40.5 kV/31.5 kA限流熔斷器開斷試驗(yàn)方式1試驗(yàn)研究與分析

摘 要：

針對(duì)一檔40.5 kV/31.5 kA限流熔斷器開斷試驗(yàn)（方式1）單相試驗(yàn)過程中出現(xiàn)熔斷器本體炸裂，產(chǎn)品處出現(xiàn)相對(duì)地拉弧的現(xiàn)象，根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)并結(jié)合所選取的試驗(yàn)回路進(jìn)行分析，提出這種試驗(yàn)回路對(duì)于單相試驗(yàn)帶來的影響。對(duì)于相對(duì)地拉弧現(xiàn)象進(jìn)行仿真分析，并給出了試驗(yàn)回路的優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：

限流熔斷器; 開斷試驗(yàn); 單相試驗(yàn); 試驗(yàn)回路; 拉弧

中圖分類號(hào)： TM563

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）09-0060-04

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.09.009

Experimental Study and Analysis on Breaking Test Method 1 of 40.5 kV/31.5 kA Current Limiting Fuses

PENG Jianfei， HU Dingyin， YI Pengfei

（Xi’an High Voltage Electrical Apparatus Research Institute Co.，Ltd.， Xi’an 710077， China）

Abstract：

The single-phase test of a 40.5 kV/31.5 kA current limiting fuse （Method 1） is focused， where the fuse body explodes and the product experiences relative ground arcing.Based on the test parameters and the selected test circuit， the experimental analysis is conducted，and the impact of this test circuit on this single-phase test is proposed.The simulation analysis is conducted on the phenomenon of relative ground arc pulling.Finally，the optimization measures for this test circuit is provided.

Key words：

current limiting fuse; breaking test; single phase test; test circuit; arcing

0 引 言

熔斷器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)有上百年的歷史，高壓限流熔斷器能夠比斷路器更快地切斷短路電流，而且價(jià)格低廉，被廣泛用于保護(hù)發(fā)電機(jī)、變壓器、開關(guān)柜等重要設(shè)備。因此，對(duì)限流熔斷器進(jìn)行短路電流開斷試驗(yàn)來驗(yàn)證其開斷特性尤為重要。在GB/T 15166.2—2023《高壓交流熔斷器 第2部分：限流熔斷器》中，限流熔斷器型式試驗(yàn)中開斷試驗(yàn)的試驗(yàn)方式1可用來驗(yàn)證熔斷器額定最大開斷電流的動(dòng)作特性。

近些年，國內(nèi)關(guān)于高壓限流熔斷器研究的相關(guān)文獻(xiàn)很多，但是關(guān)于試驗(yàn)研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少，特別是關(guān)于限流熔斷器型式試驗(yàn)開斷試驗(yàn)方式1的研究文獻(xiàn)更為少見。本文針對(duì)一檔40.5 kV/31.5 kA限流熔斷器開斷試驗(yàn)（方式1），對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了試驗(yàn)分析以及仿真分析，并給出了相應(yīng)的結(jié)論。文中的研究內(nèi)容對(duì)于分析熔斷器的動(dòng)作特性以及熔斷器試驗(yàn)檢測(cè)方法研究提供了重要參考。

1 試驗(yàn)回路及試品布置

1.1 試驗(yàn)回路

試驗(yàn)回路如圖1所示。整個(gè)回路因基本為感性元器件組成而呈感性。其中，變壓器低壓側(cè)采用三角形接法、高壓側(cè)采用星形接法，變比為

1∶2.6;變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)接地，其中A相出線端連接試品一端、C相出線端與試品另一端相連，高壓側(cè)從而構(gòu)成單相回路。

1.2 試品布置

試品安裝示意如圖2所示。試品水平固定在2個(gè)同等高度的絕緣支撐件上，絕緣支撐件距離水平地面0.5 m，試品一端通過電纜連接試驗(yàn)回路A相，另一端通過電纜連接試驗(yàn)回路C相。

2 試驗(yàn)要求、過程及參數(shù)

2.1 試驗(yàn)要求

對(duì)于標(biāo)稱40.5 kV/31.5 kA的試品，其額定電壓為40.5 kV，額定最大開斷電流為31.5 kA。依據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中開斷試驗(yàn)的試驗(yàn)方式1，試驗(yàn)電壓為0.87倍的額定電壓，即35.3 kV，合閘開關(guān)合閘相角要求不在電壓零點(diǎn)之前;試驗(yàn)次數(shù)為3次，第一次要求起弧相角為40°～65°，后2次要求起弧相角為65°～90°。

2.2 試驗(yàn)過程及參數(shù)

