电压互感器熔断器冲击暂态特性及其选择方法

杨文呈，刘红文，杨庆

（1. 云南电网有限责任公司临沧供电局，云南 临沧 677000；2. 云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650011；3. 重庆大学，重庆 400044）

0 前言

在中低压配电网系统中，在母线上安装一台电压互感器（VT），具有监视、测量和保护功能。因此，电压互感器的安全可靠运行直接影响到配电网的安全稳定。高压熔断器一般在电压互感器回路中串联，以保护电压互感器，防止电压互感器故障影响系统。熔断器具有结构简单、运行安全可靠、价格低廉、限流能力强等优点，在电力系统中得到广泛应用[1]。保险丝熔断后，为了使VT 继续正常工作，操作员必须立即更换高压保险丝。如果频繁熔断，变电站供电的可靠性大大降低。在实际运行中，电压互感器的高压熔断器经常发生非正常熔断，有时电压互感器也会不规则烧毁[2]。图1 所示为35 kV 变电站电压互感器因保险丝未及时熔断而烧毁，绕组比例尺为700:1。

图1 A相电压互感器（VT）绕组损坏

近年来，人们对熔断器的研究取得了一些进展。以往人们认为，铁磁谐振是引起电压互感器熔断器熔断的主要原因，但经过深入研究后，人们认为铁磁谐振不是主要原因。熔断器不熔断的原因主要有以下几点：

1）铁磁谐振产生饱和电流[3-12]。如果铁磁谐振不被抑制，长期的电压互感器电流会导致电压互感器熔断器过热而熔断，从而保护配电网。

2）电磁暂态过程[13]。故障恢复后的电容放电冲击电流是熔断器熔断的主要原因[14-16]。接地故障排除后，线路电压由线路电压恢复到正常相电压。由于线对地电容上的电荷对地被切断，电荷只能通过保险丝，通过电压互感器一次侧的中性点进入地[13]。当线路较长时，自由电荷较多，产生较大的冲击电流，引起电压互感器铁心饱和。此饱和电流可能超过保险丝的熔断电流，并导致保险丝熔断。当系统中多次发生单相瞬时接地时，上述过程反复发生，冲击电流较大，熔断器更容易熔断。

3）电晕放电：由于熔断器的有效部分只有0.2～0.5 mm，额定电压为10 kV 或更高的熔断器在氧化后可能因与电晕放电有关的热效应而熔断。

4）铜线氧化：铜线氧化后，其电阻增大，更容易被吹灭。

5）保险丝质量：目前，熔断器的结构千差万别，制造质量往往参差不齐。目前，电压互感器的熔断器熔断后，常用的方法是更换熔断器，但这并不妨碍熔断器熔断。有时，增加保险丝的额定电流是为了防止熔断[13]。这种方法可以降低熔断概率，降低熔断器对电压互感器的保护作用，导致变压器烧毁。为了进一步研究熔断器的异常熔断现象，解决VTs 中的这些问题，本文对不同熔体材料和结构的VT 熔断器进行了试验，包括稳态电流特性、电磁暂态冲击特性[17]、分断特性、X 射线特性和熔断器电晕特性。在此基础上，对配电网VT 熔断器的选择提出了建议。

1 熔断器电流特性测试与分析

1.1 稳定电流特性

在中性点隔离系统中，高压限流熔断器[18-20]用于保护电压互感器。在正常运行情况下，当电压互感器电流过大时，熔断器会及时熔断以切断电压互感器。

VT 电流过大的原因有很多，如铁磁谐振过电压、短路故障、故障恢复后电容器放电冲击电流或保险丝质量低。在实际操作中，当断路器断开或闭合时，VT 保险丝可能熔断。然而，由于铁磁谐振或短路故障，保险丝也可能无法及时熔断。因此，必须根据实际线路系统参数选择合适的VT 熔断器类型。目前，10 kV 系统电压互感器熔断器的额定电流一般为0.5 或1 A，35 kV 系统电压互感器熔断器的额定电流一般为1 A 或2 A。在现有变电站使用的熔断器中，本文考虑了10 kV/0.5A、10 kV/1 A、35 kV/1 A 和35 kV/2 A 四个系统的七个VT 熔断器样品（F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7）进行稳态电流测试。本文旨在为选择合适参数的VT 熔断器提供参考。同一型号的7 个VT 保险丝样品的保险丝长度和截面积几乎相同。所选保险丝编号如表1 所示。表1 中相同编号的四个系统（10 kV/0.5 A、10 kV/1 A、35 kV/1 A和35 kV/2 A）的保险丝由相同的材料组成。

