基于溫控熔斷器的箱變保護系統(tǒng)探討

湖南三一智慧新能源設(shè)計有限公司 胡志祥 劉 旺

十四五期間風電、光伏發(fā)電進入新發(fā)展階段，承載著“3060”碳達峰、碳中和的偉大目標。目前，陸上風電項目的風機單機容量在不斷加大，升壓箱變作為發(fā)電單元中不可缺少的部分，其容量也隨之增大。

受限于高壓熔斷器設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，目前常見的美式箱變?nèi)萘炕驹?150kVA以下。2021年5月，西安斯泰德、西安祥源振力、西安厚德等公司的100A、125A、140A、160A 35kV高壓熔斷器相繼取得高壓型式試驗報告，使得美式箱變?nèi)萘客黄?000kVA成為可能。

目前，美式箱變的高低壓兩側(cè)的設(shè)備配置基本為：高壓側(cè)熔斷器+負荷開關(guān)、低壓側(cè)框架斷路器。35kV美式箱變的高壓熔斷器均為油浸式，結(jié)構(gòu)緊湊，以125A的35kV高壓熔斷器為例：高壓熔斷器保護作用于快速切除故障電流在350A至31.5kA區(qū)間的故障狀態(tài)，其熔斷器額定電流Ie至350A區(qū)間內(nèi)小倍率故障狀態(tài)熔斷時間很長或無法熔斷，使得箱變在小倍率故障電流狀態(tài)下無法得到有效保護，存在保護死區(qū)。

本文提出一種關(guān)于高壓熔斷器的溫控保護系統(tǒng)，根據(jù)高壓熔斷器的工況溫度，在高壓熔斷器快速熔斷之前的保護死區(qū)范圍內(nèi)進行溫度保護，實現(xiàn)真正意義的全范圍保護。

1 溫控熔斷器工作原理及特性

帶溫度限制的全范圍保護高壓限流熔斷器發(fā)熱熔體材料一般為純銀，對于額定電流低的熔斷器，熔體做成絲狀；額定電流大的則做成帶狀，帶狀熔體開有等距離的槽口。

其開斷過程如下：熔體通過電流超過額定值時，導致其溫度大幅上升；當溫度大于熔化值時，熔體開始熔化，在電收縮力、液體表面張力的作用下逐步形成液珠狀。隨著電流的增大，“液珠”之間連結(jié)的金屬液體越來越細，電流密度增大。隨著溫度的進一步升高，熔體轉(zhuǎn)化為氣化過程[1]；熔體氣化后，電阻急劇增大，電流減小，由于電路中電感效應，在電感和熔斷器兩端產(chǎn)生很高的過電壓，使得熔體的斷口處發(fā)生擊穿，產(chǎn)生電弧；產(chǎn)生電弧后，熔管內(nèi)石英砂的吸熱和游離作用強制電弧熄滅。熔體斷口處應足以承受工頻恢復電壓和瞬態(tài)恢復電壓，熔斷器的開斷時間參考對應安-秒特性曲線。

一般當熔管內(nèi)熔體（銀）的溫度達到962℃時，部分槽口處熔體就會迅速熔化，瞬時產(chǎn)生的電弧可熔化整個熔體；但小倍率故障電流狀況下，熔體溫度達不到熔體熔點[2]。為此溫控熔斷器采用溫度控制節(jié)點來彌補這一缺陷，當熔體溫度達到150℃時（溫度可設(shè)定，故障電流需持續(xù)1～10分鐘，電流越大節(jié)點動作時間越短，反之越長），熔斷器常開/常閉節(jié)點動作發(fā)出信號，跳開低壓框架斷路器，隨后跳開高壓側(cè)負荷開關(guān)。

熔斷器的動作是靠熔體的熔斷來實現(xiàn)的，其熔斷時間與電流大小相關(guān)，成反時限特性。對熔體來說，其動作電流和動作時間特性即熔斷器的安-秒特性。每一種規(guī)格的熔體都有對應的最小熔化電流，一般熔斷器只能起到大電流短路保護作用，不能起到小倍率故障電流狀況下的保護作用[3]。

然而，帶溫度限制的高壓限流熔斷器無論什么原因產(chǎn)生的不允許的高溫，溫度限制器都可以通過內(nèi)部的溫度觸發(fā)器，使熔斷器套筒內(nèi)的溫度限制在150℃以下。

在該方式下可以盡可能使供電具有連續(xù)性，短時間的過負荷不會引起熔斷器不必要的分斷電路，只有在超過不能允許的溫度時，熔斷器才分斷開關(guān)，并且能夠在事故消除后不需要更換熔斷器即可恢復供電。