試驗(yàn)過程：第1步，通過電纜短接試驗(yàn)回路A相、C相，確定該試驗(yàn)的預(yù)期電流參數(shù)。試驗(yàn)預(yù)期電流參數(shù)如表1所示。其中預(yù)期電流A相有效值為31.7 kA，且A相、C相電流方向相反，合閘開關(guān)合閘相角為8.0°，試驗(yàn)電壓有效值為35.4 kV，可知各試驗(yàn)參數(shù)均符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求。第2步，試驗(yàn)回路A相、C相通過電纜分別連接試品兩端，即進(jìn)行開斷試驗(yàn)（方式1）的第一次試驗(yàn)。預(yù)期電流示波圖如圖3所示。

試驗(yàn)中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面觀察到試品動(dòng)作開斷時(shí)發(fā)生拉弧現(xiàn)象，試品周圍并伴有黃色煙塵。試驗(yàn)參數(shù)如表2所示;試驗(yàn)電流示波圖如圖4所示。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)試品一側(cè)（靠近A相電纜處）開裂，裂口長約7 cm，寬約2 cm。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)參數(shù)分析

由圖4可知，試驗(yàn)電流從開始到結(jié)束約持續(xù)了106 ms，最后被試驗(yàn)回路中操作開關(guān)切斷。試品在正常情況下，一般會(huì)在電流的第1個(gè)半波內(nèi)開斷，電流持續(xù)時(shí)間基本會(huì)在10 ms以內(nèi)，可見試品開斷電流失敗。

由表2可知，合閘相角為8.1°，與預(yù)期電流的合閘相角8.0°一致;試品起弧相角（圖4中弧壓起始時(shí)刻）為57.0°，在試驗(yàn)要求的40°～65°范圍內(nèi)，即試品在開始有電流后的約2.7 ms開始動(dòng)作從而起弧，隨之在電流第1個(gè)半波內(nèi)未熄弧，說明試品開斷異常，電流一直持續(xù)到回路操作開關(guān)分?jǐn)嚯娏骱蠖?，出現(xiàn)明顯的拉弧現(xiàn)象。

電流從第2個(gè)半波開始到之后有效值為35.6 kA，這比預(yù)期電流有效值31.7 kA大，約是預(yù)期值的1.13倍，A相電流峰值達(dá)到88.1 kA，C相電流峰值達(dá)到80.4 kA，且A、C相電流相位相差60°。下面結(jié)合選取的試驗(yàn)回路、試驗(yàn)示波圖和參數(shù)以及試驗(yàn)后試品的開裂狀況進(jìn)行分析。試驗(yàn)回路等效圖如圖5所示。

圖1中，變壓器高壓側(cè)采用星形接法且中性點(diǎn)接地，把變壓器低壓側(cè)阻抗折算到高壓側(cè)后的等效圖如圖5（a）。在試驗(yàn)通流過程中，試品動(dòng)作，隨即本體發(fā)生開裂，并向周圍噴射粉塵，導(dǎo)致試驗(yàn)A相和試驗(yàn)C相的對(duì)地絕緣失效，從而產(chǎn)生A相對(duì)地和C相對(duì)地拉弧現(xiàn)象，即構(gòu)成了A相對(duì)地和C相對(duì)地2個(gè)回路，分別如圖5（b）和圖5（c）。這也是圖3上A相電流和C相電流相位相差60°的原因。而對(duì)于電流值變化的原因，以圖5（b）為例，此時(shí)的電壓UAN為相電壓，即UAC=1.73UAN，總阻抗Z是圖4（a）中總阻抗2Z的1/2。根據(jù)歐姆定律可知，圖4（b）中的電流是圖4（a）中電流的1.15倍，如果考慮到拉弧過程中弧阻對(duì)電流的影響，這個(gè)數(shù)值相應(yīng)的會(huì)低一些，這與計(jì)算得到的1.13倍數(shù)值基本吻合。

3.2 仿真分析

對(duì)于該試驗(yàn)回路變壓器的接法，試驗(yàn)中試品開斷異常出現(xiàn)了A相對(duì)地和C相對(duì)地拉弧現(xiàn)象，而且電流有效值變大，相應(yīng)的電流第1個(gè)半波峰值也會(huì)變大，峰值的大小取決于電流起始時(shí)刻對(duì)應(yīng)的電壓相角。在感性回路中，如果電流起始時(shí)刻是在電壓相角為0°時(shí)，電流峰值會(huì)達(dá)到最大值（非對(duì)稱波形），是電流有效值的2.6倍;如果電流起始時(shí)刻是在電壓相角為90°時(shí)，電流峰值為最?。▽?duì)稱波形），是電流有效值的2倍。試驗(yàn)A相電流如圖6所示。通過仿真可知電流峰值最大為92.5 kA、最小為50.4 kA，不論是電流有效值還是峰值，比起預(yù)期電流都要大，這對(duì)于回路操作開關(guān)開斷電流都是嚴(yán)苛的考驗(yàn)。

