12 kV跌落式熔断器运行特性及试验研究

王飞鸣，李 冰,2，伊文龙,2，赵义松,2，郎福成,2

(1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2.国网高电压强电流实验室，辽宁 沈阳 110006)

12 kV跌落式熔断器(熔断器)安装在配电网变压器上，作为配电网变压器的主保护；安装在10 kV配电网线路分支线上，可缩小停电范围。熔断器速断特性及载熔件自然跌落形成明显的断开点，具备隔离开关功能，给检修段线路和设备创造了安全的作业环境，增加了检修人员的安全感，因此熔断器在配电网变压器保护和10 kV配电网线路支线保护中得到普及[1-3]。

熔断器开断保护性能取决于熔断件(熔丝)的熔断特性(安秒特性曲线)，由于熔断器成功开断时间仅为十几ms，甚至更短，远小于配电网真空断路器几十ms的开断时间。熔断器速断保护特性决定其是配电网终端的第一级保护开断设备[4-6]，特别是10 kV变压器台区低压侧突发短路和过载运行保护，是其他断路器所不能替代的。

依据国标GB/T 15166.3—2008《高压交流熔断器 第3部分：喷射熔断器》要求的开断试验方式1-5的试验电流，对应熔断器在实际配电网系统主配电站变压器距离的远近及发生不同故障形式产生的故障电流不同，熔断器承受的最大苛刻度不同，如图1所示。不同故障点对应的故障电流如下[7-10]。

图1 熔断器配电网系统

故障点1：配电网变压器T1高压侧端头短路故障，由于距离主配电站变压器T0距离很近，熔断器RQ1开断故障电流对应标准短路开断试验方式1，额定开断电流为12.5 kA。

故障点2：配电网变压器T2高压侧端头短路故障，由于距离主配电站变压器T0距离较远，线路阻抗值较大，熔断器RQ2开断故障电流对应标准短路开断试验方式2，额定开断电流为7.5～10 kA。

故障点3：配电网变压器T3高压侧端头短路故障，由于距离主配电站变压器T0距离很远，线路阻抗值很大，熔断器RQ3开断故障电流对应标准短路开断试验方式3，额定开断电流为2.5～3.75 kA。

故障点4：配电网变压器T1低压侧端头短路故障，熔断器RQ1开断故障电流对应标准短路开断试验方式4，额定开断电流为400～500 A。

故障点5：熔断器RQ2开断故障电流为低压侧过载导致高压电流持续过负荷，开断电流为所配用熔断件的时间-电流特性曲线10 s数量级对应的电流。

1 实际运行存在的问题

熔断器是配电网变压器保护的关键设备。针对配电网变压器高压端口近区短路故障、低压侧突发短路故障、长期过载运行故障等配电网系统高频次故障类型，熔断器保护特性存在严重缺陷及选型配合等问题。根据国网辽宁省电力有限公司设备部统计，2019年辽宁省内由熔断器引发的停电故障780起，由熔断器失效引起的配电网变压器故障560起，合计占配电网总故障7%，其中熔断器质量问题是引发配电网变压器爆炸、越级跳闸停电等恶性故障的主要原因。

目前国网公司通用的熔断器为单端排气结构，额定电流100 A、短路开断电流12.5 kA，如图2所示。熔断器实际运行中存在的主要问题如下。

图2 熔断器结构

a.无开断能力。如果熔断器不能开断标准要求的方式1-5的故障电流，会造成变压器损坏甚至烧毁的现象。熔断器开断失败导致线路保护配合失效，直接越级跳闸上级断路器，扩大停电面积。

b.开断后不跌落。熔断器如果存在材质、工艺问题，会造成长期运行后局部温度过热，在恶劣气候作用下可能造成局部引弧熔焊，导致载熔件开断后不跌落的现象，对现场故障巡线造成困难。

c.长期运行自熔断。载熔件材质不合格，随着气候变化，长期过热运行会造成载熔件稳态运行时熔断。

d.通用互换性能差。熔断器底座、载熔件、熔断件之间互换使用后很难保证整体的开断性能及机械特性，不利于现场设备维护检修。

2 检测试验存在的问题

针对熔断器运行中存在的问题，国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院(以下简称为辽宁电科院)开展专项质量检测试验工作。2018年辽宁电力熔断器物资抽检试验总计完成熔断器84只/次，其中合格熔断器3只，不合格熔断器81只。不合格试验主要集中在开断试验、材质及镀银层检测试验及温升试验，其中开断试验不合格率为96.4%，材质及镀银层检测试验不合格率为73.2%，温升试验不合格率为41.1%。2019年开展辽宁电力熔断器质量评价检测试验，总计54只，其中12只不合格，合格率为77.78%，不合格试验主要是开断试验。熔断器开断试验失败试品状态如图3所示。