帶溫度限制的高壓限流全范圍保護熔斷器安-秒特性曲線特性表見圖1。①～②～③段曲線是熔斷器時間-電流特性曲線，②～③段表示熔斷器熔斷區(qū)域（第一電流區(qū)間），①～②段為熔斷器本身不能短時安全分斷的危險區(qū)。②點為熔斷器最小熔斷電流，①點為熔斷器最小熔體電流，溫度限制的工作范圍在①～②～④區(qū)域內(nèi)（第二電流區(qū)間）。①～②～④區(qū)域內(nèi)熔斷器不會快速熔斷，溫度控制節(jié)點會在熔絲熔斷前就動作輸出信號節(jié)點，配合箱變保護測控裝置及高低壓側(cè)的斷路器、負荷開關(guān)，在一定的動作邏輯順序下即可完成小倍率故障電流的切除。

圖1 某廠家125A溫度限制熔斷器安-秒特性曲線圖

2 溫控熔斷器保護系統(tǒng)的應用

2.1 選用溫控熔斷器保護的必要性

當電流流過高壓熔斷器熔斷件時，熔斷件會產(chǎn)生熱量并且有溫升，熔斷件產(chǎn)生的熱量會通過熔斷器套筒與套筒外的變壓器油進行熱交換，以達到熱平衡。當散熱不暢或過負荷運行時，熔斷器套筒內(nèi)的溫度會持續(xù)上升。當套筒內(nèi)溫度達到150度以上時，熔斷件的外管材料（環(huán)氧玻璃絲纏繞管），受耐溫性的限制，此時會發(fā)生變色的情況。而當溫度上升到200度以上并較長時間運行時，會發(fā)生熔斷件外管的碳化現(xiàn)象，有機材料的熔斷件外管一旦碳化，性能將大幅降低，此時如發(fā)生熔斷件開斷故障，熔斷件外管因抗張強度降低而無法承受開斷能量導致炸管。

因此，在新能源工程的美式箱變中選用帶溫度限制的高壓限流全范圍保護熔斷器非常必要，其溫度控制功能不僅能實現(xiàn)全范圍保護，也能有效的避免炸管事故。

2.2 溫控熔斷器保護系統(tǒng)簡介

以某廠家新型XRNT3-40.5/16-125A型溫度限制熔斷器為例，我司已獲得專利授權(quán)的基于溫控熔斷器的保護系統(tǒng)主要包括變壓器、高壓熔斷器、低壓斷路器、測溫點、溫度觸發(fā)器、控制器、第一電流區(qū)間和第二電流區(qū)間；變壓器分別與高壓熔斷器和低壓斷路器連接，測溫點設(shè)置在高壓熔斷器內(nèi)；溫度觸發(fā)器與測溫點和低壓斷路器連接；第一電流區(qū)間為高壓熔斷器的熔斷電流區(qū)間；第二電流區(qū)間為溫度觸發(fā)器根據(jù)測溫點反饋的高壓熔斷器溫度，控制低壓斷路器切斷一次回路的電流區(qū)間。

高壓溫控熔斷器包括有端蓋、干接點和測溫線，端蓋設(shè)置與高壓熔斷器的一側(cè)端部，干接點設(shè)置于端蓋，與溫度觸發(fā)器連接，高壓熔斷器動作的實施方式，通過在端蓋上設(shè)置干接點，以及連接干接點和測溫點的測溫線，實現(xiàn)了干接點根據(jù)測溫點對高壓熔斷器溫度變化的監(jiān)測。當熔斷器溫度大于設(shè)定值時，干接點動作發(fā)信號至低壓框架斷路器跳閘，隨后切開高壓側(cè)負荷開關(guān)。

在實際應用場景中，當變壓器發(fā)生嚴重短路故障時，故障電流遠大于高壓熔斷器快速熔斷電流（350A），高壓熔斷器達到相應時間后直接熔斷；當發(fā)生小倍率故障電流情況時，高壓熔斷達不到快速熔斷條件，但此時變壓器及高壓熔斷器溫度快速上升，測溫點采集溫度信號，通過測溫線和溫度觸發(fā)器將溫度信號傳輸、轉(zhuǎn)換為熔斷器端蓋上的干接點，干接點根據(jù)預設(shè)條件發(fā)出相應的動作信號，控制器通過接收到端蓋上的干接點輸出動作信號啟動跳閘，動作于箱變低壓斷路器，同時輸出延時信號動作于高壓負荷開關(guān)，實現(xiàn)將變壓器高、低壓側(cè)斷開，起到箱變的全范圍保護作用，避免死區(qū)。

2.3 熔斷器額定電流的選擇

高壓限流熔斷器的熔體電流一般選擇方式為：In=（1.5～2）倍的變壓器額定電流。按國標GB15166.2-2008第9.3.2規(guī)定，選擇熔斷器額定電流時應考慮：回路的正常電流和可能的過載電流（包括持續(xù)的諧波在內(nèi)）；與開合變壓器等設(shè)備有關(guān)的回路的瞬態(tài)現(xiàn)象，具體為當熔體內(nèi)通過變壓器的勵磁涌流時，要求熔體熔斷時間不小于0.5秒；與其他保護裝置的配合；滿足熔斷器的溫升極限；必須保證有足夠的裕度以防止熔體的惡化[4]。

