12 kV户外跌落式熔断器开断试验分析

周利民，李 冰，赵义松，邢 凯，王飞鸣

(1.沈阳计量测试院，辽宁 沈阳 110170;2. 辽宁东科电力有限公司，辽宁 沈阳 110179；3.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；4.国网沈阳供电公司，辽宁 沈阳 110003)

12 kV户外跌落式熔断器作为过流保护装置主要用于配电变压器高压侧或配电支干线路，其结构简单，安装维护方便，体积小，适应户外环境强，价格便宜且有良好的短路及过载保护功能[1-2]。虽然跌落式熔断器在配电网中有其自身优势，但在运行中暴露的一些问题也逐渐引起重视。熔丝误断、熔管烧坏、熔管误跌落、触头烧蚀等现象，不仅影响供电可靠性，同时降低了熔断器开断能力[3]。配电网对供电可靠性和安全性要求不断提高，对熔断器在运行过程的稳定性提出了更高的要求。特别是由于配电变压器容量及负荷不断增大，导致短路故障电流及过载电流增大，而熔断器作为配电系统中的电力变压器、架空线路等电力设备的主要保护设备，提高其开断能力和开断性能势在必行。

1 开断试验回路布置

跌落式熔断器主要由底座和载熔件、熔断件组成，其结构如图1所示。底座主要包括进线端、出线端、静触头上、静触头下、绝缘子及安装支架。载熔件主要包括动触头上、含有高分子产气材料的熔管。熔断件主要包括熔体、镀锡软铜绞线、辅助灭弧管，熔体一般为银、锡或其合金[4]。正常运行时，载熔件借助熔断件张紧处于闭合位置，当系统发生故障时，故障电流使熔体迅速熔断，并形成电弧，熔管内壁产气材料受电弧灼热迅速分解出大量的气体，灭弧气体不仅通过吸收电弧等离子体的热量来进行去游离作用，而且高压高速的气体向熔管下端喷出形成纵向吹弧，使电弧拉长并在故障电流过零点时熄灭。熔体熔断后，下部动触头失去张力而下翻，锁紧机构释放熔管，熔管跌落，形成明显的断开点[5]。熔断器开断能力是熔断器最重要的安全指标之一，开断试验是考核熔断器开断能力最直接、有效的方法，也是物资抽检试验中的重点试验项目。

图1 跌落式熔断器结构

IEC 60282-2：2008和GB/T 15166.3—2008根据高压喷射跌落式熔断器的保护对象和在配电系统中安装位置的不同，将其分为A级、B级、C级。本文试品均为B级熔断器。

1.1 试验标准

IEC 60282-2：2008和GB/T 15166.3—2008均确定了熔断器5种开断试验方式。方式1，试验100%额定开断电流能力，基于熔断器开断短路电流期间产生的电弧能量与预期开断电流值近似成正比，此方式验证灭弧管熄灭这一电流能力。方式2，试验0.6～0.8倍额定开断电流能力，虽然这一电流产生的电弧能量小于试验方式1，但开断这一电流的燃弧时间可能较长，因此熔断器灭弧管的产气材料燃弧时间可能较长，熔断器灭弧管的产气材料烧蚀程度较大。方式3，试验0.2～0.3倍额定开断电流能力，开断此电流时灭弧管内气压低，因此电弧熄灭较难，此方式验证电弧能否熄灭。方式4，开断400～500 A电流，基于变压器二次侧出口短路，其短路电流折算到一次侧的短路电流值(各种变压器的平均值)，是一种严重的故障条件。此外，这一电流值是使辅助熄弧管炸碎，电弧在灭弧管内出现足够的气压，此气压为熄灭电弧的最低压强，因此须验证熔断器的这种开断能力。方式5，验证低过流条件下的开断能力，此电流接近熔断件最小熔化电流，系熔断件熔化时间约为10 s时的电流值[6]。方式4和方式5主要验证熔断器开断过载电流能力，方式1-方式3主要验证熔断器开断较大短路电流能力，同时还要验证电源电压零点后不同关合角度、短路电流为不同非周期分量时的开断能力。因此，本文熔断器试品主要进行方式1-方式3的开断试验。熔断器开断成功不仅是指燃弧阶段能开断符合要求的短路电流，而且在熄弧后应能承受住符合要求的较高瞬态恢复电压(TRV)。GB/T 15166.3—2008中规定，额定电压12 kV B级熔断器方式1-方式3的TRV标准值[7]如表1所示。