图3 熔断器开断试验失败试品状态

依据《国网公司12 kV跌落式熔断器通用互换性能标准》，Q/GDW 11257—2014《10 kV户外跌落式熔断器选型技术原则和检测技术规范》，GB/T 15166.3—2008《高压交流熔断器 第3部分：喷射熔断器》要求，具体分析熔断器质量及性能缺陷主要有以下几点。

a.熔断件(熔丝)质量差。熔断件是保证熔断器开断性能的核心部件，目前国内流通的熔断件普遍存在严重的质量问题，根本不具备开断性能。

b.载熔件(熔管)内产气材料涂层厚度不够。熔断器开断气吹主要是开断电弧引燃载熔件内产气材料，强烈的气吹迫使电弧能量散失，导致电弧弧道不能自持，电弧熄灭。产气材料涂层厚度不够会导致气吹强度不够，不能吹灭电弧。

c.材质强度不够。开断试验过程中出现载熔件炸裂现象，主要因为载熔件、铜铸件和绝缘子材质强度不够，不能承受开断电弧产生的强大压力，导致载熔件炸裂。

d.开断试验过程中出现铜铸件与载熔件脱扣导致炸飞的现象，其原因为铜铸件与载熔件链接工艺不合格。

3 国网公司应对措施

熔断器的问题普遍存在于国网配电网系统，为整体提升熔断器质量，国网公司设备部开展熔断器通用互换标准化制定工作，由国网浙江省电力有限公司(以下简称为浙江省电力公司)牵头起草国网公司《12 kV跌落式熔断器通用互换性能标准》。国网公司通过统一定型熔断器结构、参数，提高熔断器的互换性能。通过提高招标采购价格和开展入网质量检测试验，提升熔断器质量，从根本上解决熔断器入网质量问题。目前，熔断器标准化制定及采购已由浙江省电力公司开展试点工作，熔断器入网质量检测试验由辽宁电科院承担。

辽宁电科院虎石台试验场是系统内唯一开展熔断器入网试验及开断抽检试验工作的单位，全程参与国网公司熔断器标准化制定工作，负责起草国网公司《12 kV跌落式熔断器标准化制定试验标准》和《12 kV跌落式熔断器入网检测及抽检试验方案》。辽宁电科院是GB/T 15166《高压交流熔断器》系列国家标准工作组成员单位，参与熔断器国家标准制定工作。2018年虎石台试验场承担国网公司首批入围的5家熔断器企业标准化制定通用性能摸底试验任务，总计完成开断试验21次。2019年虎石台试验场承担浙江省电力公司熔断器入网检测试验任务，完成熔断器入网检测试验32套(开断试验1280次)。虎石台试验场立足国网系统平台，具备雄厚的检测实力，在标准制定、行业话语权和入网检测试验方面优势明显。目前浙江省电力公司入网检测试验对熔断器质量把控初见成效，现场运行8个月，在台风、盐雾等特殊环境考验下，熔断器故障率明显下降。除浙江省电力公司外，国网山东省电力有限公司、国网四川省电力有限公司、国网山西省电力有限公司等逐步开展熔断器标准化采购及入网试验工作，从熔断器入网源头把控设备质量，提高配电网运行可靠性。

4 保护特性配合试验研究

辽宁电科院针对熔断器与配电网断路器的保护配合问题，开展了国网公司首次配电网大容量保护特性验证真型试验，分别验证熔断器正常运行及故障运行下，断路器保护定值与熔断器开断保护的配合情况。

试验目的：熔断器和配电网柱上断路器不同故障工况下保护定值试验验证。

试验要求：真型再现配电网变压器高压侧端子近区故障，验证熔断器与多级断路器动作情况。

试验参数：220 kV/12 kV变压器额定容量264 MVA，短路试验容量1000 MVA，最大电流12.5 kA、最长时间200 ms、试验容量260 MVA。

配电网保护配合真型试验系统如图4所示。配电网保护配合真型试验现场如图5所示。试验工况如表1所示，分为6种工况。一级断路器保护定值为10 A、延时60 ms、TV变比600/5;二级断路器保护定值为10 A、延时0 ms、TV变比600/5。模拟熔断器与断路器实际的运行工况，熔断器状态依据不同的三相短路电流值，调整为可靠开断和开断失败状态，试验结果中，CB1为一级保护断路器，CB2为二级保护断路器，C为断路器开断状态无动作，O为断路器开断状态有动作。

表1 试验工况

图4 真型试验系统

图5 真型试验现场

试验结果表明，熔断器保护特性是配电网系统运行保护的基础，只有在熔断器运行正常的情况下，配电网系统多级保护才会起到直接作用。如果熔断器保护失效，高压侧故障会引起越级跳闸，增大停电面积；低压侧故障会引起变压器承受过长时间的突发短路压力，极易导致变压器绕组变形或爆炸。

5 结论

a.熔断器熔断件是配电网系统的第一级保护设备，熔断器可靠保护可以直接减小配电网系统的停电面积，提高运行可靠性。

b.通过熔断器实际运行及检测试验得出，熔断器普遍存在质量缺陷及实用配合问题，国网公司通过标准化设计及入网检测方式，逐步提高熔断器的运行质量。