12 kV跌落式熔斷器運(yùn)行特性及試驗(yàn)研究

王飛鳴，李 冰,2，伊文龍,2，趙義松,2，郎福成,2

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國(guó)網(wǎng)高電壓強(qiáng)電流實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110006)

12 kV跌落式熔斷器(熔斷器)安裝在配電網(wǎng)變壓器上，作為配電網(wǎng)變壓器的主保護(hù)；安裝在10 kV配電網(wǎng)線路分支線上，可縮小停電范圍。熔斷器速斷特性及載熔件自然跌落形成明顯的斷開點(diǎn)，具備隔離開關(guān)功能，給檢修段線路和設(shè)備創(chuàng)造了安全的作業(yè)環(huán)境，增加了檢修人員的安全感，因此熔斷器在配電網(wǎng)變壓器保護(hù)和10 kV配電網(wǎng)線路支線保護(hù)中得到普及[1-3]。

熔斷器開斷保護(hù)性能取決于熔斷件(熔絲)的熔斷特性(安秒特性曲線)，由于熔斷器成功開斷時(shí)間僅為十幾ms，甚至更短，遠(yuǎn)小于配電網(wǎng)真空斷路器幾十ms的開斷時(shí)間。熔斷器速斷保護(hù)特性決定其是配電網(wǎng)終端的第一級(jí)保護(hù)開斷設(shè)備[4-6]，特別是10 kV變壓器臺(tái)區(qū)低壓側(cè)突發(fā)短路和過載運(yùn)行保護(hù)，是其他斷路器所不能替代的。

依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 15166.3—2008《高壓交流熔斷器 第3部分：噴射熔斷器》要求的開斷試驗(yàn)方式1-5的試驗(yàn)電流，對(duì)應(yīng)熔斷器在實(shí)際配電網(wǎng)系統(tǒng)主配電站變壓器距離的遠(yuǎn)近及發(fā)生不同故障形式產(chǎn)生的故障電流不同，熔斷器承受的最大苛刻度不同，如圖1所示。不同故障點(diǎn)對(duì)應(yīng)的故障電流如下[7-10]。

圖1 熔斷器配電網(wǎng)系統(tǒng)

故障點(diǎn)1：配電網(wǎng)變壓器T1高壓側(cè)端頭短路故障，由于距離主配電站變壓器T0距離很近，熔斷器RQ1開斷故障電流對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)短路開斷試驗(yàn)方式1，額定開斷電流為12.5 kA。

故障點(diǎn)2：配電網(wǎng)變壓器T2高壓側(cè)端頭短路故障，由于距離主配電站變壓器T0距離較遠(yuǎn)，線路阻抗值較大，熔斷器RQ2開斷故障電流對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)短路開斷試驗(yàn)方式2，額定開斷電流為7.5～10 kA。

故障點(diǎn)3：配電網(wǎng)變壓器T3高壓側(cè)端頭短路故障，由于距離主配電站變壓器T0距離很遠(yuǎn)，線路阻抗值很大，熔斷器RQ3開斷故障電流對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)短路開斷試驗(yàn)方式3，額定開斷電流為2.5～3.75 kA。

故障點(diǎn)4：配電網(wǎng)變壓器T1低壓側(cè)端頭短路故障，熔斷器RQ1開斷故障電流對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)短路開斷試驗(yàn)方式4，額定開斷電流為400～500 A。

故障點(diǎn)5：熔斷器RQ2開斷故障電流為低壓側(cè)過載導(dǎo)致高壓電流持續(xù)過負(fù)荷，開斷電流為所配用熔斷件的時(shí)間-電流特性曲線10 s數(shù)量級(jí)對(duì)應(yīng)的電流。

