35kV箱變高壓熔斷器慢熔故障分析及解決思路

協鑫新能源控股有限公司 胡海松 華電電力科學研究院有限公司 劉惠娟

某大型新能源光伏企業（以下簡稱某公司）35kV箱變2020年多次出現高壓熔斷器慢熔故障，導致箱變燒毀、集電線路被迫退出運行的事故，給企業造成了巨大的電量和經濟損失。本文對該企業某型號35kV箱變高壓熔斷器慢熔故障從設計、安裝、運行方面進行了分析，發現選型不合理是高壓熔斷器慢熔故障的主要原因。從設計、安裝和運維的角度，提出了預防35kV箱變高壓熔斷器慢熔的措施。

1 箱變故障診斷

1.1 故障概況

2020年4～6月對6188臺同一型號箱變進行統計，其中33臺35kV箱變高壓熔斷器發生慢熔故障，占同期箱變故障的97%，故障造成其中15臺箱變燒毀，13臺箱變絕緣油劣化，5臺箱變高壓熔斷器絕緣底座燒毀。某電站35kV箱變爆炸造成集電線路停電33次，累計損失電量442.4萬kWh，直接和間接經濟損失巨大。事故也嚴重影響到電站電氣設備的安全穩定運行，同時對電網的安全穩定運行造成了沖擊，造成極其不好的社會影響。

該型號35kV箱變及配置的高壓熔斷器銘牌參數如下：型號ZGS11-Z.G-1600/38.5，額定容量1600kVA，高壓側額定電壓38.5kV，高壓側額定電流23.99A，低壓側額定電壓500V，低壓側額定電流1847.5A，額定頻率50Hz，相數三相，連接組別Yd11，冷卻方式ONAN，短路阻抗6.31%，絕緣水平LI200AC85/AC5kV，總質量6170kG，油質量1200kG，高壓熔斷器型號XRNT3A-40.5/40A/S-31.5kA，額定電流40A，開斷電流31.5kA。

1.2 現場檢查情況

通過現場檢查、試驗及調取故障時錄波數據，以及箱變廠家解體檢查情況發現故障點均為高壓熔斷器絕緣套管擊穿造成箱變短路故障，綜合分析判斷為高壓熔斷器發熱慢熔引起套管絕緣降低導致絕緣套管擊穿，從而引發箱變短路故障。經查該型高壓熔斷器是設計院按《工業與民用供配電設計手冊第四版》選型的[1]，為某廠生產XRNT3A-40.5/40A/S-31.5kA高壓插入式全范圍保護熔斷器（圖1）。

圖1 某35 kV箱變燒損高壓熔斷器

2 高壓熔斷器的工作原理及故障原因分析

2.1 高壓熔斷器的工作原理及特性

箱變高壓熔斷器的作用是：當箱變出現過電流或短路時，熔件熔斷后自動切斷電路，從而保護變壓器不受損。由于現場的運行環境比較惡劣，使熔絲在重力和熱積累的作用下出現老化，可能導致在正常的工作電流下發生斷裂，由于熔斷器是在正常的工作電流下熔斷的，熔絲的熔斷時間較長，在熔絲阻值逐漸變大的過程中造成該相電壓的幅值下降，從而引起相關保護的誤動作。

高壓熔斷器一般由金屬熔件、外殼及觸頭構成（圖2）。從熔斷器的設計原理看，電路發生過負荷和短路、有大的故障電流經過熔絲時，由于金屬效應（難熔金屬在某種合金狀態下會成為易熔材料），熔絲將首先在焊有錫球的地方熔斷，隨之在電弧的作用下使熔絲沿全長迅速熔化，所產生的電弧在石英砂的作用下迅速熄滅。熔絲在被保護設備未被損壞之前被加熱熔斷，達到斷開電路保護設備的目的。

圖2 熔斷器結構圖

熔斷器的熔斷特性通常用其保護特性來表示，其保護特性為t=f⑴，曲線如圖3所示，圖中橫坐標I表示流過熔斷器的電流大小；縱坐標t表示熔斷器熔斷所需要的時間；Ir為熔斷器工作的額定電流；θ2為熔斷器穩定持續工作狀態下的溫度[2]。

圖3 熔斷器保護特性曲線

2.2 故障原因分析

高壓熔斷器一次插頭因材質不同出現氧化層經常接觸不好、連接螺栓松動，給熔斷器帶來額外的溫升；高壓熔斷器所處環境溫度較高，熔絲是用熔點較低的金屬材料制成的金屬絲，由于熔絲極細，即便是受到外力的振動也可能斷裂；高壓熔斷器在運行過程中因質量不好容易出現劣化甚至熔斷；進線開關的突然合閘、斷續弧光接地等引起鐵磁諧振過電壓可引起高壓熔斷器熔斷。

