摘要: 近年来，发电机出口电压互感器高压熔丝异常熔断故障频发，本文深入分析了熔丝异常熔断的原因，并重点从熔丝本身存在的问题出发，研究了熔丝的熔芯材料及结构设计对熔丝特性的影响，在此基础上提出异常熔断的解决方案。

关键词：电压互感器 熔断器 异常熔断

 

张家港沙洲电力有限公司一期装机2×630MW超临界发电机组，于2006年6月投入商业运行。发电机出口不设断路器，采用发－变组形式，发电机出口电压20KV，变压器低压侧为三角形接线方式，变压器高压侧电压220KV；发电机为高阻接地（不接地）系统，发电机出口有三组分相电压互感器，型号JDZXF11-20AG，150VA,二次电压57.7V，感器高压侧熔丝型号：RN2 额定电压：20KV 额定电流：0.5A额定开断容量:8000MVA。

自投产以来，发电机出口电压互感器（以下均以PT简称）高压熔丝，多次发生在运行中异常熔断现象，所谓异常熔断就是在系统正常运行或未发生需要熔丝动作保护的故障时，熔丝出现熔断。PT熔丝的异常熔断会造成互感器测量输出失真，引起继电保护装置误动作和工作人员的误判。同时，PT熔丝本身作为系统中设备，其检修和更换工作量也比较大，因此可以说，PT熔丝的异常熔断很大程度上影响了系统的安全可靠运行，已经成为一个亟待解决的故障问题^[1]。

将异常熔断的熔丝打开后发现，熔断的熔芯大多表现为发黑变脆（见图1（a）），也有少部分熔断的熔芯上有明显的铜绿（见图1（b）），并且存在受潮现象。由于熔芯周围的石英砂均未见电弧烧蚀痕迹，且熔芯在打开后基本上仍保持完整，因此可以判断并不是大电流熔化，而是由于长期小电流热积累作用的结果。

    

（a）                                （b）

图1 异常熔断熔芯外观

从PT的参数可以理论计算出一次侧额定电流的数值，由S=V*A得出PT满负载时的电流为0.0075A，而实际运行中PT的负载一般不会达到满负荷，也就是说实际运行电流比0.0075A还要小。RN2熔丝的内阻为192Ω左右，根据P=I²×R得出熔丝的损耗功率仅为0.0108W，从仿真结果也可以看出，见图2，该电流下熔芯的温升只有0.5K，因此在该电流下是不可能出现熔芯氧化和熔断的。

图2 熔芯温升仿真（康铜，0.0075A）

从PT熔丝的实际运行情况来看，一般熔丝的连续正常运行周期达到8个月左右，在10－11个月后熔丝就会出现慢熔现象，所以说实际运行时流经熔丝的电流应远大于PT的额定电流0.0075A，根据熔丝的熔断周期和熔芯发脆碳化的现象估算为0.1～0.2A左右，损耗功率在10W左右。图3是熔芯在0.2A电流下的温升仿真结果，可以看到熔芯的最高温度达到了532.3℃，长期在如此高的温度下工作，势必会产生氧化并导致熔断。

图3 熔芯温升仿真（康铜，0.2A）

从上述的分析可以得出：PT高压熔丝异常熔断的外因是正常运行时的PT中励磁电流偏大，而产生励磁电流偏大的原因有下列几种^[2]：

（1）电压互感器质量不良，因铁心截面偏小、硅钢片特性不良、磁密过高等导致互感器的非线性励磁特性过早饱和，在系统电压稍升高情况下，即导致励磁电流增加

（2）220kV侧的雷电过电压或操作过电压，通过变压器一、二次绕组之间的电容耦合到发电机侧，导致电压互感器绕组过电流。

（3）发电机出口电流中谐波分量，虽然谐波含量满足GB 755-2008《旋转电机定额和性能》规定的要求，图4是《＃1发电机出口谐波统计表》^[5]，但从统计表中可以看出，发电机出口三次、五次、七次、十一次及十七次谐波分量的含量虽然符合规定要求，但谐波分量的绝对值比较大，其中五次谐波分量最大达到31安培，所以说在实际测量中谐波电流的绝对值特别是高次谐波对PT产生励磁电流的影响也不能忽视。而这些谐波分量与发电机原理及生产制造有直接关系，也是无法彻底消除。