除此之外還應考慮下列因素：熔斷器熔管的額定電流應大于或等于熔體的額定電流；最大工作電流通過熔體時應不誤熔斷，因此熔體的額定電流應不小于流經(jīng)其的長期工作電流的1.25倍；由于額定電流是參照單個熔斷器在空氣中或油中試驗時的溫升規(guī)定的，因此應考慮不同安裝使用場所對額定電流值的影響。

因此根據(jù)新能源項目熔斷器內(nèi)置于變壓器油，使用熔斷器散熱較差，根據(jù)國標GB15166.2-2008＜高壓交流熔斷器第2部分：限流熔斷器》附錄F的規(guī)定，當熔斷器周圍介質(zhì)溫度達到70度時，熔斷器額定電流降為原值的70%左右，而當周圍介質(zhì)溫度達到80度時，熔斷器額定電流降為原值的55%左右，由此可見熔斷器周圍溫度的變化對熔斷器工作的影響是十分嚴重的。熔斷器周圍變壓器的油溫是選擇熔斷器額定電流的一個非常重要的因素，應根據(jù)變壓器油的熱分布特點，選擇合適的熔斷器的額定電流，確保變壓器的安全運行。一般建議取高壓限流熔斷器的額定電流=（1.8～2.2）倍的變壓器額定電流，同時應避免設(shè)備過負荷運行。熔斷器的一般選用原則如表1所示：

表1 35kV變壓器高壓熔斷器額定電流選擇表

2.4 溫控熔斷器保護系統(tǒng)的應用

我司設(shè)計的山東臨邑分散式風力發(fā)電項目中，在一臺3500kVA美式箱變上試點采用了該保護系統(tǒng)。該箱變高壓側(cè)額定電壓比為38.5±2.5%/0.69kV，阻抗電壓為7%，連接組別D,yn11，35kV系統(tǒng)采用電阻接地系統(tǒng)。低壓側(cè)配置框架式斷路器，殼架額定電流為3200A，脫扣器額定電流為3200A。高壓側(cè)采用熔斷器+負荷開關(guān)方式，負荷開關(guān)額定電流為630A，熔斷器采用了斯泰德125A風電專用35kV高壓溫控熔斷器，35kV側(cè)配置電流互感器帶保護測量繞組。

外側(cè)配合的保護系統(tǒng)由我公司自行設(shè)計，保護邏輯采用非電量信號+電量信號雙重確認。當溫控熔斷器的溫度超過150攝氏度時，由溫控熔斷器自帶的無源節(jié)點閉合，發(fā)出熔斷器溫度過高信號。保護裝置在接收到熔斷器溫度過高的信號后，保護裝置啟動，同時檢查高壓側(cè)電流，若電流值大于1.1倍額定電流，并且小于負荷開關(guān)額定電流，延時0.5秒后跳開低壓側(cè)框架斷路器。如果高壓側(cè)電流小于額定電流，低過載保護返回，判斷為風機到相間電纜故障；如果高壓側(cè)電流不小于額定電流，低過載保護動作，延時0.3秒，高壓側(cè)負荷開關(guān)分合閘，切除低過載故障。

為驗證熔斷器溫升情況與負荷電流的相互關(guān)系，設(shè)計人員還增加了一套熒光式光纖測溫裝置，用于記錄相關(guān)運行數(shù)據(jù)。從2021年11月投運以來，各項數(shù)據(jù)記錄均在合理范圍之內(nèi)。隨著高壓熔斷器設(shè)備的額定電流上限不斷突破，140A、160A熔斷器可逐步用于5000kVA及以下箱變高壓保護。5000kVA及以下箱變由華變改為美變后，配合我司授權(quán)的專利技術(shù)，可有效的代替原斷路器保護方案，預計每臺箱變可降低成本10%左右，具有良好的經(jīng)濟價值。

3 結(jié)語

美式箱變中的高壓保護是通過熔斷器實現(xiàn)的，選用帶溫度控制的高壓限流全范圍保護熔斷器不僅可以迅速切斷短路故障電流，同時也可以通過變壓器和熔斷器溫度的升高來判斷小倍率故障電流，并斷開主回路，切除故障，并在故障恢復后可重復啟用。使熔斷器真正意義上起到全范圍保護。同時隨著高壓熔斷器的額定電流不斷加大，結(jié)合我司設(shè)計的基于溫控熔斷器的保護系統(tǒng)應用，可實現(xiàn)5000kVA及以下美變對華變的替代，具有良好的經(jīng)濟效益。