电感对偏流型熔断器换流时间及第一次过电压的影响及分析

蔡志远，李博

(沈阳工业大学电气学院，辽宁沈阳 110870)

电感对偏流型熔断器换流时间及第一次过电压的影响及分析

蔡志远，李博

(沈阳工业大学电气学院，辽宁沈阳 110870)

偏流型熔断器是高压限流熔断器并联一种通流能力较强的低压熔断器以提高整体的额定电流，正常情况下，低压熔断器来承接线路中较大的电流，出现短路电流时，低压熔断器先熔断，电流转移至高压限流熔断器一侧完成灭弧，以偏流型熔断器的换流时间及限制第一次过电压为主要内容，选出符合实际的电感参数，为产品的设计提供理论参考。

熔断器;电感参数;通流能力;换流时间;过电压

1 引言

高压限流熔断器采用石英砂作为灭弧介质，结构上熔体密封在石英砂中，当熔体熔断产生电弧时，电弧受周围石英砂挤压而限制了电弧直径，从而能迅速冷却灭弧，其动作时间比同等额定参数的断路器快50倍以上。虽然高压限流熔断器拥有很强的短路限流能力，但其通流能力却很难提高，因为对于熔断器的熔体来说，通流能力和短路限流能力本身就存在矛盾，要提高熔断器的限流能力，这就需要更细的熔体，而熔体密封包裹在石英砂中，散热受到很大限制，通流温升超标是无法回避的问题，熔体的材料属性和密封石英砂的结构制约了高压限流熔断器其自身的额定通流能力［1］。

单纯的改变熔体长度和狭径形状不能根本解决这个问题，须在保护方式和工艺结构上采取措施。2006年陕西省电力科学院成功研制出了DXK1短路电流限流开断器，将额定电流最高提升至 6.3kA［2，3］，结构如图1所示，线路中的电流经电流互感器变换，作为电子测控单元的输入信号，测控单元监测电流上升率，当电流上升率和电流瞬时值都超过给定的阈值时，测控单元才会输出开断器动作的指令信号，避免了误操作，开断器内装有炸药，引爆后电流快速转移入限流熔断器一侧完成灭弧，DXK1填补了国内此领域的空白，由于电子测控单元需要特殊的直流电源供电，成本比较昂贵［4，5］。

美国G＆W公司研制了电弧触发式混合限流熔断器PAF产品，将片状熔断器焊接在铜排上，通过其熔断的电弧信号来代替传感器，电弧触发器相比传感器具有抗涌流和杂波干扰等优点，却又降低了线路通流能力，其额定电流最高只能达到 500A［2，6］，结构如图 2所示。

图1 DXK1短路限流开断器

图2 PAF电弧触发器

偏流型熔断器结构上采用高压限流熔断器并联通流能力较强的低压熔断器，提高额定通流量，为防止熔断器在电流转移的过程中被过电压击穿而导致限流失败。在开断过程中会出现两次过电压，第一次过电压在换流过程中产生，第二次过电压在偏流型熔断器整体熔断时产生。要防止低压熔断器被过电压击穿有两个方法:一是限制换流时产生的第一次过电压;二是通过串联电感延长偏流型熔断器的换流时间，避免换流过快导致低压熔断器介质恢复时间不足而被第二次过电压击穿。

2 偏流型熔断器组成及换流时间计算

2.1 偏流熔断器原理及工作过程

对于熔断器而言，额定工作电压指的是熔体起弧断开后所承受的线路的电压，如果将一个额定电压500V的低压熔断器放置在电压等级12kV的线路上，正常工作下不会出什么问题，而一旦线路中出现短路电流，低压熔断器熔体熔断后将由于承受的线路电压过大而被击穿，导致灭弧失败，如果电弧的能量得不到限制和传导，绝缘外壳甚至会炸开，这是由于在设计上低压熔断器的外壳在耐热和机械强度上都相对偏低，熔体相比于高压限流熔断器也较短，熔体上的槽口数也少很多，开断短路电流时每个槽口承接的电压就会变大，槽口数目是影响开断能力的重要因素［3］。总体上说低压熔断器应用在高于自身额定电压等级的线路中限流能力会减弱，偏流型结构的优点在于利用通流能力强的低压熔断器承接线路中的大部分电流，熔断后电流转移至高压限流熔断器一侧，通过高压限流熔断器抑制电弧的能量达到限流的目的，理想的工作过程如下:

