12 kV跌落式熔斷器運行特性及試驗研究

王飛鳴，李 冰,2，伊文龍,2，趙義松,2，郎福成,2

(1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網高電壓強電流實驗室，遼寧 沈陽 110006)

12 kV跌落式熔斷器(熔斷器)安裝在配電網變壓器上，作為配電網變壓器的主保護；安裝在10 kV配電網線路分支線上，可縮小停電范圍。熔斷器速斷特性及載熔件自然跌落形成明顯的斷開點，具備隔離開關功能，給檢修段線路和設備創造了安全的作業環境，增加了檢修人員的安全感，因此熔斷器在配電網變壓器保護和10 kV配電網線路支線保護中得到普及[1-3]。

熔斷器開斷保護性能取決于熔斷件(熔絲)的熔斷特性(安秒特性曲線)，由于熔斷器成功開斷時間僅為十幾ms，甚至更短，遠小于配電網真空斷路器幾十ms的開斷時間。熔斷器速斷保護特性決定其是配電網終端的第一級保護開斷設備[4-6]，特別是10 kV變壓器臺區低壓側突發短路和過載運行保護，是其他斷路器所不能替代的。

依據國標GB/T 15166.3—2008《高壓交流熔斷器 第3部分：噴射熔斷器》要求的開斷試驗方式1-5的試驗電流，對應熔斷器在實際配電網系統主配電站變壓器距離的遠近及發生不同故障形式產生的故障電流不同，熔斷器承受的最大苛刻度不同，如圖1所示。不同故障點對應的故障電流如下[7-10]。

圖1 熔斷器配電網系統

故障點1：配電網變壓器T1高壓側端頭短路故障，由于距離主配電站變壓器T0距離很近，熔斷器RQ1開斷故障電流對應標準短路開斷試驗方式1，額定開斷電流為12.5 kA。

故障點2：配電網變壓器T2高壓側端頭短路故障，由于距離主配電站變壓器T0距離較遠，線路阻抗值較大，熔斷器RQ2開斷故障電流對應標準短路開斷試驗方式2，額定開斷電流為7.5～10 kA。

故障點3：配電網變壓器T3高壓側端頭短路故障，由于距離主配電站變壓器T0距離很遠，線路阻抗值很大，熔斷器RQ3開斷故障電流對應標準短路開斷試驗方式3，額定開斷電流為2.5～3.75 kA。

故障點4：配電網變壓器T1低壓側端頭短路故障，熔斷器RQ1開斷故障電流對應標準短路開斷試驗方式4，額定開斷電流為400～500 A。

故障點5：熔斷器RQ2開斷故障電流為低壓側過載導致高壓電流持續過負荷，開斷電流為所配用熔斷件的時間-電流特性曲線10 s數量級對應的電流。

1 實際運行存在的問題

熔斷器是配電網變壓器保護的關鍵設備。針對配電網變壓器高壓端口近區短路故障、低壓側突發短路故障、長期過載運行故障等配電網系統高頻次故障類型，熔斷器保護特性存在嚴重缺陷及選型配合等問題。根據國網遼寧省電力有限公司設備部統計，2019年遼寧省內由熔斷器引發的停電故障780起，由熔斷器失效引起的配電網變壓器故障560起，合計占配電網總故障7%，其中熔斷器質量問題是引發配電網變壓器爆炸、越級跳閘停電等惡性故障的主要原因。

目前國網公司通用的熔斷器為單端排氣結構，額定電流100 A、短路開斷電流12.5 kA，如圖2所示。熔斷器實際運行中存在的主要問題如下。

圖2 熔斷器結構

a.無開斷能力。如果熔斷器不能開斷標準要求的方式1-5的故障電流，會造成變壓器損壞甚至燒毀的現象。熔斷器開斷失敗導致線路保護配合失效，直接越級跳閘上級斷路器，擴大停電面積。

b.開斷后不跌落。熔斷器如果存在材質、工藝問題，會造成長期運行后局部溫度過熱，在惡劣氣候作用下可能造成局部引弧熔焊，導致載熔件開斷后不跌落的現象，對現場故障巡線造成困難。

c.長期運行自熔斷。載熔件材質不合格，隨著氣候變化，長期過熱運行會造成載熔件穩態運行時熔斷。

d.通用互換性能差。熔斷器底座、載熔件、熔斷件之間互換使用后很難保證整體的開斷性能及機械特性，不利于現場設備維護檢修。

2 檢測試驗存在的問題

針對熔斷器運行中存在的問題，國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院(以下簡稱為遼寧電科院)開展專項質量檢測試驗工作。2018年遼寧電力熔斷器物資抽檢試驗總計完成熔斷器84只/次，其中合格熔斷器3只，不合格熔斷器81只。不合格試驗主要集中在開斷試驗、材質及鍍銀層檢測試驗及溫升試驗，其中開斷試驗不合格率為96.4%，材質及鍍銀層檢測試驗不合格率為73.2%，溫升試驗不合格率為41.1%。2019年開展遼寧電力熔斷器質量評價檢測試驗，總計54只，其中12只不合格，合格率為77.78%，不合格試驗主要是開斷試驗。熔斷器開斷試驗失敗試品狀態如圖3所示。

