某高原铁路通信基站高压熔断器熔断原因分析

徐金阳，唐金胜，田铭兴

（兰州交通大学自动化与电气工程学院，1.讲师；3.教授，甘肃 兰州 730070；2.青藏铁路公司机务部，工程师，青海 西宁 810080）

某高原铁路沿线通信基站的电源均由沿线架设的一条35 kV电力贯通线供给。通信基站箱式变压器（简称箱变）的控制和保护由负荷开关和熔断器共同实现，这种控制和保护方式具有线路简单，经济适用的特点〔1〕。高压熔断器一旦熔断后，必须采用人工方式进行更换，才能恢复供电。通信基站运行过程中，曾多次发生通信基站箱变高压侧熔断器熔断故障，每次更换熔管后均正常运行。熔断器如此频繁熔断，已严重影响通信基站的供电可靠性，并给维护造成很大困难。因此，对其高压熔断器熔断故障的原因进行深入分析，提出相应的解决方案，显得尤为重要。

1 通信基站的供电方式

该铁路所设的电力贯通线，除作为44个车站的主电源外，还是沿途187个通信基站的主电源。通信基站箱变采用1台单相20 kV·A干式变压器供电，高压侧安装1台线路负荷开关（T接处设2只氧化锌避雷器），通过2条单芯电缆接入箱式变电站高压侧，与变压器连接穿墙套管间安装2只熔断器，变压器二次侧直接引出2条电缆（一条给通信机械室供电，一条给线路负荷开关的操作电源供电），通信机械室安装有防雷装置。通信基站电源的主接线如图1所示。图中，QS为高压负荷开关，用于切断负荷电流；FU为高压熔断器，用来进行短路保护。通信基站负荷量较少，为节约投资，箱变为1台单相变压器。因35 kV贯通线无中性线，变压器一次侧的额定电压为线电压，即35 kV。

图1 通信基站电气原理图

2 高压熔断器熔断原因的理论分析

熔断器熔断故障有2类：一类是正常熔断，因短路故障造成电流迅速升高而发生熔断事故，其发生次数很少；另外一类属于非正常熔断，其发生次数多而不确定，原因也十分复杂。非正常熔断主要有2个原因：一是内部过电压；二是雷电过电压。从实际运行和现场情况来看，熔断器熔断不属于正常熔断。因此，着重分析非正常熔断的原因。

2.1 内部过电压 在10～35 kV的中性点不接地的系统中，电压互感器因铁磁谐振和单相接地故障恢复后对地电容的充电电流，都可造成高压熔断器的熔断〔2〕。依照这2点故障因素，对熔断原因进行分析。

2.1.1 铁磁谐振 由于单相接地故障，造成绕组的电压升高为线电压，铁芯饱和后，形成过大饱和电流，产生谐振现象，从而导致熔断器熔断。由图1可以看出，该铁路通信基站电气接线，不同于10～35 kV中性点不接地配电系统母线上的电压互感器电气接线。10～35 kV中性点不接地配电系统母线上的电压互感器电气接线是三相系统，而通信基站电气接线是单相系统，且其电源取自三相架空线的线电压。三相系统的相地短路和相相短路只能引起相电压的升高，而线电压却不发生变化。所以，由相地短路和相相短路引起的过电压，以及由其激发的谐振过电压和低频饱和电流都不是该铁路通信基站高压熔断器熔断故障的原因。

2.1.2 电容的充电电流 图2为电压互感器三相系统的等效电路图。C1，C2，C3为导线对地电容，L1，L2，L3为电压互感器的绕组。当系统正常运行时，对地电容C1，C2，C3上的电压均为相电压。若C3相发生接地短路故障，UC1，UC2将升高至线电压。一旦接地故障消除，UC1，UC2力图恢复到正常的相电压。由于原来的接地点己被切断，C1，C2只能通过电压互感器的一次侧的绕组L1，L2对地进行放电，即对地电容对互感器的一次绕组进行充电。若C1，C2足够大，绕组上产生的充电电流就会足够大，引起铁心的过分饱和。具有过饱和铁心的电压互感器，在工频电源电压作用下将出现很大的冲击电流，并造成熔断器熔断。

