創(chuàng)新、誠信、務(wù)實、高效
1張 敏,2蔡炯,3王季梅
1，張家港沙洲電力有限公司生產(chǎn)技術(shù)部，2 杭州博達(dá)電器有限公司,3西安交通大學(xué)電氣學(xué)院
摘要: 近年來，發(fā)電機(jī)出口電壓互感器高壓熔絲異常熔斷故障頻發(fā)，本文深入分析了熔絲異常熔斷的原因，并重點從熔絲本身存在的問題出發(fā)，研究了熔絲的熔芯材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計對熔絲特性的影響，在此基礎(chǔ)上提出異常熔斷的解決方案。
關(guān)鍵詞：高壓熔斷器，PT，頻斷
一 故障現(xiàn)象描述
張家港沙洲電力有限公司一期裝機(jī)2×630MW超臨界發(fā)電機(jī)組，于2006年6月投入商業(yè)運行。發(fā)電機(jī)出口不設(shè)斷路器，采用發(fā)－變組形式，發(fā)電機(jī)出口電壓20KV，變壓器低壓側(cè)為三角形接線方式，變壓器高壓側(cè)電壓220KV；發(fā)電機(jī)為高阻接地（不接地）系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)出口有三組分相電壓互感器，型號JDZXF11-20AG，150VA,二次電壓57.7V，感器高壓側(cè)熔絲型號：RN4 額定電壓：20KV 額定電流：0.5A額定開斷容量:8000MVA。
自投產(chǎn)以來，發(fā)電機(jī)出口電壓互感器（以下均以PT簡稱）高壓熔絲，多次發(fā)生在運行中異常熔斷現(xiàn)象，所謂異常熔斷就是在系統(tǒng)正常運行或未發(fā)生需要熔絲動作保護(hù)的故障時，熔絲出現(xiàn)熔斷。PT熔絲的異常熔斷會造成互感器測量輸出失真，引起繼電保護(hù)裝置誤動作和工作人員的誤判。同時，PT熔絲本身作為系統(tǒng)中設(shè)備，其檢修和更換工作量也比較大，因此可以說，PT熔絲的異常熔斷很大程度上影響了系統(tǒng)的安全可靠運行，已經(jīng)成為一個亟待解決的故障問題[1]。
二 原因分析及歸納
將異常熔斷的熔絲打開后發(fā)現(xiàn)，熔斷的熔芯大多表現(xiàn)為發(fā)黑變脆（見圖1（a）），也有少部分熔斷的熔芯上有明顯的銅綠（見圖1（b）），并且存在受潮現(xiàn)象。由于熔芯周圍的石英砂均未見電弧燒蝕痕跡，且熔芯在打開后基本上仍保持完整，因此可以判斷并不是大電流熔化，而是由于長期小電流熱積累作用的結(jié)果。
（a） （b）
圖1 異常熔斷熔芯外觀
從PT的參數(shù)可以理論計算出一次側(cè)額定電流的數(shù)值，由S=V*A得出PT滿負(fù)載時的電流為0.0075A，而實際運行中PT的負(fù)載一般不會達(dá)到滿負(fù)荷，也就是說實際運行電流比0.0075A還要小。RN4熔絲的內(nèi)阻為192Ω左右，根據(jù)P=I2×R得出熔絲的損耗功率僅為0.0108W，從仿真結(jié)果也可以看出，該電流下熔芯的溫升只有0.5K，因此在該電流下是不可能出現(xiàn)熔芯氧化和熔斷的。
圖2 熔芯溫升仿真（康銅，0.0075A）
從PT熔絲的實際運行情況來看，一般熔絲的連續(xù)運行周期達(dá)到8個月左右，在10－11個月后熔絲就會出現(xiàn)慢熔現(xiàn)象，所以說實際運行時流經(jīng)熔絲的電流應(yīng)遠(yuǎn)大于PT的額定電流0.0075A，根據(jù)熔絲的熔斷周期和熔芯發(fā)脆碳化的現(xiàn)象估算為0.1～0.2A左右，損耗功率在10W左右。圖3是熔芯在0.2A電流下的溫升仿真結(jié)果，可以看到熔芯的最高溫度達(dá)到了532.3℃，長期在如此高的溫度下工作，勢必會產(chǎn)生氧化并導(dǎo)致熔斷。
圖3 熔芯溫升仿真（康銅，0.2A）
從上述的分析可以得出：PT高壓熔絲異常熔斷的外因是正常運行時的PT中勵磁電流偏大，而產(chǎn)生勵磁電流偏大的原因有下列幾種[2]：
（1）電壓互感器質(zhì)量不良，因鐵心截面偏小、硅鋼片特性不良、磁密過高等導(dǎo)致互感器的非線性勵磁特性過早飽和，在系統(tǒng)電壓稍升高情況下，即導(dǎo)致勵磁電流增加
（2）220kV側(cè)的雷電過電壓或操作過電壓，通過變壓器一、二次繞組之間的電容耦合到發(fā)電機(jī)側(cè)，導(dǎo)致電壓互感器繞組過電流。