表1 保险丝样品

图2 是isa 测试流程图。测试包括施加交流电流，即电流RMS（均方根）值，持续2 min，以检测保险丝熔断时的电流水平。施加了大于保险丝额定电流的恒定电流。如果连续施加超过2 分钟的电流没有引起熔断，则将保险丝冷却至正常温度，断开，然后向保险丝施加增量为0.5 A 的电流。这项测试一直持续到保险丝烧断为止。不同保险丝系统的2 分钟稳态电流值如图3 所示。

图2 测试流程图

图3 10/35 kV VT系统的2分钟稳态电流值

对于10 kV/0.5 A VT 熔断器，2 min 稳态电流值在1.5～2 A 范围内，是额定电流的3～4 倍对于10 kV/1 A VT 保险丝，2 min 稳态电流值显示出更大的分散性，最小值为2.5 A，最大值为5 A。对于额定电流为1 A 的35 kV VT 保险丝，电流值在2.5～5 A 之间。额定电流为2 A 的保险丝具有最大的熔断电流值分散性，F4、F5、F6 和F7 保持在约5 A，F1、F2和F3高达8.5、9.5 和11 A。从图3 和上图来看，不同类型保险丝的2 分钟稳态电流值仅与VT 额定电流有关，而与电压水平无关。对于同一型号的熔断器，基于铜成分的2 min 稳态电流值高于基于银和镍成分的。额定电流较高的熔断器，其2 min稳态电流值的差异表明，这种熔断器的制造质量差异很大。为了配合VT 熔断器的选择，本文根据35 kV 变电站的实际数据，采用PSCAD（power system scomputer aidedde sign） 构建了VT 电流仿真电路，如图4 所示，研究了发生铁磁谐振时VT 电流的大小。35 kV Ⅰ段母线和线路总电容电流约11 A，三段支路分别为17.394 km、27.607 km 和5 km。35 kV 架空线路的电容电流为0.13a/ km，三段线路的总线性电流约为5.55 A。模拟了空载线路切除后产生的铁磁谐振。因此，只有母线设备和变电站电缆的电容参与谐振。因此，35 kV Ⅰ段母线设备及电缆电容电流约为5.45 A，计算出各相线对地电容为0.286 µF。值为0.1 Ω 由系统阻抗求得。变压器二次侧母线电压为35 kV，为准确模拟VT 电流，未安装避雷器。铁磁谐振由C 相接地触发。图5 显示了铁磁共振的模拟波形。0.1 s 时，C 相接地0.1 s。在0.2 s 时，接地消失，产生稳定的交叉共振。模拟接地故障时，各相过电压峰值为70.0 kV，稳定后峰值为54.2 kV。零序电压波形表明为1/2 分谐振，此时VT 一次绕组的电流峰值约为4 A。

图4 35 kV VT.HV铁磁谐振电流模拟

图5 35 kV时的铁磁共振波形

图5 显示了接地恢复引起的变压器铁磁谐振的脉冲电流幅度。脉冲电流是保险丝额定电流的几倍。熔断器不能有效隔离故障，造成变压器损坏。根据铁磁谐振时VT 电流的仿真结果，35 kV 系统发生铁磁谐振时VT 电流约为3～5 A。改变参数后，10 kV 系统的VT 电流约为2-4.5 A。因此，当发生铁磁谐振时，额定电流较大的VT 熔断器可能无法及时熔断。在配电网系统中安装电压互感器熔断器时，应慎重选择电压互感器的型号，额定电流应在1 A 及以下。

