電壓互感器熔斷器沖擊暫態特性及其選擇方法

楊文呈，劉紅文，楊慶

（1. 云南電網有限責任公司臨滄供電局，云南 臨滄 677000；2. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650011；3. 重慶大學，重慶 400044）

0 前言

在中低壓配電網系統中，在母線上安裝一臺電壓互感器（VT），具有監視、測量和保護功能。因此，電壓互感器的安全可靠運行直接影響到配電網的安全穩定。高壓熔斷器一般在電壓互感器回路中串聯，以保護電壓互感器，防止電壓互感器故障影響系統。熔斷器具有結構簡單、運行安全可靠、價格低廉、限流能力強等優點，在電力系統中得到廣泛應用[1]。保險絲熔斷后，為了使VT 繼續正常工作，操作員必須立即更換高壓保險絲。如果頻繁熔斷，變電站供電的可靠性大大降低。在實際運行中，電壓互感器的高壓熔斷器經常發生非正常熔斷，有時電壓互感器也會不規則燒毀[2]。圖1 所示為35 kV 變電站電壓互感器因保險絲未及時熔斷而燒毀，繞組比例尺為700:1。

圖1 A相電壓互感器（VT）繞組損壞

近年來，人們對熔斷器的研究取得了一些進展。以往人們認為，鐵磁諧振是引起電壓互感器熔斷器熔斷的主要原因，但經過深入研究后，人們認為鐵磁諧振不是主要原因。熔斷器不熔斷的原因主要有以下幾點：

1）鐵磁諧振產生飽和電流[3-12]。如果鐵磁諧振不被抑制，長期的電壓互感器電流會導致電壓互感器熔斷器過熱而熔斷，從而保護配電網。

2）電磁暫態過程[13]。故障恢復后的電容放電沖擊電流是熔斷器熔斷的主要原因[14-16]。接地故障排除后，線路電壓由線路電壓恢復到正常相電壓。由于線對地電容上的電荷對地被切斷，電荷只能通過保險絲，通過電壓互感器一次側的中性點進入地[13]。當線路較長時，自由電荷較多，產生較大的沖擊電流，引起電壓互感器鐵心飽和。此飽和電流可能超過保險絲的熔斷電流，并導致保險絲熔斷。當系統中多次發生單相瞬時接地時，上述過程反復發生，沖擊電流較大，熔斷器更容易熔斷。

3）電暈放電：由于熔斷器的有效部分只有0.2～0.5 mm，額定電壓為10 kV 或更高的熔斷器在氧化后可能因與電暈放電有關的熱效應而熔斷。

4）銅線氧化：銅線氧化后，其電阻增大，更容易被吹滅。

5）保險絲質量：目前，熔斷器的結構千差萬別，制造質量往往參差不齊。目前，電壓互感器的熔斷器熔斷后，常用的方法是更換熔斷器，但這并不妨礙熔斷器熔斷。有時，增加保險絲的額定電流是為了防止熔斷[13]。這種方法可以降低熔斷概率，降低熔斷器對電壓互感器的保護作用，導致變壓器燒毀。為了進一步研究熔斷器的異常熔斷現象，解決VTs 中的這些問題，本文對不同熔體材料和結構的VT 熔斷器進行了試驗，包括穩態電流特性、電磁暫態沖擊特性[17]、分斷特性、X 射線特性和熔斷器電暈特性。在此基礎上，對配電網VT 熔斷器的選擇提出了建議。

1 熔斷器電流特性測試與分析

1.1 穩定電流特性

在中性點隔離系統中，高壓限流熔斷器[18-20]用于保護電壓互感器。在正常運行情況下，當電壓互感器電流過大時，熔斷器會及時熔斷以切斷電壓互感器。

VT 電流過大的原因有很多，如鐵磁諧振過電壓、短路故障、故障恢復后電容器放電沖擊電流或保險絲質量低。在實際操作中，當斷路器斷開或閉合時，VT 保險絲可能熔斷。然而，由于鐵磁諧振或短路故障，保險絲也可能無法及時熔斷。因此，必須根據實際線路系統參數選擇合適的VT 熔斷器類型。目前，10 kV 系統電壓互感器熔斷器的額定電流一般為0.5 或1 A，35 kV 系統電壓互感器熔斷器的額定電流一般為1 A 或2 A。在現有變電站使用的熔斷器中，本文考慮了10 kV/0.5A、10 kV/1 A、35 kV/1 A 和35 kV/2 A 四個系統的七個VT 熔斷器樣品（F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7）進行穩態電流測試。本文旨在為選擇合適參數的VT 熔斷器提供參考。同一型號的7 個VT 保險絲樣品的保險絲長度和截面積幾乎相同。所選保險絲編號如表1 所示。表1 中相同編號的四個系統（10 kV/0.5 A、10 kV/1 A、35 kV/1 A和35 kV/2 A）的保險絲由相同的材料組成。