（3）發(fā)電機(jī)出口電流中諧波分量，雖然諧波含量滿足GB 755-2008《旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能》規(guī)定的要求，但在實際測量中諧波電流的絕對值特別是高次諧波對PT產(chǎn)生勵磁電流的影響也不能忽視。
（4）電壓互感器二次側(cè)引線絕緣不良或二次側(cè)過負(fù)荷，使一次側(cè)電流增加。
除了上述外部原因之外， 容升現(xiàn)象導(dǎo)致負(fù)載端電壓升高，電壓升高導(dǎo)致熔斷器電暈放電[5]。其次，熔絲本身存在的問題往往容易被忽視，實際上熔體材料選取、結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計和加工工藝要求等，都會對熔斷器的工作特性造成影響。本文中所涉及的故障熔絲均采用了康銅作為熔芯材料，康銅具有電阻溫度系數(shù)低，加工性能良好的優(yōu)點，其主要缺點是電阻率高，且在高溫下易氧化[3]，此外，市面上還有一種名為新康銅的材料，其電阻率和電阻溫度系數(shù)與康銅接近，但不含鎳成分，一方面降低了成本，另一方面抗氧化性能也大大下降。電阻率高導(dǎo)致了功耗偏大和溫升偏高，而抗氧化性差又導(dǎo)致了熔芯氧化，因此異常熔斷也就難以避免了。
三 解決方案
為減少發(fā)電機(jī)出口PT熔絲異常熔斷的發(fā)生，并針對上述分析提出下列解決方案：
（1）提高發(fā)電機(jī)出口PT的勵磁特性，聯(lián)系PT廠家生產(chǎn)特制的高飽和度的PT，一般PT的伏安特性的拐點應(yīng)大于1.3倍線電壓，特制的PT達(dá)到1.8倍以上；另外在PT配對試驗時，不僅僅要看額定電壓時的勵磁電流，還要比較每個PT的拐點是否相同，以盡量降低由于PT制造原因產(chǎn)生的不平衡電流。
（2）降低PT熔絲的損耗功率，因為由于系統(tǒng)原因產(chǎn)生的勵磁電流增大，是沒辦法完全消除的，所以只能從PT熔絲損耗功率上做文章，在電流不變的情況下降低熔絲內(nèi)阻。本文選取杭州博達(dá)電氣有限公司生產(chǎn)的 RN2型號的熔斷器，其熔芯的材料為特殊合金，其電阻率僅為康銅的1/30，且抗氧化性能好[4]，分?jǐn)嗵匦砸惨獌?yōu)于康銅。
除了在選用特殊的熔芯材料以外，該產(chǎn)品在加工工藝上也進(jìn)行了改進(jìn)，即通過調(diào)整熔芯的繞線方式來控制熱量分布，從而達(dá)到小過載電流下仍能可靠分?jǐn)嗟哪康?。支撐熔絲的支柱(傳統(tǒng)的是粘土燒制或者溫州柳市的企業(yè)就沒有支柱）也改為滅弧導(dǎo)熱材質(zhì)。通過設(shè)計，在保證熔絲的安秒特性的情況下，同樣規(guī)格20kV的熔絲內(nèi)阻不到康銅絲的1/10，約為10Ω左右，損耗功率不到1W，大大減少了熔芯的發(fā)熱，延長了熔絲的使用壽命。從圖4可以看出，采用合金材料的熔芯最高工作溫度僅84.6℃，遠(yuǎn)低于康銅材料熔芯的工作溫度。同時，熔絲的電感值增大了四倍，消減容升現(xiàn)象帶來的電暈放電現(xiàn)象。
圖4 熔芯溫升仿真（銀，0.2A）
四 結(jié)束語
據(jù)了解，在600MW機(jī)組中，發(fā)電機(jī)出口PT熔絲異常熔斷的現(xiàn)象比較普遍，如果上述方案 能解決這一問題，則可以在同類型機(jī)組進(jìn)行推廣應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1] 王明欽.35kV配電網(wǎng)PT高壓熔斷器異常熔斷故障抑制措施研究[D].北京：華
北電力大學(xué)，2011.
[2] 陳維賢.配電網(wǎng)絡(luò)互感器諧振及其抑制新方法[J].高電壓技術(shù)，1993,19（3）：
3-6
[3] 金吉琰.關(guān)于康銅合金在大氣中高溫氧化過程的探討[J].儀表材料，1988，
19（1）：204-208
[4] 王季梅.高壓交流熔斷器及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006,29-70.
[5]張純 牽引變電所27_5kV電壓互感器熔斷器熔絲熔斷原因分析及對策
作者注：從2013年至今沙洲電廠使用新型設(shè)計的熔絲未再出現(xiàn)非故障熔絲熔斷現(xiàn)象。