1.2 电磁瞬态冲击特性

当系统发生多次单相瞬时接地时，会产生较大的电流，导致保险丝熔断。本文测试了作者提出的引信抗电磁暂态冲击特性，如图6所示。

图6 熔断器电磁暂态冲击试验电路

试验装置如图7 所示。根据对熔断器的相关试验，熔断器多次受到的瞬态冲击电流幅值小于30 A，大部分冲击集中在5～30 A 范围内。波形的半波时间约为10 ms。在测试过程中，根据U、L、R 和C 调整电流的上升沿和峰值。根据波形要求，选择电容器（C）为3000 µF，电感（L）为20 mh 通过充电电压和样品电阻调节电流幅值。该试验从峰值电流10 A 开始，对四个系统的五个保险丝样品（表示为F1、F2、F5、F6和F7）进行冲击试验，以5 A 的增量增加，直到保险丝熔断。在熔断器熔断时的峰值电流I 处，峰值电流从5 A 逐渐减小，并对熔断器反复进行10 次冲击试验，以确定冲击电流I10，熔断器可承受10 次冲击电流而不熔断。

图7 测试设置的图片

10 kV 熔断器的试验结果如图8 所示。在10 kV/0.5A 熔断器中，F5、F6和F7至少能承受10 A 电流。10 kV/1 A 保险丝F5、F6和F7至少能承受30 A 电流。F1和F21 A 保险丝的冲击电流阈值分别高达80 和100 A。因此，如果在配电网中使用F1和F21 A 熔断器，故障恢复后的电容器放电冲击电流可能不会导致熔断器熔断。电力系统通常有大约10 A 的冲击电流。如果使用F1和F20.5 A 熔断器，这些熔断器不能承受一定幅度的瞬态脉冲电流，可能会熔断。因此，对于10 kV系统，应选择额定电流为1 A的保险丝。

图8 10 kV熔断器承受的最大冲击电流幅度

35 kV 熔断器的试验结果如上图9 所示。电容器额定电压的限制和单个35 kV 熔断器的高直流电阻意味着35 kV 熔断器能够承受的冲击电流的大小不是限制值。因此，如果在35 kV系统中使用F1和F22 A 保险丝，则保险丝不容易熔断。这可能会影响电力系统的运行，并导致VT 损坏事件进一步扩大。

图9 35 kV熔断器承受的最大冲击电流振幅

通过对10 kV 和35 kV 熔断器的2 min 稳态电流特性和电磁暂态冲击特性的分析，发现在额定电流过高或过低的情况下，熔断器可能发生异常熔断。因此，本文推荐在10 kV 系统中使用10 kV/1 A 熔断器，在35 kV 系统中使用35 kV/1 A 熔断器。

2 分断特性

本文采用分断试验对VT 熔断器分断时的电弧特性进行了测试。测试原理如图10 所示。充电电容器（C）的尺寸为55.7 mF，电抗器的电感为186.7 mH。当电流源为零负载电阻或电阻较小时，对于欠阻尼条件，每施加1 kV 充电电压，预期放电电流为10 A，频率为50 Hz。

图10 保险丝熔断试验示意图

35 kV/1 A 熔断器的典型分断恢复电压和分断电流如图11 所示。从波形上看，当开关闭合时，恢复电压和分断电流有一个瞬态脉冲。这与电流源的内部电路有关。本文只考虑了脉冲后恢复电压和开断电流波形的特性。

图11 35 kV/1 A熔断器的断开波形

四种型号的五个熔断器的试验结果、恢复电压和开断电流幅值以及开断电流持续时间如图12 所示。35 kV 熔断器的恢复电压达到最大值后，下降到充电电压值，恢复电压约为2 kV。恢复电压后，10 kV 熔断器达到最大值，突然由负变正，然后恢复正常充电电压。10 kV 熔断器的恢复电流为2～9 kV，断开电流约为100 A。如图10 所示，以银和镍为主要成分的熔断器，熔断器的恢复电压和开断电流较小，性能相对稳定。

图12 每种保险丝类型的断开特性

此外，由于熔断后的重燃，个别类型熔断器的电压波形在断开电流为零前出现异常波动。部分熔断的保险丝如图13 所示。对于35 kV 保险丝，F5保险丝线消失，其他保险丝的保险丝线中间有多个保险丝。对于10 kV 熔断器，各熔断器的熔断特性不同。在图13 中，熔丝管没有爆炸，发现在相同的开断电流下熔丝的开断性能不一致，影响了熔丝隔离故障的性能。

