中壓變壓器保護用熔斷器小電流熔斷特性的試驗研究*

鄭嘉禧, 王國慶, 林博勇, 劉 春, 劉 潯, 臧春艷

(1.南方電網 廣州供電局有限公司, 廣東 廣州 510620;2.華中科技大學 強電磁工程與新技術國家重點實驗室, 湖北 武漢 430074)

0 引 言

中壓變壓器保護用熔斷器廣泛應用在配電系統中。當線路發生過載或短路故障時,中壓熔斷器可自行熔斷切斷電路,避免設備損壞和事故蔓延[1]。

熔斷器在規定時間內承載而不發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,熔體不允許發生熔化現象。在規定時間內,能夠使熔體熔化的電流稱為約定熔化電流[1]。當電流大于約定熔化電流時,只要時間足夠長,熔斷器就會發生熔斷。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,經常發生一些配電變壓器、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一次側保護用熔斷器熔斷原因進行了分析,主要歸結為外部原因所引起,如雷擊、高壓側發生短路等。文獻[3-4]對35 kV CVT高壓側熔斷器熔斷的原因進行研究,認為系統在發生單相接地故障過程中,由于CVT鐵芯深度飽和而激發了鐵磁諧振,導致PT保護用熔斷器的熔斷。文獻[5-6]結合現場運行狀況,利用ATP-EMTP仿真,得出超低頻振蕩是導致PT一次側熔斷器頻繁燒毀的原因。進一步核實發現,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用提供依據。文獻[12]從發電機側PT熔斷器“慢熔”現象入手,分析“慢熔”現象產生的原因,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、環境溫度、散熱特性等多種因素變化的規律,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,嚴重影響供電質量,導致大量人力和物力的浪費。本文對國內外10家企業生產的中壓變壓器保護用熔斷器產品開展了小電流下熔斷特性試驗研究,試圖找到發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為熔體材質、熔體電阻、約定不熔化電流、約定熔化電流。在這些特征參數中,與輕熔斷事故關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、熔體根數、熔體長度、狹頸位置、狹頸大小、狹頸個數、熔體溫度有關。熔斷器熔體材質、熔體結構、石英砂質量、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。按照國標規定,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。

試驗項目設置如下[15-16]:

(1) 0.1In電流下熔體電阻測試;

(2) 1.0In電流下穩定溫升試驗;

(3) 1.25In電流下穩定溫升試驗;

(4) 熔斷器熔斷特性試驗;

(5) 中壓熔斷器熔體材質檢測;

(6) 中壓熔斷器內部結構檢測。

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,但輸出側電壓極低。當輸出電流發生偏離時,驅動步進電機細調一次側電壓,以獲得穩定電流輸出。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。但由于輸出側電壓極低,無法輸出設定大小的電流,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。

4 試驗結果

本次試驗全部委托廣東產品質量監督檢驗研究院進行。

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果如表2所示。

表2 中壓熔斷器熔體電阻測量結果

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下熔斷器穩定溫升試驗

為了避免1.0In電流下熔斷器穩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電流下的穩定溫升

在1.0In電流下,#9樣品在通流55 min 39 s、1 h 1min時發生了熔斷。其他9個樣品在2 h內未發生熔斷。在未發生熔斷的樣品中,穩定溫升在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電流下就發生了熔斷,可判定其質量為不合格。

4.3 1.25In電流下穩定溫升試驗

為了避免1.25In電流下熔斷器穩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電流下的穩定溫升

測試結果表明,#3樣品、#4樣品各1個試品發生了熔斷。#9樣品的2個試品全部發生了熔斷。試驗熔斷比例達到30%。按照南網約定不熔化電流的大小規定,這3個樣品不滿足要求。若使用了該類產品,在約定不熔化電流下,在密閉的開關柜中,一定會發生輕熔斷事故。

在未發生熔斷樣品中,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樣品發生了撞針彈出異常;在2.0In下,#5樣品、#6樣品發生了撞針彈出異常。發生撞針彈出異常共3處。

4.5 中壓熔斷器熔體材質檢測

試驗結束后,對送檢樣品熔體材質進行了解體檢測。

中壓變壓器保護用熔斷器送檢樣品熔體材質如表6所示。由表6可見,各家所用材質有所區別。

表6 中壓變壓器保護用熔斷器送檢樣品熔體材質

4.6 內部結構檢測

試驗結束后,對所有送檢樣品內部構造進行了觀察。送檢樣品熔體材質和形狀如圖3所示。在10個樣品中,有9個樣品內部結構基本相似,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樣品內部結構如圖4所示。該種結構發熱、散熱比較均勻。#9樣品內部結構特殊,未使用七棱柱支撐,內部填滿石英砂。熔絲材質為單根螺旋狀合金材質,#9樣品內部結構(無七棱柱支撐)如圖5所示。

圖3 送檢樣品熔體材質和形狀

圖4 #1樣品～#8樣品、#10樣品內部結構

圖5 #9樣品內部結構(無七棱柱支撐)

#9樣品熔體電阻比較大,發熱集中,散熱性差。在相同通流情況下,發熱量大,容易發生熔斷。

4.7 討 論

在開關柜的密閉環境中,由于散熱原因,部分試驗達標產品在1.3In下也可能發生熔斷。因此,中壓變壓器保護用熔斷器產品質量不合格是導致發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、質量高的產品,同時加強產品質量把控,做好質量抽檢環節。

5 結 語

通過試驗,對國內外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。結論如下:

(1) 中壓變壓器保護用熔斷器所用熔體材質各異,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后發生了熔斷。未熔斷樣品最大穩定溫升為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。未熔斷樣品最高穩定溫升為232.8 K。

(4) 在1.4In電流下,4個送檢樣品發生了熔斷,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個送檢樣品全部發生了熔斷。最短熔斷時間是1 min 46 s。

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

(8) 在開關柜的密閉環境中,由于散熱原因,部分試驗達標產品在1.3In下也可能發生熔斷。

因此,中壓變壓器保護用熔斷器產品質量不合格是導致發生輕熔斷事故的主要原因。