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浅析高压熔断器在负载中实际使用遇到的问题
作者:西安市豪圣电力电器制造有限责任公司 发布日期:2020-05-21 19:01

浅析高压熔断器在高压交流干式负载中实际使用遇到的问题

高压交流干式负载是负载测试行业新兴起的产品,它的优点在于可直接连接高压发电机组并对其进行全方位的带载测试,省去了降压变压器和线缆,为用户大大节省了成本,并提高了测试效率。高压交流干式负载一般分为纯阻性负载、阻感一体和阻容一体负载,已经达到模拟真实负载的能力。高压交流干式负载的电气主回路主要由接线端子、断路器、高压熔断器、电压/电流互感器、模拟负载(阻性、感性、容性)等组成。这里我们主要对高压限流熔断器在交流干式负载中使用所遇到的问题进行分析。
 
  高压限流熔断器是电气设备的主要保护元件之一,它串联在高压交流干式负载主回路电路中使用,当流过其熔体电流超过一定数值时,熔体自身产生的热量自动的将熔体熔断而断开电路的一种保护设备,其功能主要是对高压交流干式负载主回路电路及其主要元器件进行短路和过负荷保护。高压交流干式负载中选用的高压熔断器一般为RN系列。下面介绍高压熔断器的结构和开断过程。
  (一) 高压熔断器的结构和组成
 
  各种保护用的高压限流熔断器其外形结构基本相同,一般由熔管,熔体固定柱,熔体,灭弧材料,触发器,金属端盖等组成。其中熔体、熔管和灭弧介质(石英砂)对限流熔断器来说最为关键,它的撞击机构(触发器)一般有两种:弹簧式和火药式。高压熔断器的基本结构如图(1)所示。
 
  图(1)高压熔断器的基本结构
 
  (二) 高压限流熔断器的基本原理
 
  不管高压限流熔断器保护对象是什么,其工作原理都是一样的:人为地在电路中设置一个最薄弱的发热元件,称作熔体或熔丝。一般来讲,高压限流熔断器常选用银做为熔体,银的熔点和导热性比较好,而且不易氧化。当短路电流或过负荷电流通过熔体时,银熔体发热熔化,进而气化。由于金属蒸气的电导率远比固态与液态金属的电导率低,使熔体的电阻突然增大,电路中的电流突然减小,将在熔体两端产生很高的电压,导致间隙击穿,出现电弧,在电弧的作用下产生大量的气体,形成强烈的去游离作用,使电弧熄灭或电弧与周围有利于灭弧的固体介质紧密接触强行冷却而熄灭。一般高压限流熔断器的灭弧材料用的是石英砂,这是由于石英砂具有较高的导热性和绝缘性能,并且与电弧有很大的接触面积,便于吸收电弧能量。充入熔管的石英砂形成大量细小的固体介质狭缝狭沟,对电弧起分割、冷却和表面吸附(带电粒子)作用,同时缝隙内骤增的气体压力也对电弧起强烈的去游离作用,所以电弧被迅速熄灭。正常工作阶段,熔体通过的电流小于其额定电流,熔断器长期可靠地运行不会发生误动作现象。
 
  (三) 高压熔断器的开断过程
 
  熔体融化过程  当通过熔体的电流达到熔体熔化温度时,进入熔化过程。达到熔点时,由于电磁收缩力和表面张力的作用出现“液珠”现象。随着电流的增大,液珠现象越严重,连结“液珠”之间的金属液体越细,电流密度越大;随着温度的进一步升高,熔体转化为气化过程。2. 产生电弧过程  当熔体进入气化后,金属蒸气的电导率很低,这时电阻突然增大,电流被迫减小,由于电路中有电感存在,在电感和熔断器两端产生很高的过电压,在熔体的断口处发生击穿,产生电弧。3.电弧熄灭过程  产生电弧后,依靠石英砂的吸热和游离作用强制电弧熄灭。熔体断口处应足以承受工频恢复电压和瞬态恢复电压。  熔断器的开断时间决定通过熔体的电流大小,例如:BDG型12kV/10A的熔断器,当熔体通过3倍的电流时,1000s开断;当通过6倍的电流时,3s开断;当熔体通过20倍左右的电流时,由于极陡的电流上升率和极高的电流密度,熔体断口处迅速气化,在所有断口处产生电弧,这时处于绝热状态,无热量传输,石英砂强烈熄弧和冷却作用,在电流下降到零时,电流被开断。
 
  (四) 高压熔断器熔断过程事故分析
 
  高压熔断器在熔断过程中可能由于以下几种情况造成事故的发生:
 
  (1) 熔断器装置过热
 
  (2) 熔断器外壳机械强度低
 
  (3) 熔体结构与熔断器特性曲线不相符
 
  (4) 灭弧材料性能成分不符要求
 
  (5) 撞击器的功能达不到标准要求
 
  (6) 高低压保护配合不合理
 
  (五) 实际应用中遇到的问题:
 