图13 保险丝的熔断特性

3 X射线检查

由于引信的封闭结构，本文采用X 射线检查技术对引信内部结构进行了检查。X 射线探测器如图14 所示。35 kV/2 A 保险丝的保险丝X 射线测试图如图15 所示。这些结果表明个别保险丝不合格。F1、F2、F3和F4保险丝没有用于缠绕保险丝的支架，如图15a～d 所示。有的熔断器绕线不均匀，靠近熔断器内管壁，可能造成熔断器发热不均，导致局部发热或大电流下发黑。这些特性也可能影响保险丝的限流特性。F4保险丝出现氧化现象，导致保险丝电阻增大，发热加剧，正常情况下保险丝更容易熔断。此外，F1和F3采用了两个1 A 保险丝并联，这使得电流过载时保险丝不太容易熔断。这导致最大2 分钟稳态电流值远高于其他同类型保险丝的值。F5、F6和F7保险丝具有绕组支架，如图15e-g 所示，这促进了保险丝相对稳定的性能，并在2 分钟稳态电流和电磁瞬态冲击试验中提供了更好的可靠性。如果保险丝没有支架，保险丝氧化、并联熔断等质量问题容易导致保险丝异常熔断。因此，最好选择一个保险丝，它有一个单一的保险丝和绕组支架，这是不容易氧化。

图14 X射线探测器

图15 保险丝的X射线检查

4 电晕特性

实验装置如图16 所示。电晕试验方案用于破坏保险丝管壁，使内部保险丝暴露在空气中，并通过紫外线成像仪在不同电压下观察保险丝的电晕特性[21-23]。环氧支撑板的尺寸为100 mm×400 mm×4000 mm。环氧板的底部包括一个接地板。保险丝中间100 毫米的管壁断了，保险丝没有在空气中断开。将紫外成像仪放置在距离保险丝2 米的位置，确保暴露的保险丝在紫外成像仪的同一视野中长度相等。所有实验的紫外成像仪增益都设置为100（紫外过滤滤除100% 的太阳光），光子计数模式在指定区域执行光子计数。

图16 熔断器电晕试验示意图

在试验过程中，在保险丝端部施加10、20和30 kV 的电压。本文观察了熔丝线圈的发光，测量了电晕发光的光子数。图17 显示了保险丝的电晕紫外线图像。

图17 保险丝的电晕紫外线图像

图18 显示了熔丝两端分别施加10、20 和30 kV 电压时，熔丝电晕发光产生的光子图。结果表明，1 A 熔断器的电晕发光比2 A 熔断器弱，在相同电压下，各熔断器的电晕发光结果不同。这是因为保险丝的主要部件不同，单个保险丝的氧化条件也不同。以银或镍为主要成分的熔断器不易出现电晕，而以铜为主要成分的熔断器更易受到电晕的影响。此外，由于F1和F2保险丝没有绕组支架，因此当施加电压时，暴露在空气中的保险丝可能会振动。因此，应避免使用熔体由铜构成的熔断器，并且应首选基于银或镍的熔断器。

图18 每个引信样品测量的光子数

5 结束语

通过对VT 熔断器性能的各种测试分析，为VT 熔断器的选择提供了依据。电磁式电压互感器熔断器的2 min 稳态电流特性表明，其稳态电流过大，不能有效隔离变压器。电磁暂态特性表明，稳态电流过小，电磁暂态过程容易导致熔断器频繁熔断。熔体电晕放电也影响了熔断器的寿命。应测试所选熔断器的2 分钟稳态电流特性、熔体电晕放电水平和电磁瞬态冲击特性。熔断器的选择方法为：配电网系统选用VT 熔断器时，35 kV 和10 kV 系统应采用额定电流为1 A 的熔断器。建议选择单保险丝、绕组支架和不易氧化的保险丝。应避免使用由铜熔体组成的熔断器，最好使用基于银或镍的熔断器。