图5 ＃1发电机出口谐波电流统计表

（4）电压互感器二次侧引线绝缘不良或二次侧过负荷，使一次侧电流增加。

除了上述外部原因之外，熔丝本身存在的问题往往容易被忽视，实际上熔体材料选取、结构尺寸设计和加工工艺要求等，都会对熔断器的工作特性造成影响。本文中所涉及的故障熔丝均采用了康铜作为熔芯材料，康铜具有电阻温度系数低，加工性能良好的优点，其主要缺点是电阻率高，且在高温下易氧化^[3]，此外，市面上还有一种名为新康铜的材料，其电阻率和电阻温度系数与康铜接近，但不含镍成分，一方面降低了成本，另一方面抗氧化性能也大大下降。电阻率高导致了功耗偏大和温升偏高，而抗氧化性差又导致了熔芯氧化，因此异常熔断也就难以避免了。

为减少发电机出口PT熔丝异常熔断的发生，并针对上述分析提出下列解决方案：

（1）提高发电机出口PT的励磁特性，联系PT厂家生产特制的高饱和度的PT，一般PT的伏安特性的拐点应大于1.3倍线电压，特制的PT达到1.8倍以上；另外在PT配对试验时，不仅仅要看额定电压时的励磁电流，还要比较每个PT的拐点是否相同，以尽量降低由于PT制造原因产生的不平衡电流。

（2）降低PT熔丝的损耗功率，因为由于系统原因产生的励磁电流增大，是没办法完全消除的，所以只能从PT熔丝损耗功率上做文章，在电流不变的情况下降低熔丝内阻。本文选取杭州博达电器有限公司生产的  RN2-20kV/0.5A熔断器，其熔芯的材料为银镍合金，银镍合金的电阻率仅为康铜的1/30，且抗氧化性能好^[4]，其限流特性也要优于康铜。

除了在熔芯材料选取以外，该产品在加工工艺上也进行了改进，即通过调整熔芯的结构分布方式来控制热量分布，从而达到小过载电流下仍能可靠分断的目的，即GB1207-1997标准中4.4条1.9倍额定电流时要求30s断（目前只有法国的ferraz，美国的bussmann和杭州博达做到这个要求）。通过设计，在保证熔丝的安秒特性的情况下，同样规格的熔丝内阻不到康铜丝的1/10，约为14Ω左右，损耗功率不到1W，大大减少了熔芯的发热。从图5可以看出，采用新材料的熔芯最高工作温度仅84.6℃，远低于康铜材料熔芯的工作温度。

图5 熔芯温升仿真（银镍合金，0.2A）

      以往的文献中解决此类熔丝频断问题的方法是提高熔断器的额定电流。电压互感器发生小的故障电流的概率大，而为了不频繁更换熔断的熔丝将熔丝的额定电流调大，这种办法只能说将故障转移给电压互感器，不但没有解决问题而且将故障扩大化。

2014年1月，张家港沙洲电厂＃2发电机出口PT更换了新的熔断器后连续安全运行12月，在机组检修时测量发电机出口熔断器电阻没有发生变化，解体熔断器后发现熔丝没有发生氧化自熔自断现象。据此说明长期困扰沙洲电厂的发电机出口PT熔断器慢熔的问题得以彻底解决。据了解，在600MW机组中（包括1000MW机组），发电机出口PT熔丝异常熔断的现象比较普遍，希望该方案在处理类似问题中能起到借鉴意义。

 

[1] 王明钦.35kV配电网PT高压熔断器异常熔断故障抑制措施研究[D].北京：华

    北电力大学，2011.

[2] 陈维贤.配电网络互感器谐振及其抑制新方法[J].高电压技术，1993,19（3）：

    3-6

[3] 金吉琰.关于康铜合金在大气中高温氧化过程的探讨[J].仪表材料，1988，

   19（1）：204-208

[4] 王季梅.高压交流熔断器及其应用[M].北京：机械工业出版社，2006,29-70.

[5] 张家港沙洲电力有限公司电能质量测试报告.江苏方天电力技术有限公司，2012年3月.

蔡炯:

（1977-）男，电器专业，主要从事熔断器及限流器的研究与开发。

Email: cjyell@163.com

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