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) 強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室, 湖北 武漢 430074)

0 引 言

中壓變壓器保護用熔斷器廣泛應(yīng)用在配電系統(tǒng)中。當(dāng)線路發(fā)生過載或短路故障時,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,只要時間足夠長,熔斷器就會發(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因素的影響。

近些年,在電力運行中,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)保護用中壓熔斷器熔斷事故[2-14]。然而,有時電力系統(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保護熔斷器事故的分析。文獻[2]對湖南省1989～1991年3年間PT一次側(cè)保護用熔斷器熔斷原因進行了分析,主要歸結(jié)為外部原因所引起,如雷擊、高壓側(cè)發(fā)生短路等。文獻[3-4]對35 kV CVT高壓側(cè)熔斷器熔斷的原因進行研究,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保護用熔斷器的熔斷。文獻[5-6]結(jié)合現(xiàn)場運行狀況,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。進一步核實發(fā)現(xiàn),消弧裝置未投入運行是超低頻振蕩未得到抑制的主要原因。文獻[7-9]對配電網(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[10]對10 kV跌落式熔斷器熔體開展溫升試驗。文獻[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[12]從發(fā)電機側(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[13]提出一種低壓熔斷器過載測試方法,用于研究低壓熔斷器長期頻繁過載運行后對熔斷器動作特性方面的影響。文獻[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,專門針對中壓變壓器保護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。本文對國內(nèi)外10家企業(yè)生產(chǎn)的中壓變壓器保護用熔斷器產(chǎn)品開展了小電流下熔斷特性試驗研究,試圖找到發(fā)生輕熔斷事故的原因。

1 試驗樣品

中壓變壓器保護用熔斷器外觀如圖1所示。點1、點2、點3是溫升測試點。

圖1 中壓變壓器保護用熔斷器外觀

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

表1 中壓變壓器保護用熔斷器送檢樣品

2 試驗內(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級電流下測得的熔體電阻不能真實反映熔斷器工作時的狀態(tài)。按照國標(biāo)規(guī)定,需要測量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。

試驗項目設(shè)置如下[15-16]:

(1) 0.1In電流下熔體電阻測試;

(2) 1.0In電流下穩(wěn)定溫升試驗;

(3) 1.25In電流下穩(wěn)定溫升試驗;

(4) 熔斷器熔斷特性試驗;

(5) 中壓熔斷器熔體材質(zhì)檢測;

(6) 中壓熔斷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測。

3 試驗電路

中壓熔斷器低壓恒流溫升試驗電路如圖2所示。

圖2 中壓熔斷器低壓恒流溫升試驗電路

接通電源,利用低壓大電流互感器將電流升高至試驗電流大小,但輸出側(cè)電壓極低。當(dāng)輸出電流發(fā)生偏離時,驅(qū)動步進電機細(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,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 試驗結(jié)果

本次試驗全部委托廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院進行。

4.1 0.1In下熔體電阻測量

為避免熔斷器電阻測量結(jié)果的隨機性,每個樣品均采用4只相同試品進行測量。中壓熔斷器熔體電阻測量結(jié)果如表2所示。

表2 中壓熔斷器熔體電阻測量結(jié)果

10個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1倍以上

大部分同一廠家4個試品的熔體電阻大小相差不大。其中,#8樣品的4個送檢試品的電阻差值偏大,達到3.1 mΩ,偏差達到30%。

4.2 1.0In下熔斷器穩(wěn)定溫升試驗

為了避免1.0In電流下熔斷器穩(wěn)定溫升測量的隨機性,一個樣品采用兩只相同試品一起測量。溫升測量點為3個,分別選在熔管兩端和中間位置(如圖1)。中壓變壓器保護用熔斷器在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時發(fā)生了熔斷。其他9個樣品在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

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

表4 中壓變壓器保護用熔斷器在1.25In電流下的穩(wěn)定溫升

測試結(jié)果表明,#3樣品、#4樣品各1個試品發(fā)生了熔斷。#9樣品的2個試品全部發(fā)生了熔斷。試驗熔斷比例達到30%。按照南網(wǎng)約定不熔化電流的大小規(guī)定,這3個樣品不滿足要求。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,一定會發(fā)生輕熔斷事故。

在未發(fā)生熔斷樣品中,都是中間測試點溫升偏高,#2樣品溫升最高,達到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,對不同制造單位樣品的熔斷特性進行了測量。中壓變壓器保護用熔斷器熔斷特性如表5所示。

表5 中壓變壓器保護用熔斷器熔斷特性

在1.25In、1.4In、1.6In、2.0In電流下,10個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

試驗結(jié)束后,對送檢樣品熔體材質(zhì)進行了解體檢測。

中壓變壓器保護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 中壓變壓器保護用熔斷器送檢樣品熔體材質(zhì)

4.6 內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測

試驗結(jié)束后,對所有送檢樣品內(nèi)部構(gòu)造進行了觀察。送檢樣品熔體材質(zhì)和形狀如圖3所示。在10個樣品中,有9個樣品內(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,部分試驗達標(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用熔斷器采購時選用信譽好、質(zhì)量高的產(chǎn)品,同時加強產(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,對國內(nèi)外10種中壓變壓器保護用熔斷器樣品進行了熔體電阻測試,開展了1.0In、1.25In、1.4In、1.6In、2.0In電流下溫升、熔斷特性試驗。結(jié)論如下:

(1) 中壓變壓器保護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個送檢樣品發(fā)生了熔斷。熔斷時間分別是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個送檢樣品發(fā)生了熔斷,最短熔斷時間僅有5 min 23 s。

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

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

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

(8) 在開關(guān)柜的密閉環(huán)境中,由于散熱原因,部分試驗達標(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。