表1 12 kV B级跌落式熔断器方式1-方式3的TRV标准值

1.2 试验回路及参数

图2为开断试验回路原理图。DS1、DS2、DS3为隔离开关；CB1、CB2为保护断路器；CB3为合闸断路器；T为短路试验变压器；TS为试品；TA为测量用电流互感器；L为可调电抗器；TV0、TV1为测量用分压器；R0、C0、Cd为调频电阻、电容。

图2 开断试验回路原理

T为3台单相短路试验变压器，单台容量88 MVA，Yd11接线方式，试验时中性点不接地。CB3为选相开关，L为调流电抗器，通过调整L调整试验电流。R0、C0、Cd为调频电阻、电容，通过调整其参数调整TRV参数。TA、TV0、TV1测得信号经隔离放大器进入Nicolet数据采集系统。

开断试验前，需先进行预期回路调整，一般用与试验回路阻抗相比可以忽略的铜导线做金属性短路接地，调整L、R0、C0、Cd以满足标准要求。本文开断试验所用熔丝额定电流100 A，额定开断电流12.5 kA。经预期试验，满足标准要求的试验参数如表2所示。

表2 方式1-方式3的预期试验参数

2 试验结果分析

根据调整好的预期试验参数布置，将试品装入试验位置，如图3所示。本文涉及3个不同厂家熔断器试品，试品编号为试品1、试品2、试品3，熔丝为实验室统一采购某品牌熔丝，额定电流100 A，额定开断电流12.5 kA。试品主要参数如表3所示。

图3 试验试品位置

表3 试品主要参数

试验过程中，试验顺序按方式3、方式2、方式1进行，相对于电压零角度的合闸相角角度按85°～105°(第1次试验)、-5°～+15°(第2次试验)、130°～150°(第3次试验)进行，若某一条件下试品开断失败，则该试品试验结束，开断试验未通过，试验结果如表4所示。

表4 试品开断试验结果

由表4可知，所有试品均通过了方式3开断试验，试品3在方式2、第1次试验条件下开断失败，试品2在方式2、第3次试验条件下熔管断裂，试品1通过了方式1-方式3不同合闸相角条件下的开断试验，开断试验通过。现通过试验数据及波形对开断试验进行分析。

2.1 不同合闸相角下开断过程分析

由于方式1和方式2需要验证-5°～+15°、85°～105°、130°～150° 3种不同合闸相角下熔断器的开断能力，以试品1为例，分析不同合闸相角对熔断器开断性能的影响。

以图4开断试验波形为例，Ua0为系统电压，Ua1为负载侧电压，Ia1为开断电流。在Ua1开始骤升的第1个点认为是起弧点，对应的时刻与选相开关CB3合闸时刻的时间差为弧前时间，电流Ia1过零且对应Ua1的尖峰时刻为熄弧点，对应的时刻与CB3合闸时刻的时间差为全开断时间。试品1的方式1和方式2的开断试验数据统计如表5所示。

图4 方式1： -5°～+15°开断试验波形

表5 试品1的方式1和方式2开断数据

不同合闸相角，峰值电流区别较大是由于短路电流非周期分量造成。短路电流变化的一般表达式为

(1)

式中：Im为短路电流周期分量幅值，即预期开断电流的幅值；i～为短路电流的周期分量；i-为短路电流的非周期分量；R，L为回路电阻和电感；α为短路出现瞬间电源电压的相角；φ为短路阻抗的功率因数角。

由表达式可推出短路电流变化的特点：α=0或π时，短路电流峰值最大；α=φ时，非周期分量为零，短路电流峰值最小；当φ<α<π时，i的奇数半波电流幅值较小，半波时间短；而偶数半波电流幅值较大，半波时间较长。