(1)在t1时刻线路中出现短路电流，低压熔断器早于高压限流熔断器在t2时刻一侧先起弧熔断，在熔断过程中电流不断转移到高压熔断器一侧。

(2)在t3时刻低压熔断器完全熔断，电流全部转移到高压熔断器一侧。

(3)由于支路中电感的存在，电流在转移过程中会产生第一次过电压，此过电压会加速高压熔断器的起弧，高压熔断器在t4时刻起弧，在t5时刻完全熔断，工作过程如图3。

图3 短路电流分断过程

本文高压限流熔断器选取XRNMJ系列电机保护用限流熔断器，低压熔断器选取NH4系列方形熔断器，具体的规格参数如表1所示。

表1 熔断器型号参数

2.2 换流时间计算

图4为偏流型熔断器的等效电路图，电感参数的设置是整个工作过程的关键因素，电感参数不仅可以起到匹配阻抗分流的作用，对换流时间也有影响，以L1最为主要，因为线路中最开始熔断的地方是NH4，如果L1设置的过大，在短路情况下将阻碍电流的流通，在整个设计中，L1甚至可以考虑不加，由于整个过程时间非常短，几乎可以当做瞬态处理，这样就可以不考虑电感在短路电流情况下的感抗变化。

图4 偏流行熔断器等效电路图

根据短路电流分断过程，建立偏流型熔断器换流等效电路图，为简化计算，其中低压一侧熔断器的弧压用稳定电源U代替，R1和R2分别为低压熔断器和高压熔断器阻值，短路电流上升率用D表示，由图3得熔断器的弧前时间为(t2－t1)，这里用t'表示，换流时间为(t3－t2)，这里用Δt表示，考虑到换流过程中两个熔断器压降相比电感压降小很多，额定电流相对于预期的短路电流小很多，为简化方程组，这里暂不予以考虑，换流过程的微分方程如下:

式(3)中I为预期的短路电流值，f为工频50Hz，仿真采用40kA预期电流，则D=17.8A/μs。这里先固定低压熔断器一侧阻值为R120μΩ，高压限流熔断器一侧阻值 R2为41μΩ，根据经验设定弧压 U为80V，低压熔断器的弧前时间t'为1ms，则计算不同电感情况下的换流时间为:

表2 不同电感下的换流时间

从表中可以看出，其中在L2固定的情况下，换流时间随着L1增大而增长，而在L1固定的情况下，换流时间随着L2减小而减短，换流时间和电感的总值大小有关，电感的总值越大，总体的换流时间越长。

2.3 熔断器模型的实现

关于熔断器电弧的研究表明，熔断器在融化过程中呈现出的是非线性阻，弧前电阻非常小(微欧级)，融化过程中电阻逐渐增大，在电弧阶段熔断器电阻几乎不变，完全熔断后熔断器电阻呈现为无穷大，过程如图5。

图5 熔断器阻值变化曲线

本文根据熔断器熔断过程中的电阻变化曲线，通过Simulink开关转换电阻的方法来模拟熔断器阻值的变化，如图6所示。

这里R0表示熔断器正常工作时的额定阻值，R1和R2表示熔断过程中的阻值变化，R3表示完全熔断后的电阻，U1和U2表示燃弧过程的弧压，出现在燃弧过程中，这里用一个可控电压源代替，通过理想开关来控制熔断器模型阻值的转换，将其封装为熔断器模块。

3 过电压分析

用Simulink建立额定电压10kV，预期电流40kA，频率50Hz的熔断器分断仿真模型，如图7所示。

图6 熔断器模型

图7 熔断器过电压仿真电路图

图中交流电压源代替熔断器短路试验中的冲击发电机，理想开关代替合闸开关，避雷器模块代替氧化锌电阻，CS和RS是调频电路，其作用是使线路的预期瞬态恢复电压满足相关标准，暂时设定好仿真参数为:

设置好仿真步长，采用ode23tb解调器，结果如图8所示。

图中出现两次过电压，第一次过电压是由于低压熔断器一侧熔断产生的，其值大小主要与高压一侧的电感值有关，影响第一次过电压大小的主要原因是电感的大小和短路电流转移的速率，第二次过电压大小主要与线路中的电感值有关。这里为方便比较，电感采用换算成50Hz下的感抗表示，电感要选取合适的值，电感值过大会增加线路损耗，电感值过小会导致换流时间过短，低压熔断器介质恢复时间不足，不同的电感值下的过电压大小如表3所示。

图8 仿真过电压波形

表3 不同电感值下的过电压

短路电流从NH4一侧转移至XRNMJ过程中要经过电感L1、L2，两个电感上都会产生电压，从表中可以看出，当熔断器电阻值确定的情况下，影响第一次过电压大小的最主要因素是L2与L1的比值大小，比值越大，则第一次过电压越大，这是因为两条支路电感的感应电动势相反而相互抵消，而相对第二次过电压大小影响较小，第一次过电压随着L1增大而减小，随着L2的增大而增大，绘制成曲线图如图9所示。

图9 不同电感下的第一次过电压值

考虑到功耗和感抗分流的因素，选取低压一侧电感值时要尽量低些，至少低于高压一侧的电感值，这里选取L1=0.5μΩ，L2=4μΩ。改进后的过电压波形如图10。

图10 仿真过电压波形

可以看出第一次过电压被限制在很小的范围内，将选定好的参数代入推导的换流时间公式，得出换流时间为0.28ms，熔断器的介质恢复时间经验上需要0.2ms［6］，换流时间大于介质恢复时间。

4 结论

(1)提出了偏流型结构的关键问题是防止换流时间过快和限制过电压。

(2)建立了等效电路图，得出了电感参数对换流时间的影响。

(3)根据熔断器的工作状态，搭建了熔断器的仿真模型

(4)通过仿真波形对新型熔断器的电感参数进行整定，得出了影响第一次过电压的最主要因素是两条支路电感的比值。

［1］ 梁琮．我国熔断器标准修订应当注意的几个问题［J］．电力电容器，2007(1):34－36．

［2］ 周挺，毛柳明．高压限流熔断器的过电压动态仿真与数值计算［J］．高压电器，2007(1):12 －16．

［3］ 金立军，马志瀛，徐黎明．高压限流熔断件弧前时间的数值分析与实验研究［J］．高压电器，1998(1):23－26．

［4］ 毛凤麟，李品德，朱跃，等．超高速开断短路电流的新设备［J］．新产品新技术，2006，34(3):18 －19．

［5］ 戴超，庄劲武，杨锋．新型混合式限流熔断器设计分析［J］．航海工程，2011，40(6):175 －179．

［6］ 戴超，庄劲武，杨锋．直流混合型限流开关分析与设计［J］．电机与控制学报，2011，15(1):68 －72．

［7］ 王季梅．高压交流熔断器［M］．西安:西安交通大学出版社，2000．

［8］ 梅军，郑建勇，胡敏强．基于IGBT软关断的混合式限流断路器结构与分析［J］．电力系统自动化，2004，(4):65 －69．

The Effect and Analysis of Inductance on Biasing Fuse Commutating Current Time and the First Overvoltage

CAIZhi-yuan，LIBo
(1.Electrical Engineering Institute，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China;2.Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

A drifting current fuse uses a high-voltage current limiting fuse to connect a low-voltage fusewith a big capability of current in parallel to improve rated current，under normal circumstances，low-voltage fuses undertake the higher current of circuit，when encountering short-circuit current，the low-voltage break firstly，current transfers to the high-voltage current limiting fuse to finish extinguishing arc.Aiming to the converter time and limit the first voltage，this paper choose the inductance parameter in line with the actual，providing theoretical reference for product design．

fuse;inductance parameter;capacity of current;commutation time;over-voltage

TM563

B

1004－289X(2013)05－0097－05

2013－01－11