表1 保險絲樣品

圖2 是isa 測試流程圖。測試包括施加交流電流，即電流RMS（均方根）值，持續2 min，以檢測保險絲熔斷時的電流水平。施加了大于保險絲額定電流的恒定電流。如果連續施加超過2 分鐘的電流沒有引起熔斷，則將保險絲冷卻至正常溫度，斷開，然后向保險絲施加增量為0.5 A 的電流。這項測試一直持續到保險絲燒斷為止。不同保險絲系統的2 分鐘穩態電流值如圖3 所示。

圖2 測試流程圖

圖3 10/35 kV VT系統的2分鐘穩態電流值

對于10 kV/0.5 A VT 熔斷器，2 min 穩態電流值在1.5～2 A 范圍內，是額定電流的3～4 倍對于10 kV/1 A VT 保險絲，2 min 穩態電流值顯示出更大的分散性，最小值為2.5 A，最大值為5 A。對于額定電流為1 A 的35 kV VT 保險絲，電流值在2.5～5 A 之間。額定電流為2 A 的保險絲具有最大的熔斷電流值分散性，F4、F5、F6 和F7 保持在約5 A，F1、F2和F3高達8.5、9.5 和11 A。從圖3 和上圖來看，不同類型保險絲的2 分鐘穩態電流值僅與VT 額定電流有關，而與電壓水平無關。對于同一型號的熔斷器，基于銅成分的2 min 穩態電流值高于基于銀和鎳成分的。額定電流較高的熔斷器，其2 min穩態電流值的差異表明，這種熔斷器的制造質量差異很大。為了配合VT 熔斷器的選擇，本文根據35 kV 變電站的實際數據，采用PSCAD（power system scomputer aidedde sign） 構建了VT 電流仿真電路，如圖4 所示，研究了發生鐵磁諧振時VT 電流的大小。35 kV Ⅰ段母線和線路總電容電流約11 A，三段支路分別為17.394 km、27.607 km 和5 km。35 kV 架空線路的電容電流為0.13a/ km，三段線路的總線性電流約為5.55 A。模擬了空載線路切除后產生的鐵磁諧振。因此，只有母線設備和變電站電纜的電容參與諧振。因此，35 kV Ⅰ段母線設備及電纜電容電流約為5.45 A，計算出各相線對地電容為0.286 μF。值為0.1 Ω 由系統阻抗求得。變壓器二次側母線電壓為35 kV，為準確模擬VT 電流，未安裝避雷器。鐵磁諧振由C 相接地觸發。圖5 顯示了鐵磁共振的模擬波形。0.1 s 時，C 相接地0.1 s。在0.2 s 時，接地消失，產生穩定的交叉共振。模擬接地故障時，各相過電壓峰值為70.0 kV，穩定后峰值為54.2 kV。零序電壓波形表明為1/2 分諧振，此時VT 一次繞組的電流峰值約為4 A。

圖4 35 kV VT.HV鐵磁諧振電流模擬

圖5 35 kV時的鐵磁共振波形

圖5 顯示了接地恢復引起的變壓器鐵磁諧振的脈沖電流幅度。脈沖電流是保險絲額定電流的幾倍。熔斷器不能有效隔離故障，造成變壓器損壞。根據鐵磁諧振時VT 電流的仿真結果，35 kV 系統發生鐵磁諧振時VT 電流約為3～5 A。改變參數后，10 kV 系統的VT 電流約為2-4.5 A。因此，當發生鐵磁諧振時，額定電流較大的VT 熔斷器可能無法及時熔斷。在配電網系統中安裝電壓互感器熔斷器時，應慎重選擇電壓互感器的型號，額定電流應在1 A 及以下。