1 實(shí)際運(yùn)行存在的問題

熔斷器是配電網(wǎng)變壓器保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備。針對(duì)配電網(wǎng)變壓器高壓端口近區(qū)短路故障、低壓側(cè)突發(fā)短路故障、長(zhǎng)期過載運(yùn)行故障等配電網(wǎng)系統(tǒng)高頻次故障類型，熔斷器保護(hù)特性存在嚴(yán)重缺陷及選型配合等問題。根據(jù)國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司設(shè)備部統(tǒng)計(jì)，2019年遼寧省內(nèi)由熔斷器引發(fā)的停電故障780起，由熔斷器失效引起的配電網(wǎng)變壓器故障560起，合計(jì)占配電網(wǎng)總故障7%，其中熔斷器質(zhì)量問題是引發(fā)配電網(wǎng)變壓器爆炸、越級(jí)跳閘停電等惡性故障的主要原因。

目前國(guó)網(wǎng)公司通用的熔斷器為單端排氣結(jié)構(gòu)，額定電流100 A、短路開斷電流12.5 kA，如圖2所示。熔斷器實(shí)際運(yùn)行中存在的主要問題如下。

圖2 熔斷器結(jié)構(gòu)

a.無開斷能力。如果熔斷器不能開斷標(biāo)準(zhǔn)要求的方式1-5的故障電流，會(huì)造成變壓器損壞甚至燒毀的現(xiàn)象。熔斷器開斷失敗導(dǎo)致線路保護(hù)配合失效，直接越級(jí)跳閘上級(jí)斷路器，擴(kuò)大停電面積。

b.開斷后不跌落。熔斷器如果存在材質(zhì)、工藝問題，會(huì)造成長(zhǎng)期運(yùn)行后局部溫度過熱，在惡劣氣候作用下可能造成局部引弧熔焊，導(dǎo)致載熔件開斷后不跌落的現(xiàn)象，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障巡線造成困難。

c.長(zhǎng)期運(yùn)行自熔斷。載熔件材質(zhì)不合格，隨著氣候變化，長(zhǎng)期過熱運(yùn)行會(huì)造成載熔件穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)熔斷。

d.通用互換性能差。熔斷器底座、載熔件、熔斷件之間互換使用后很難保證整體的開斷性能及機(jī)械特性，不利于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維護(hù)檢修。

2 檢測(cè)試驗(yàn)存在的問題

針對(duì)熔斷器運(yùn)行中存在的問題，國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院(以下簡(jiǎn)稱為遼寧電科院)開展專項(xiàng)質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)工作。2018年遼寧電力熔斷器物資抽檢試驗(yàn)總計(jì)完成熔斷器84只/次，其中合格熔斷器3只，不合格熔斷器81只。不合格試驗(yàn)主要集中在開斷試驗(yàn)、材質(zhì)及鍍銀層檢測(cè)試驗(yàn)及溫升試驗(yàn)，其中開斷試驗(yàn)不合格率為96.4%，材質(zhì)及鍍銀層檢測(cè)試驗(yàn)不合格率為73.2%，溫升試驗(yàn)不合格率為41.1%。2019年開展遼寧電力熔斷器質(zhì)量評(píng)價(jià)檢測(cè)試驗(yàn)，總計(jì)54只，其中12只不合格，合格率為77.78%，不合格試驗(yàn)主要是開斷試驗(yàn)。熔斷器開斷試驗(yàn)失敗試品狀態(tài)如圖3所示。

圖3 熔斷器開斷試驗(yàn)失敗試品狀態(tài)

依據(jù)《國(guó)網(wǎng)公司12 kV跌落式熔斷器通用互換性能標(biāo)準(zhǔn)》，Q/GDW 11257—2014《10 kV戶外跌落式熔斷器選型技術(shù)原則和檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，GB/T 15166.3—2008《高壓交流熔斷器 第3部分：噴射熔斷器》要求，具體分析熔斷器質(zhì)量及性能缺陷主要有以下幾點(diǎn)。

a.熔斷件(熔絲)質(zhì)量差。熔斷件是保證熔斷器開斷性能的核心部件，目前國(guó)內(nèi)流通的熔斷件普遍存在嚴(yán)重的質(zhì)量問題，根本不具備開斷性能。