正常工作時，若流過熔件的電流小于其額定電流熔斷器不會熔斷。當熔件流過的電流大于其額定電流時，熔斷器熔斷需要的時間與其過電流倍數有密切關系。過電流倍數越大熔斷器熔斷所需要的時間就越短，當過電流倍數非常大時熔斷器就會瞬間熔斷。但由于現場的運行環境比較惡劣，使熔絲在重力和熱積累的作用下出現老化，可能導致在正常的工作電流下發生斷裂，由于熔斷器是在正常的工作電流下熔斷的，熔絲的熔斷時間比較長，在熔絲阻值逐漸變大的過程中造成該相電壓的幅值下降，從而引起相關保護的誤動作。

熔斷器的保護特性與熔斷器穩定持續工作狀態下的溫度有很大關系。當熔斷器穩定工作狀態下的溫度升高時，熔斷器的保護特性曲線就會左移，熔斷器更容易熔斷，甚至在流過熔斷器的電流小于其額定電流時也會造成非選擇性熔斷；當熔斷器的熔件局部截面面積變小時，流過同樣的電流時熔斷器熔斷所需要的時間就會變短，即熔斷器的保護特性曲線會左移。

3 箱變故障處理及防范措施

某公司對該型箱變進行一次全面排查，發現超裝的統一將原RNT3A-40.5/40A/S-31.5kA高壓熔斷器更換成XRNT3A-40.5/50A/S-31.5kA高壓熔斷器。高壓熔斷器更換前后對比圖見圖4，安裝完后運行情況良好。通過對高壓熔斷器現場故障檢查，并結合歷年運行情況，針對可能造成高壓熔斷器慢融的原因考慮從設計選型、安裝運維階段提出以下防范措施。

圖4 高壓熔斷器更換前后照片

3.1 設計選型

設計時高壓熔斷器選型要充分考慮超裝情況（光伏行業）和箱變實際運行工況。根據GBT15166.6-2008《用于變壓器回路的高壓熔斷器的熔斷件選用導則》和《工業與民用供配電設計手冊 第四版》，以額定容量1600kVA、額定電壓38.5kV該型箱變為例，高壓熔斷器額定電流選取方案如下：

Ie=Se/Ue/√3=1600kVA/38.5kV/1.732=23.9 9A，Ir=D×Ie=1.7×23.99A=40.79A（D為高壓熔斷器額定電流系數1.7～1.8，此例選1.7）。后來經查，33臺故障箱變都有1.1～1.2倍的超裝負荷（光伏組件）情況，Ir=1.1×D×Ie=1.1×1.7×23.99A=44.8 7A（D為高壓熔斷器額定電流系數1.7～1.8，此例選1.7）。其中Ie為箱變額定電流，Se為為箱變額定容量，Ue為箱變額定電壓，Ir為熔斷器額定電流。

由于高壓熔斷器電功率與發熱量成正比，公式為P=I2R，所以I恒定的條件下，R越大電功率越大，發熱量也就越大。根據該型高壓熔斷器參數：XRNT3A-40.5/40A/S-31.5kA，阻值(20℃時)33.6mΩ；XRNT3A-40.5/50A/S-31.5kA，阻值(20℃時)28.1mΩ。40A型高壓熔斷器的電功率高于50A型高壓熔斷器，因此40A型高壓熔斷器的發熱量亦高于50A型高壓熔斷器。

3.2 安裝調試及運維管理

安裝時要考慮箱變等設備額定容量，嚴格控制超設計容量安裝。避免不必要的容量冗余浪費或是不足的情況發生，影響設備安全穩定運行；運行中加強對后臺的監控和設備的巡視，發現油溫超標應及時處置，控制油溫降低到85℃以下運行[3]。停電時加強對高壓熔斷器外觀檢查和阻值測量，高度重視年度預防性試驗時高壓熔斷器阻值的變化，并完善熔斷器阻值歷次臺賬記錄，做好橫向及縱向趨勢分析。

4 分析結論

高壓熔斷器選型不合理是造成33臺箱變高壓熔斷器慢熔故障的主要原因。針對熔斷器質量不穩定的原因，要求根據設備檢修計劃定期測試高壓熔斷器直阻，出現明顯變化時應及時更換，同時接觸面必須經去氧化層處理后并適當涂抹導電膠。運行期間加強紅外測溫、振動監控。

綜上，本文通過對某公司35kV箱變高壓熔斷器慢熔故障展開分析和計算，提出了相應的整改辦法和防范措施，對風電、光伏行業35kV箱變的高壓熔斷器及火電發電機出口PT熔斷器慢熔故障有積極預防的作用，對設備安全穩定運行有很好的指導意義。