1.2 電磁瞬態沖擊特性

當系統發生多次單相瞬時接地時，會產生較大的電流，導致保險絲熔斷。本文測試了作者提出的引信抗電磁暫態沖擊特性，如圖6所示。

圖6 熔斷器電磁暫態沖擊試驗電路

試驗裝置如圖7 所示。根據對熔斷器的相關試驗，熔斷器多次受到的瞬態沖擊電流幅值小于30 A，大部分沖擊集中在5～30 A 范圍內。波形的半波時間約為10 ms。在測試過程中，根據U、L、R 和C 調整電流的上升沿和峰值。根據波形要求，選擇電容器（C）為3000 μF，電感（L）為20 mh 通過充電電壓和樣品電阻調節電流幅值。該試驗從峰值電流10 A 開始，對四個系統的五個保險絲樣品（表示為F1、F2、F5、F6和F7）進行沖擊試驗，以5 A 的增量增加，直到保險絲熔斷。在熔斷器熔斷時的峰值電流I 處，峰值電流從5 A 逐漸減小，并對熔斷器反復進行10 次沖擊試驗，以確定沖擊電流I10，熔斷器可承受10 次沖擊電流而不熔斷。

圖7 測試設置的圖片

10 kV 熔斷器的試驗結果如圖8 所示。在10 kV/0.5A 熔斷器中，F5、F6和F7至少能承受10 A 電流。10 kV/1 A 保險絲F5、F6和F7至少能承受30 A 電流。F1和F21 A 保險絲的沖擊電流閾值分別高達80 和100 A。因此，如果在配電網中使用F1和F21 A 熔斷器，故障恢復后的電容器放電沖擊電流可能不會導致熔斷器熔斷。電力系統通常有大約10 A 的沖擊電流。如果使用F1和F20.5 A 熔斷器，這些熔斷器不能承受一定幅度的瞬態脈沖電流，可能會熔斷。因此，對于10 kV系統，應選擇額定電流為1 A的保險絲。

圖8 10 kV熔斷器承受的最大沖擊電流幅度

35 kV 熔斷器的試驗結果如上圖9 所示。電容器額定電壓的限制和單個35 kV 熔斷器的高直流電阻意味著35 kV 熔斷器能夠承受的沖擊電流的大小不是限制值。因此，如果在35 kV系統中使用F1和F22 A 保險絲，則保險絲不容易熔斷。這可能會影響電力系統的運行，并導致VT 損壞事件進一步擴大。

圖9 35 kV熔斷器承受的最大沖擊電流振幅

通過對10 kV 和35 kV 熔斷器的2 min 穩態電流特性和電磁暫態沖擊特性的分析，發現在額定電流過高或過低的情況下，熔斷器可能發生異常熔斷。因此，本文推薦在10 kV 系統中使用10 kV/1 A 熔斷器，在35 kV 系統中使用35 kV/1 A 熔斷器。

2 分斷特性

本文采用分斷試驗對VT 熔斷器分斷時的電弧特性進行了測試。測試原理如圖10 所示。充電電容器（C）的尺寸為55.7 mF，電抗器的電感為186.7 mH。當電流源為零負載電阻或電阻較小時，對于欠阻尼條件，每施加1 kV 充電電壓，預期放電電流為10 A，頻率為50 Hz。

圖10 保險絲熔斷試驗示意圖

35 kV/1 A 熔斷器的典型分斷恢復電壓和分斷電流如圖11 所示。從波形上看，當開關閉合時，恢復電壓和分斷電流有一個瞬態脈沖。這與電流源的內部電路有關。本文只考慮了脈沖后恢復電壓和開斷電流波形的特性。

圖11 35 kV/1 A熔斷器的斷開波形

四種型號的五個熔斷器的試驗結果、恢復電壓和開斷電流幅值以及開斷電流持續時間如圖12 所示。35 kV 熔斷器的恢復電壓達到最大值后，下降到充電電壓值，恢復電壓約為2 kV?；謴碗妷汉螅?0 kV 熔斷器達到最大值，突然由負變正，然后恢復正常充電電壓。10 kV 熔斷器的恢復電流為2～9 kV，斷開電流約為100 A。如圖10 所示，以銀和鎳為主要成分的熔斷器，熔斷器的恢復電壓和開斷電流較小，性能相對穩定。

圖12 每種保險絲類型的斷開特性

此外，由于熔斷后的重燃，個別類型熔斷器的電壓波形在斷開電流為零前出現異常波動。部分熔斷的保險絲如圖13 所示。對于35 kV 保險絲，F5保險絲線消失，其他保險絲的保險絲線中間有多個保險絲。對于10 kV 熔斷器，各熔斷器的熔斷特性不同。在圖13 中，熔絲管沒有爆炸，發現在相同的開斷電流下熔絲的開斷性能不一致，影響了熔絲隔離故障的性能。