因此，在第1次开断试验(合闸相角为85°～105°)过程中，由于开断电流直流分量最小，因此开断电流峰值最小，产生的电弧更容易熄灭，故全开断时间最短。在第2次开断试验(合闸相角为-5°～+15°)过程中，由于开断电流直流分量最大，弧隙中电弧能量增大，开断条件更严酷，不利于熄弧，因此相对于第1次试验时全开断时间更长。在第3次开断试验(合闸相角为130°～150°)过程中，全开断时间最长，这主要是由于开断电流首个半波电流幅值较小，产生的电弧能量较小，导致熔管产生的气体不足以将电弧熄灭，电弧一般会在第2个或第3个半波电流过零点时熄灭。而且，由于第3次试验开断电流峰值略低于第2次，因此，第3次试验开断条件严酷程度不次于第2次试验，这也在开断试验中得到了验证。试品2在方式开断试验过程中，通过了第1次和第2次试验，但在第3次试验开断失败，以往的熔断器开断试验也出现过类似情况。

2.2 不同电弧缩短管长度开断对比

由试品参数可知，试品1、试品2电弧缩短管长度分别为10.5 cm、13 cm，试品3无电弧缩短管，试验数据如表6所示。

表6 不同电弧缩短管长度开断数据

通过试验数据可知，3支试品均通过了方式3开断试验，但试品3在方式2第1次试验开断失败，主要是由于试品3无电弧缩短管所致。熔体在熔管中的位置决定了电弧起弧点的位置，决定了熔管内壁最先分解产气的位置，直接影响吹弧效果。熔体所在位置的压强最大，起弧点距上端帽较近，弧柱拉长拉细的速度较慢，燃弧时间较长，不利于纵吹冷却电弧。熔断后产生气体对上端帽产生较大压力，容易造成进线端铁件变形(见图5)。

图5 进线端铁件变形

2.3 不同熔管尺寸开断对比

熔管是喷射式熔断器最重要的部件之一，熔管的尺寸对熔断器的开断能力有较大影响。试品1和试品2熔管内径分别为16 cm和13.6 cm。通过开断试验数据对比分析可知，试品2在方式3条件下全开断时间明显小于试品1，这主要是由于试品2的熔管内径小于试品1，而方式3开断电流产生的气压相对较低，较小的空间使熔体温度更容易达到熔点，因此，熔管尺寸对弧前时间影响较大。而在方式2条件下，试品2全开断时间略小于试品1，主要是由于方式2条件下开断电流产生的气压较高，熔管尺寸对弧前时间影响不大。试品2在方式2第3次试验时开断失败，熔管底部断裂，主要是由于熔管内径偏小，短路电流瞬间产气量太大，管内压力过高(开断较大短路电流时更为明显)，引起熔管爆炸(见图6)。若熔管内径偏大，则会因产气量不足而不能熄弧，造成开断失败，这种现象在开断过负荷电流时更为明显。因此，对于不同电压等级，不同额定电流及额定开断电流的熔断器，应选择适合尺寸的熔管以提高熔断器开断能力(见表7)。

图6 熔管炸裂

表7 不同熔管尺寸开断数据

3 影响熔断器开断性能的其他因素

在以往的试验中，出现过铜铸件与载熔件连接不牢固，导致铜铸件与载熔件脱扣的现象。如图7所示，在开断试验过程中，由于强大气压导致铜铸件与载熔件脱扣炸飞，这主要是由于铜铸件与载熔件连接工艺差造成的。

图7 铜铸件脱扣

载熔件内产气材料涂层厚度不够，也容易导致开断失败。熔断器开断气吹主要是由开断电流电弧引燃载熔件内产气材料，强烈气吹迫使电弧能量散失，导致电弧弧道不能自持，电弧熄灭。若产气材料涂层厚度不够会导致气吹强度不够，使电弧不能熄灭。此外，产气材料在电弧作用下应不被碳化(或碳化较轻)，自身消耗量小，这样才能多次承受电弧作用。

4 结语

本文所涉及到的开断试验不仅是为了检验试品的开断能力，同时对比分析了合闸相角、电弧缩短管长度、熔管尺寸等因素对开断性能的影响。通过试验分析可知，合闸相角为130°～150°开断试验由于首个半波电流过零点一般无法熄弧导致全开断时间最长，需引起重视。熔断件需选配长度适合的电弧缩短管以提高熔断器的整体开断性能。选择合适尺寸的熔管，同时熔管材料需有较高的机械强度，而且铜铸件与熔管的连接工艺需提高。