b.載熔件(熔管)內(nèi)產(chǎn)氣材料涂層厚度不夠。熔斷器開斷氣吹主要是開斷電弧引燃載熔件內(nèi)產(chǎn)氣材料，強(qiáng)烈的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。產(chǎn)氣材料涂層厚度不夠會(huì)導(dǎo)致氣吹強(qiáng)度不夠，不能吹滅電弧。

c.材質(zhì)強(qiáng)度不夠。開斷試驗(yàn)過程中出現(xiàn)載熔件炸裂現(xiàn)象，主要因?yàn)檩d熔件、銅鑄件和絕緣子材質(zhì)強(qiáng)度不夠，不能承受開斷電弧產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力，導(dǎo)致載熔件炸裂。

d.開斷試驗(yàn)過程中出現(xiàn)銅鑄件與載熔件脫扣導(dǎo)致炸飛的現(xiàn)象，其原因?yàn)殂~鑄件與載熔件鏈接工藝不合格。

3 國(guó)網(wǎng)公司應(yīng)對(duì)措施

熔斷器的問題普遍存在于國(guó)網(wǎng)配電網(wǎng)系統(tǒng)，為整體提升熔斷器質(zhì)量，國(guó)網(wǎng)公司設(shè)備部開展熔斷器通用互換標(biāo)準(zhǔn)化制定工作，由國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司(以下簡(jiǎn)稱為浙江省電力公司)牽頭起草國(guó)網(wǎng)公司《12 kV跌落式熔斷器通用互換性能標(biāo)準(zhǔn)》。國(guó)網(wǎng)公司通過統(tǒng)一定型熔斷器結(jié)構(gòu)、參數(shù)，提高熔斷器的互換性能。通過提高招標(biāo)采購(gòu)價(jià)格和開展入網(wǎng)質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)，提升熔斷器質(zhì)量，從根本上解決熔斷器入網(wǎng)質(zhì)量問題。目前，熔斷器標(biāo)準(zhǔn)化制定及采購(gòu)已由浙江省電力公司開展試點(diǎn)工作，熔斷器入網(wǎng)質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)由遼寧電科院承擔(dān)。

遼寧電科院虎石臺(tái)試驗(yàn)場(chǎng)是系統(tǒng)內(nèi)唯一開展熔斷器入網(wǎng)試驗(yàn)及開斷抽檢試驗(yàn)工作的單位，全程參與國(guó)網(wǎng)公司熔斷器標(biāo)準(zhǔn)化制定工作，負(fù)責(zé)起草國(guó)網(wǎng)公司《12 kV跌落式熔斷器標(biāo)準(zhǔn)化制定試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》和《12 kV跌落式熔斷器入網(wǎng)檢測(cè)及抽檢試驗(yàn)方案》。遼寧電科院是GB/T 15166《高壓交流熔斷器》系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)工作組成員單位，參與熔斷器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定工作。2018年虎石臺(tái)試驗(yàn)場(chǎng)承擔(dān)國(guó)網(wǎng)公司首批入圍的5家熔斷器企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化制定通用性能摸底試驗(yàn)任務(wù)，總計(jì)完成開斷試驗(yàn)21次。2019年虎石臺(tái)試驗(yàn)場(chǎng)承擔(dān)浙江省電力公司熔斷器入網(wǎng)檢測(cè)試驗(yàn)任務(wù)，完成熔斷器入網(wǎng)檢測(cè)試驗(yàn)32套(開斷試驗(yàn)1280次)?；⑹_(tái)試驗(yàn)場(chǎng)立足國(guó)網(wǎng)系統(tǒng)平臺(tái)，具備雄厚的檢測(cè)實(shí)力，在標(biāo)準(zhǔn)制定、行業(yè)話語權(quán)和入網(wǎng)檢測(cè)試驗(yàn)方面優(yōu)勢(shì)明顯。目前浙江省電力公司入網(wǎng)檢測(cè)試驗(yàn)對(duì)熔斷器質(zhì)量把控初見成效，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行8個(gè)月，在臺(tái)風(fēng)、鹽霧等特殊環(huán)境考驗(yàn)下，熔斷器故障率明顯下降。除浙江省電力公司外，國(guó)網(wǎng)山東省電力有限公司、國(guó)網(wǎng)四川省電力有限公司、國(guó)網(wǎng)山西省電力有限公司等逐步開展熔斷器標(biāo)準(zhǔn)化采購(gòu)及入網(wǎng)試驗(yàn)工作，從熔斷器入網(wǎng)源頭把控設(shè)備質(zhì)量，提高配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。