圖13 保險絲的熔斷特性

3 X射線檢查

由于引信的封閉結構，本文采用X 射線檢查技術對引信內部結構進行了檢查。X 射線探測器如圖14 所示。35 kV/2 A 保險絲的保險絲X 射線測試圖如圖15 所示。這些結果表明個別保險絲不合格。F1、F2、F3和F4保險絲沒有用于纏繞保險絲的支架，如圖15a～d 所示。有的熔斷器繞線不均勻，靠近熔斷器內管壁，可能造成熔斷器發熱不均，導致局部發熱或大電流下發黑。這些特性也可能影響保險絲的限流特性。F4保險絲出現氧化現象，導致保險絲電阻增大，發熱加劇，正常情況下保險絲更容易熔斷。此外，F1和F3采用了兩個1 A 保險絲并聯，這使得電流過載時保險絲不太容易熔斷。這導致最大2 分鐘穩態電流值遠高于其他同類型保險絲的值。F5、F6和F7保險絲具有繞組支架，如圖15e-g 所示，這促進了保險絲相對穩定的性能，并在2 分鐘穩態電流和電磁瞬態沖擊試驗中提供了更好的可靠性。如果保險絲沒有支架，保險絲氧化、并聯熔斷等質量問題容易導致保險絲異常熔斷。因此，最好選擇一個保險絲，它有一個單一的保險絲和繞組支架，這是不容易氧化。

圖14 X射線探測器

圖15 保險絲的X射線檢查

4 電暈特性

實驗裝置如圖16 所示。電暈試驗方案用于破壞保險絲管壁，使內部保險絲暴露在空氣中，并通過紫外線成像儀在不同電壓下觀察保險絲的電暈特性[21-23]。環氧支撐板的尺寸為100 mm×400 mm×4000 mm。環氧板的底部包括一個接地板。保險絲中間100 毫米的管壁斷了，保險絲沒有在空氣中斷開。將紫外成像儀放置在距離保險絲2 米的位置，確保暴露的保險絲在紫外成像儀的同一視野中長度相等。所有實驗的紫外成像儀增益都設置為100（紫外過濾濾除100% 的太陽光），光子計數模式在指定區域執行光子計數。

圖16 熔斷器電暈試驗示意圖

在試驗過程中，在保險絲端部施加10、20和30 kV 的電壓。本文觀察了熔絲線圈的發光，測量了電暈發光的光子數。圖17 顯示了保險絲的電暈紫外線圖像。

圖17 保險絲的電暈紫外線圖像

圖18 顯示了熔絲兩端分別施加10、20 和30 kV 電壓時，熔絲電暈發光產生的光子圖。結果表明，1 A 熔斷器的電暈發光比2 A 熔斷器弱，在相同電壓下，各熔斷器的電暈發光結果不同。這是因為保險絲的主要部件不同，單個保險絲的氧化條件也不同。以銀或鎳為主要成分的熔斷器不易出現電暈，而以銅為主要成分的熔斷器更易受到電暈的影響。此外，由于F1和F2保險絲沒有繞組支架，因此當施加電壓時，暴露在空氣中的保險絲可能會振動。因此，應避免使用熔體由銅構成的熔斷器，并且應首選基于銀或鎳的熔斷器。

圖18 每個引信樣品測量的光子數

5 結束語

通過對VT 熔斷器性能的各種測試分析，為VT 熔斷器的選擇提供了依據。電磁式電壓互感器熔斷器的2 min 穩態電流特性表明，其穩態電流過大，不能有效隔離變壓器。電磁暫態特性表明，穩態電流過小，電磁暫態過程容易導致熔斷器頻繁熔斷。熔體電暈放電也影響了熔斷器的壽命。應測試所選熔斷器的2 分鐘穩態電流特性、熔體電暈放電水平和電磁瞬態沖擊特性。熔斷器的選擇方法為：配電網系統選用VT 熔斷器時，35 kV 和10 kV 系統應采用額定電流為1 A 的熔斷器。建議選擇單保險絲、繞組支架和不易氧化的保險絲。應避免使用由銅熔體組成的熔斷器，最好使用基于銀或鎳的熔斷器。