  在集装箱式高压交流干式负载中使用时,主回路额定电压10.5kV,额定电流为52.5A,选用的熔断器为XRNT1-12-63A,开断电流为50kA,电流倍率为1.2。使用一个月后,主回路出现三相中一相断路。停电检修箱体内部,发现熔断器熔体断裂,熔断器周围的箱体壁上有火花溅射后留下的焊点痕迹。经研究认为是以下几方面的原因造成此种事故。
 
  (1) 熔断器熔体额定电流选型偏小。
 
  未充分考虑使用环境因素,环境温度约为50℃,而且熔断器放置在密闭的箱体内,实际环境温度更高。
 
  (2) 熔断器外壳机械强度低
 
  熔断器在开断过程中,由于电弧产生的压力和热量作用,熔管会炸裂。熔断器在开断过程中,产生两种压力:一、爆炸压力:熔体刚刚气化起弧瞬间产生的脉冲形式的压力。二、在整个燃弧期间产生的压力为燃弧压力。这两种压力能达到10—20Mpa。熔断器外壳必须能承受住由内部气体压力的突然出现,热冲击,填料的热膨胀引起的压力,同时应能承受住工频耐压和雷电冲击电压的侵害。熔断器外壳机械强度低,潜在开断过程中外壳炸裂的危险性。
 
  (3) 灭弧材料性能成分不符合要求
 
  熔断器的灭弧材料一般皆用石英砂,其石英砂的成分、颗粒度、填充密度,关系到熔断器的燃弧时间,限流特性。石英砂的颗粒细,限流性能强,颗粒粗,间隙大,气体多在熄弧过程中压力大,充填密度高,吸收热量多。石英砂的成分,性能更直接关系到熔断器的通流容量。对石英砂的理化性能要求如下:    石英砂的化学成分(标准)
 
  STO2%
 
  Fe2O3%
 
  AT2O3%
 
  Mn%
 
  杂质%
 
  99.7
 
  0.016
 
  0.10
 
  0.05
 
  0.09
 
  石英砂的物理性能(标准)
 
  燃失量
 
  膨胀系数
 
  粒度 mm
 
  形状
 
  0.046
 
  0.5
 
  0.2-0.3
 
  圆形
 
  将熔断器平置于试验台上,串接于发电机组—变压器—干式负载回路中,将电流调节至熔断器额定电流的3倍时,撞针弹出,随后伴有气体和烟雾产生。约1min左右,出现火光愈来愈亮并伴有火花飞溅,约20min后火光慢慢消失,熔断器壳体出现明显裂缝,且此回路断路。
 
  经过试验证明,此种熔断器不适合直接安装于高压交流干式负载柜中做过电流保护使用。其未能起到过电流保护的作用,反而容易因其产生的火花造成周围电气元件和设备的损坏甚至造成整个系统瘫痪。此类高压熔断器需选择厂家合格的产品,且计算好相关参数和环境影响因素,并增加采集撞针信号装置,通过此装置与控制系统配合主动切断高压接触器断开主回路负载实现对整个系统的保护。
 
  (六) 选择高压交流干式负载用高压限流熔断器时注意事项:
 
  (1) 关于额定电流的选择
 
  用于阻性负载和感性负载短路保护的熔断器的额定电流按保护线路额定电流的2倍选择,如果设备工作温度高于环境参数设定设备工作环境温度,按环境温度每升高1℃,熔断器额定电流降低1%选择。用于保护高压容性负载,应采用容性负载专用熔断器,且熔断器额定电流按保护线路额定电流的3倍选择。环境温度每上升1℃,熔断器额定电流降低1%。
 
  注:高压容性负载设备内部需做抑制浪涌电流措施。
 
  (2) 熔断器撞击器的动作位移特性及输出能量
 
  考虑到现在SF6负荷开关的脱扣联动件上塑料件较多,故应尽量采用弹簧式撞击器。经我厂实践证明,动作力选用80N的弹簧撞击器比较可靠,低于该值可靠性不高。弹簧式撞击器具有速度特性较平缓,端头平坦的特点,而火药式撞击器的端头较尖,速度较快,易将脱扣联动装置打坏。
 
  (3) 熔断器的额定短路开断电流
 
  其数值上应等于或高于负荷开关柜及组合电器柜的额定短时耐受电流值。
 
  (4) 熔断器的最大截止电流
 
  应尽量小,以利于在开断关合短路电流时,减少对组合电器的电动力的冲击。
 
  (5) 熔断器的最大允许功率耗散
 
  应尽量小,以利于减小组合电器的温升,从而可选用较小额定值的熔断器来保护相同容量的变压器,以利于与上级保护配合。
 
  (6) 熔体发热对熔断器的影响
 
  按照交流高压负荷开关-熔断器组合电器的试验标准GB 16926-1997中的试验方式3,故障电流在最小熔化电流和最小开断电流范围之间时(即故障电流约为熔断器额定电流的2~3倍时),熔断器因通过长时间前弧的电流及随后的燃弧,本身发热严重而产生严酷的高温,在熔断器的撞击器触发负荷开关开断电流前,熔断器必须耐受此高温并无外部损伤。按限流熔断器的试验标准GB 15166.2-1994规定的试验方式3中记录的最长燃弧时间值,必须大于负荷开关-熔断器组合电器制造厂说明的熔断器触发的负荷开关的分闸时间的50%。

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