图2 电压互感器三相系统的等效电路图

图3为通信基站电源系统的等效电路图。图中箱变的一次侧绕组不接地。若C3发生接地短路故障，UC1，UC2升高至线电压。一旦接地故障消除，UC1，UC2力图恢复到正常的相电压。由于原来的接地点己被切断，箱变一次侧绕组L上的电压UL为线电压，对地电容C1上的电压UC1也为线电压，对地电容C1不会对绕组L放电。也就是说，不存在对地电容的充电现象。因此，在工频电源电压作用下不会出现很大的冲击电流，不会造成熔断器熔断。

图3 通信基站电源系统的等效电路图

2.1.3 结论 通过以上分析，可知该铁路通信基站高压熔断器熔断故障原因，应不同于10～35 kV中性点不接地配电系统母线上的用于保护电压互感器一次侧高压绕组的熔断器熔断原因，即内部过电压不是导致该铁路通信基站高压熔断器熔断的原因。

2.2 雷击过电压 该铁路35 kV电力贯通线无避雷线，易遭受雷击。雷电波会沿着输电线路侵入到通信基站中，形成较大的过电电压，产生较大过电流，可能引起熔断器熔断。根据运行和维修部门的记录，该铁路通信基站高压熔断器熔断故障发生时总是伴有雷电出现，且具有较强的随机性。雷电活动本身具有高幅值和随机性，故雷电波入侵通信基站，应是该铁路通信基站高压熔断器熔断故障的主要原因。雷电波入侵时幅值主要受线路波阻抗和避雷器接地电阻2个因素的影响。

2.2.1 波阻抗的影响 图4为雷电波入侵通信基站的等效电路图。设架空线路上雷电波的幅值为U1，架空线路的波阻抗为Z1，电缆的波阻抗为Z2，电缆入射波的幅值为U2。根据波过程理论〔3〕，进入到电缆的电压波幅值：

图4 雷电波入侵的等效电路

该铁路地处高原，气候恶劣，天气变化剧烈，易造成架空线路波阻抗较大的变化。在雨天、雾天和导线结冰的情况下，都会造成架空线路的波阻抗降低。由式（1）可以看出，架空线的波阻抗Z1越小，侵入电缆电压波的幅值U2就越大，流过熔断器的冲击电流就越大，从而造成熔断器熔断的可能性也就越大。

2.2.2 接地电阻的影响 高原的地质条件复杂，大部分地方的土壤电阻率较高，局部地方的土壤电阻率达到了3 000Ω·m以上，需要采取措施降低接地电阻值，才能满足防雷接地要求。根据防雷设计规范，通常要在架空线路和电缆连接处架设避雷器限制雷击过电压幅值。由于接地电阻较大，使得避雷器限制雷电波幅值的作用大大下降，造成进入电缆过电压幅值较大，产生较大的过电流，也会造成熔断器的熔断。

2.3 熔断器的选型 除了上述原因之外，熔断器的型号和质量问题也有可能造成熔断器非正常熔断。该铁路通信基站高压熔断器的实际型号为RN2型熔断器，而RN2型熔断器是专门用于电压互感器的保护〔4〕。这种熔断器即使质量合格，由于熔体细，对电晕作用敏感，尤其是10 kV及以上电压等级的电压互感器，这种电晕放电作用最短可使熔体在几个月内发生腐蚀，最终会导致熔断器动作。因此，选用RN2型熔断器用于变压器的保护是不妥当的。

3 结束语

综上所述，该铁路通信基站高压侧熔断器熔断故障的主要原因是雷击过电压，而不是内部过电压。此外，熔断器的型号和质量问题也会造成熔断器的非正常熔断事故。基于上述原因，提出下列整改建议：一是改善接地电阻值。对于一些土壤电阻率较高的地段，采取增加接地体，土壤中添加降阻剂，采用接地模块等有效的降阻措施，确保接地电阻满足防雷接地要求。二是应选用专门用于变压器保护、属高原型、耐冲击电流效果较好的高压熔断器。

〔1〕陈道江.高压负荷开关与熔断器组合电器在终端变配电所设计中的实现及优势〔J〕.高压电器，2006，42（3）:211-213.

〔2〕洪文峰.配电系统高压熔断器熔断的原因及应对措施〔J〕.安庆师范学院学报，2008，14（2）：91-92.

〔3〕梁曦东.高电压工程〔M〕.北京：清华大学出版社，2003.

〔4〕西安高压电器研究所.GB-T15166交流高压熔断器（第二部分）〔S〕.北京：中国标准出版社，1994.