)電壓后，10 kV 熔斷器達(dá)到最大值，突然由負(fù)變正，然后恢復(fù)正常充電電壓。10 kV 熔斷器的恢復(fù)電流為2～9 kV，斷開電流約為100 A。如圖10 所示，以銀和鎳為主要成分的熔斷器，熔斷器的恢復(fù)電壓和開斷電流較小，性能相對(duì)穩(wěn)定。

圖12 每種保險(xiǎn)絲類型的斷開特性

此外，由于熔斷后的重燃，個(gè)別類型熔斷器的電壓波形在斷開電流為零前出現(xiàn)異常波動(dòng)。部分熔斷的保險(xiǎn)絲如圖13 所示。對(duì)于35 kV 保險(xiǎn)絲，F(xiàn)5保險(xiǎn)絲線消失，其他保險(xiǎn)絲的保險(xiǎn)絲線中間有多個(gè)保險(xiǎn)絲。對(duì)于10 kV 熔斷器，各熔斷器的熔斷特性不同。在圖13 中，熔絲管沒(méi)有爆炸，發(fā)現(xiàn)在相同的開斷電流下熔絲的開斷性能不一致，影響了熔絲隔離故障的性能。

圖13 保險(xiǎn)絲的熔斷特性

3 X射線檢查

由于引信的封閉結(jié)構(gòu)，本文采用X 射線檢查技術(shù)對(duì)引信內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢查。X 射線探測(cè)器如圖14 所示。35 kV/2 A 保險(xiǎn)絲的保險(xiǎn)絲X 射線測(cè)試圖如圖15 所示。這些結(jié)果表明個(gè)別保險(xiǎn)絲不合格。F1、F2、F3和F4保險(xiǎn)絲沒(méi)有用于纏繞保險(xiǎn)絲的支架，如圖15a～d 所示。有的熔斷器繞線不均勻，靠近熔斷器內(nèi)管壁，可能造成熔斷器發(fā)熱不均，導(dǎo)致局部發(fā)熱或大電流下發(fā)黑。這些特性也可能影響保險(xiǎn)絲的限流特性。F4保險(xiǎn)絲出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，導(dǎo)致保險(xiǎn)絲電阻增大，發(fā)熱加劇，正常情況下保險(xiǎn)絲更容易熔斷。此外，F(xiàn)1和F3采用了兩個(gè)1 A 保險(xiǎn)絲并聯(lián)，這使得電流過(guò)載時(shí)保險(xiǎn)絲不太容易熔斷。這導(dǎo)致最大2 分鐘穩(wěn)態(tài)電流值遠(yuǎn)高于其他同類型保險(xiǎn)絲的值。F5、F6和F7保險(xiǎn)絲具有繞組支架，如圖15e-g 所示，這促進(jìn)了保險(xiǎn)絲相對(duì)穩(wěn)定的性能，并在2 分鐘穩(wěn)態(tài)電流和電磁瞬態(tài)沖擊試驗(yàn)中提供了更好的可靠性。如果保險(xiǎn)絲沒(méi)有支架，保險(xiǎn)絲氧化、并聯(lián)熔斷等質(zhì)量問(wèn)題容易導(dǎo)致保險(xiǎn)絲異常熔斷。因此，最好選擇一個(gè)保險(xiǎn)絲，它有一個(gè)單一的保險(xiǎn)絲和繞組支架，這是不容易氧化。

圖14 X射線探測(cè)器

圖15 保險(xiǎn)絲的X射線檢查

4 電暈特性

實(shí)驗(yàn)裝置如圖16 所示。電暈試驗(yàn)方案用于破壞保險(xiǎn)絲管壁，使內(nèi)部保險(xiǎn)絲暴露在空氣中，并通過(guò)紫外線成像儀在不同電壓下觀察保險(xiǎn)絲的電暈特性[21-23]。環(huán)氧支撐板的尺寸為100 mm×400 mm×4000 mm。環(huán)氧板的底部包括一個(gè)接地板。保險(xiǎn)絲中間100 毫米的管壁斷了，保險(xiǎn)絲沒(méi)有在空氣中斷開。將紫外成像儀放置在距離保險(xiǎn)絲2 米的位置，確保暴露的保險(xiǎn)絲在紫外成像儀的同一視野中長(zhǎng)度相等。所有實(shí)驗(yàn)的紫外成像儀增益都設(shè)置為100（紫外過(guò)濾濾除100% 的太陽(yáng)光），光子計(jì)數(shù)模式在指定區(qū)域執(zhí)行光子計(jì)數(shù)。

圖16 熔斷器電暈試驗(yàn)示意圖

在試驗(yàn)過(guò)程中，在保險(xiǎn)絲端部施加10、20和30 kV 的電壓。本文觀察了熔絲線圈的發(fā)光，測(cè)量了電暈發(fā)光的光子數(shù)。圖17 顯示了保險(xiǎn)絲的電暈紫外線圖像。

圖17 保險(xiǎn)絲的電暈紫外線圖像

圖18 顯示了熔絲兩端分別施加10、20 和30 kV 電壓時(shí)，熔絲電暈發(fā)光產(chǎn)生的光子圖。結(jié)果表明，1 A 熔斷器的電暈發(fā)光比2 A 熔斷器弱，在相同電壓下，各熔斷器的電暈發(fā)光結(jié)果不同。這是因?yàn)楸ｋU(xiǎn)絲的主要部件不同，單個(gè)保險(xiǎn)絲的氧化條件也不同。以銀或鎳為主要成分的熔斷器不易出現(xiàn)電暈，而以銅為主要成分的熔斷器更易受到電暈的影響。此外，由于F1和F2保險(xiǎn)絲沒(méi)有繞組支架，因此當(dāng)施加電壓時(shí)，暴露在空氣中的保險(xiǎn)絲可能會(huì)振動(dòng)。因此，應(yīng)避免使用熔體由銅構(gòu)成的熔斷器，并且應(yīng)首選基于銀或鎳的熔斷器。

圖18 每個(gè)引信樣品測(cè)量的光子數(shù)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)VT 熔斷器性能的各種測(cè)試分析，為VT 熔斷器的選擇提供了依據(jù)。電磁式電壓互感器熔斷器的2 min 穩(wěn)態(tài)電流特性表明，其穩(wěn)態(tài)電流過(guò)大，不能有效隔離變壓器。電磁暫態(tài)特性表明，穩(wěn)態(tài)電流過(guò)小，電磁暫態(tài)過(guò)程容易導(dǎo)致熔斷器頻繁熔斷。熔體電暈放電也影響了熔斷器的壽命。應(yīng)測(cè)試所選熔斷器的2 分鐘穩(wěn)態(tài)電流特性、熔體電暈放電水平和電磁瞬態(tài)沖擊特性。熔斷器的選擇方法為：配電網(wǎng)系統(tǒng)選用VT 熔斷器時(shí)，35 kV 和10 kV 系統(tǒng)應(yīng)采用額定電流為1 A 的熔斷器。建議選擇單保險(xiǎn)絲、繞組支架和不易氧化的保險(xiǎn)絲。應(yīng)避免使用由銅熔體組成的熔斷器，最好使用基于銀或鎳的熔斷器。