4 保護(hù)特性配合試驗(yàn)研究

遼寧電科院針對(duì)熔斷器與配電網(wǎng)斷路器的保護(hù)配合問題，開展了國(guó)網(wǎng)公司首次配電網(wǎng)大容量保護(hù)特性驗(yàn)證真型試驗(yàn)，分別驗(yàn)證熔斷器正常運(yùn)行及故障運(yùn)行下，斷路器保護(hù)定值與熔斷器開斷保護(hù)的配合情況。

試驗(yàn)?zāi)康模喝蹟嗥骱团潆娋W(wǎng)柱上斷路器不同故障工況下保護(hù)定值試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)要求：真型再現(xiàn)配電網(wǎng)變壓器高壓側(cè)端子近區(qū)故障，驗(yàn)證熔斷器與多級(jí)斷路器動(dòng)作情況。

試驗(yàn)參數(shù)：220 kV/12 kV變壓器額定容量264 MVA，短路試驗(yàn)容量1000 MVA，最大電流12.5 kA、最長(zhǎng)時(shí)間200 ms、試驗(yàn)容量260 MVA。

配電網(wǎng)保護(hù)配合真型試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。配電網(wǎng)保護(hù)配合真型試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。試驗(yàn)工況如表1所示，分為6種工況。一級(jí)斷路器保護(hù)定值為10 A、延時(shí)60 ms、TV變比600/5;二級(jí)斷路器保護(hù)定值為10 A、延時(shí)0 ms、TV變比600/5。模擬熔斷器與斷路器實(shí)際的運(yùn)行工況，熔斷器狀態(tài)依據(jù)不同的三相短路電流值，調(diào)整為可靠開斷和開斷失敗狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果中，CB1為一級(jí)保護(hù)斷路器，CB2為二級(jí)保護(hù)斷路器，C為斷路器開斷狀態(tài)無動(dòng)作，O為斷路器開斷狀態(tài)有動(dòng)作。

表1 試驗(yàn)工況

圖4 真型試驗(yàn)系統(tǒng)

圖5 真型試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)結(jié)果表明，熔斷器保護(hù)特性是配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行保護(hù)的基礎(chǔ)，只有在熔斷器運(yùn)行正常的情況下，配電網(wǎng)系統(tǒng)多級(jí)保護(hù)才會(huì)起到直接作用。如果熔斷器保護(hù)失效，高壓側(cè)故障會(huì)引起越級(jí)跳閘，增大停電面積；低壓側(cè)故障會(huì)引起變壓器承受過長(zhǎng)時(shí)間的突發(fā)短路壓力，極易導(dǎo)致變壓器繞組變形或爆炸。

5 結(jié)論

a.熔斷器熔斷件是配電網(wǎng)系統(tǒng)的第一級(jí)保護(hù)設(shè)備，熔斷器可靠保護(hù)可以直接減小配電網(wǎng)系統(tǒng)的停電面積，提高運(yùn)行可靠性。

b.通過熔斷器實(shí)際運(yùn)行及檢測(cè)試驗(yàn)得出，熔斷器普遍存在質(zhì)量缺陷及實(shí)用配合問題，國(guó)網(wǎng)公司通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)及入網(wǎng)檢測(cè)方式，逐步提高熔斷器的運(yùn)行質(zhì)量。