3.3 回路優(yōu)化

為了避免試品開斷失敗帶來的A相對(duì)地和C相對(duì)地拉弧，以及試驗(yàn)電流變大這2種異常情況，需要對(duì)試驗(yàn)回路的變壓器接法進(jìn)行改變。下面提供了3種比較優(yōu)化的接法。優(yōu)化回路1如圖7所示;優(yōu)化回路2如圖8所示;優(yōu)化回路3如圖9所示。

圖7變壓器低壓側(cè)采用三角形接法，高壓側(cè)采用星形接法，中性點(diǎn)不接地，高壓側(cè)一端接地。

這樣一來，即使試品開斷異常也只會(huì)出現(xiàn)A相對(duì)地拉弧現(xiàn)象，而不會(huì)出現(xiàn)C相對(duì)地拉弧現(xiàn)象，試驗(yàn)電流也不會(huì)比預(yù)期電流大。

圖8變壓器高、低壓側(cè)都采用三角形接法，高壓側(cè)一端接地。這樣一來，即使試品開斷異常也只會(huì)出現(xiàn)A相對(duì)地拉弧現(xiàn)象，而不會(huì)出現(xiàn)C相對(duì)地拉弧現(xiàn)象，試驗(yàn)電流也不會(huì)比預(yù)期電流大。

圖9變壓器可根據(jù)試驗(yàn)容量所需采用1臺(tái)單相變壓器或者多臺(tái)單相變壓器并聯(lián)使用，且高壓側(cè)一端接地。這樣一來，即使試品開斷異常也只會(huì)出現(xiàn)A相對(duì)地拉弧現(xiàn)象，而不會(huì)出現(xiàn)C相對(duì)地拉弧現(xiàn)象，試驗(yàn)電流也不會(huì)比預(yù)期電流大。

4 結(jié) 語

熔斷器在進(jìn)行開斷試驗(yàn)（方式1）時(shí)，試品開斷異常導(dǎo)致了A相對(duì)地和C相對(duì)地拉弧現(xiàn)象，以及A、C相試驗(yàn)電流比預(yù)期電流大且相位差60°這2種異常情況，這和選取的試驗(yàn)回路有關(guān)（圖1），當(dāng)選用圖7～圖9中的回路時(shí)，即使試品開斷異常出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象也只是A相對(duì)地拉弧，而且電流不會(huì)出現(xiàn)大于預(yù)期電流以及A相、C相存在相位差的情況。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］ 陳搏.限流熔斷器電弧能量的簡化計(jì)算與分析［J］.電器與能效管理技術(shù)，2014（22）：6-9.

［2］ 王晨， 莊勁武， 袁志方， 等.基于電磁斥力型開斷器的限流熔斷器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（6）：66-72.

［3］ 王季梅， 蔡炯.限流熔斷器作開斷操作試驗(yàn)的研究分析［J］.電氣技術(shù)，2009（6）：60-64.

［4］ 李月明.淺析負(fù)荷開關(guān)-熔斷器組合電器試驗(yàn)方式2可以免做的條件［J］.高壓電器，2000，36（4）：45-47.

［5］ 王晨， 徐建霖.混合型限流及開斷技術(shù)發(fā)展綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2017，41（5）：1644-1653.

［6］ 周國良.高壓并聯(lián)電容器保護(hù)用外熔斷器試驗(yàn)研究［J］.電力電容器與無功補(bǔ)償，2008，29（6）：24-28.

［7］ 劉富波.交流高壓跌落式熔斷器開斷試驗(yàn)的試驗(yàn)條件［J］.高壓電器，1999，35（2）：32-35.

［8］ 周春陽， 賴劼， 劉凱， 等.35 kV并聯(lián)電容器組合閘涌流對(duì)CVT熔斷器的影響［J］.電力電容器與無功補(bǔ)償，2016，37（4）：58-61.

［9］ 李賽賽， 苗本健， 張達(dá)芬， 等.熔斷器過載分?jǐn)嘣囼?yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法分析［J］.電器與能效管理技術(shù)，2023（10）：70-75.

［10］ 毛柳明， 文遠(yuǎn)芳， 周挺.高壓限流熔斷器熔斷過程及過電壓研究［J］.高電壓技術(shù)，2008（4）：820-823.

［11］ 陳搏， 莊勁武， 肖翼洋， 等.基于半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母邏合蘖魅蹟嗥麟娀√匦缘挠?jì)算與分析［J］.高電壓技術(shù)，2014，40（1）：282-287.

收稿日期： 2024-06-11