圖3 熔斷器開斷試驗失敗試品狀態

依據《國網公司12 kV跌落式熔斷器通用互換性能標準》，Q/GDW 11257—2014《10 kV戶外跌落式熔斷器選型技術原則和檢測技術規范》，GB/T 15166.3—2008《高壓交流熔斷器 第3部分：噴射熔斷器》要求，具體分析熔斷器質量及性能缺陷主要有以下幾點。

a.熔斷件(熔絲)質量差。熔斷件是保證熔斷器開斷性能的核心部件，目前國內流通的熔斷件普遍存在嚴重的質量問題，根本不具備開斷性能。

b.載熔件(熔管)內產氣材料涂層厚度不夠。熔斷器開斷氣吹主要是開斷電弧引燃載熔件內產氣材料，強烈的氣吹迫使電弧能量散失，導致電弧弧道不能自持，電弧熄滅。產氣材料涂層厚度不夠會導致氣吹強度不夠，不能吹滅電弧。

c.材質強度不夠。開斷試驗過程中出現載熔件炸裂現象，主要因為載熔件、銅鑄件和絕緣子材質強度不夠，不能承受開斷電弧產生的強大壓力，導致載熔件炸裂。

d.開斷試驗過程中出現銅鑄件與載熔件脫扣導致炸飛的現象，其原因為銅鑄件與載熔件鏈接工藝不合格。

3 國網公司應對措施

熔斷器的問題普遍存在于國網配電網系統，為整體提升熔斷器質量，國網公司設備部開展熔斷器通用互換標準化制定工作，由國網浙江省電力有限公司(以下簡稱為浙江省電力公司)牽頭起草國網公司《12 kV跌落式熔斷器通用互換性能標準》。國網公司通過統一定型熔斷器結構、參數，提高熔斷器的互換性能。通過提高招標采購價格和開展入網質量檢測試驗，提升熔斷器質量，從根本上解決熔斷器入網質量問題。目前，熔斷器標準化制定及采購已由浙江省電力公司開展試點工作，熔斷器入網質量檢測試驗由遼寧電科院承擔。

遼寧電科院虎石臺試驗場是系統內唯一開展熔斷器入網試驗及開斷抽檢試驗工作的單位，全程參與國網公司熔斷器標準化制定工作，負責起草國網公司《12 kV跌落式熔斷器標準化制定試驗標準》和《12 kV跌落式熔斷器入網檢測及抽檢試驗方案》。遼寧電科院是GB/T 15166《高壓交流熔斷器》系列國家標準工作組成員單位，參與熔斷器國家標準制定工作。2018年虎石臺試驗場承擔國網公司首批入圍的5家熔斷器企業標準化制定通用性能摸底試驗任務，總計完成開斷試驗21次。2019年虎石臺試驗場承擔浙江省電力公司熔斷器入網檢測試驗任務，完成熔斷器入網檢測試驗32套(開斷試驗1280次)。虎石臺試驗場立足國網系統平臺，具備雄厚的檢測實力，在標準制定、行業話語權和入網檢測試驗方面優勢明顯。目前浙江省電力公司入網檢測試驗對熔斷器質量把控初見成效，現場運行8個月，在臺風、鹽霧等特殊環境考驗下，熔斷器故障率明顯下降。除浙江省電力公司外，國網山東省電力有限公司、國網四川省電力有限公司、國網山西省電力有限公司等逐步開展熔斷器標準化采購及入網試驗工作，從熔斷器入網源頭把控設備質量，提高配電網運行可靠性。

4 保護特性配合試驗研究

遼寧電科院針對熔斷器與配電網斷路器的保護配合問題，開展了國網公司首次配電網大容量保護特性驗證真型試驗，分別驗證熔斷器正常運行及故障運行下，斷路器保護定值與熔斷器開斷保護的配合情況。

試驗目的：熔斷器和配電網柱上斷路器不同故障工況下保護定值試驗驗證。

試驗要求：真型再現配電網變壓器高壓側端子近區故障，驗證熔斷器與多級斷路器動作情況。

試驗參數：220 kV/12 kV變壓器額定容量264 MVA，短路試驗容量1000 MVA，最大電流12.5 kA、最長時間200 ms、試驗容量260 MVA。

配電網保護配合真型試驗系統如圖4所示。配電網保護配合真型試驗現場如圖5所示。試驗工況如表1所示，分為6種工況。一級斷路器保護定值為10 A、延時60 ms、TV變比600/5;二級斷路器保護定值為10 A、延時0 ms、TV變比600/5。模擬熔斷器與斷路器實際的運行工況，熔斷器狀態依據不同的三相短路電流值，調整為可靠開斷和開斷失敗狀態，試驗結果中，CB1為一級保護斷路器，CB2為二級保護斷路器，C為斷路器開斷狀態無動作，O為斷路器開斷狀態有動作。

表1 試驗工況

圖4 真型試驗系統

圖5 真型試驗現場

試驗結果表明，熔斷器保護特性是配電網系統運行保護的基礎，只有在熔斷器運行正常的情況下，配電網系統多級保護才會起到直接作用。如果熔斷器保護失效，高壓側故障會引起越級跳閘，增大停電面積；低壓側故障會引起變壓器承受過長時間的突發短路壓力，極易導致變壓器繞組變形或爆炸。

5 結論

a.熔斷器熔斷件是配電網系統的第一級保護設備，熔斷器可靠保護可以直接減小配電網系統的停電面積，提高運行可靠性。

b.通過熔斷器實際運行及檢測試驗得出，熔斷器普遍存在質量缺陷及實用配合問題，國網公司通過標準化設計及入網檢測方式，逐步提高熔斷器的運行質量。