某高原鐵路通信基站高壓熔斷器熔斷原因分析

徐金陽，唐金勝，田銘興

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，1.講師；3.教授，甘肅 蘭州 730070；2.青藏鐵路公司機務部，工程師，青海 西寧 810080）

某高原鐵路沿線通信基站的電源均由沿線架設的一條35 kV電力貫通線供給。通信基站箱式變壓器（簡稱箱變）的控制和保護由負荷開關和熔斷器共同實現，這種控制和保護方式具有線路簡單，經濟適用的特點〔1〕。高壓熔斷器一旦熔斷后，必須采用人工方式進行更換，才能恢復供電。通信基站運行過程中，曾多次發生通信基站箱變高壓側熔斷器熔斷故障，每次更換熔管后均正常運行。熔斷器如此頻繁熔斷，已嚴重影響通信基站的供電可靠性，并給維護造成很大困難。因此，對其高壓熔斷器熔斷故障的原因進行深入分析，提出相應的解決方案，顯得尤為重要。

1 通信基站的供電方式

該鐵路所設的電力貫通線，除作為44個車站的主電源外，還是沿途187個通信基站的主電源。通信基站箱變采用1臺單相20 kV·A干式變壓器供電，高壓側安裝1臺線路負荷開關（T接處設2只氧化鋅避雷器），通過2條單芯電纜接入箱式變電站高壓側，與變壓器連接穿墻套管間安裝2只熔斷器，變壓器二次側直接引出2條電纜（一條給通信機械室供電，一條給線路負荷開關的操作電源供電），通信機械室安裝有防雷裝置。通信基站電源的主接線如圖1所示。圖中，QS為高壓負荷開關，用于切斷負荷電流；FU為高壓熔斷器，用來進行短路保護。通信基站負荷量較少，為節約投資，箱變為1臺單相變壓器。因35 kV貫通線無中性線，變壓器一次側的額定電壓為線電壓，即35 kV。

圖1 通信基站電氣原理圖

2 高壓熔斷器熔斷原因的理論分析

熔斷器熔斷故障有2類：一類是正常熔斷，因短路故障造成電流迅速升高而發生熔斷事故，其發生次數很少；另外一類屬于非正常熔斷，其發生次數多而不確定，原因也十分復雜。非正常熔斷主要有2個原因：一是內部過電壓；二是雷電過電壓。從實際運行和現場情況來看，熔斷器熔斷不屬于正常熔斷。因此，著重分析非正常熔斷的原因。

2.1 內部過電壓 在10～35 kV的中性點不接地的系統中，電壓互感器因鐵磁諧振和單相接地故障恢復后對地電容的充電電流，都可造成高壓熔斷器的熔斷〔2〕。依照這2點故障因素，對熔斷原因進行分析。

2.1.1 鐵磁諧振 由于單相接地故障，造成繞組的電壓升高為線電壓，鐵芯飽和后，形成過大飽和電流，產生諧振現象，從而導致熔斷器熔斷。由圖1可以看出，該鐵路通信基站電氣接線，不同于10～35 kV中性點不接地配電系統母線上的電壓互感器電氣接線。10～35 kV中性點不接地配電系統母線上的電壓互感器電氣接線是三相系統，而通信基站電氣接線是單相系統，且其電源取自三相架空線的線電壓。三相系統的相地短路和相相短路只能引起相電壓的升高，而線電壓卻不發生變化。所以，由相地短路和相相短路引起的過電壓，以及由其激發的諧振過電壓和低頻飽和電流都不是該鐵路通信基站高壓熔斷器熔斷故障的原因。

2.1.2 電容的充電電流 圖2為電壓互感器三相系統的等效電路圖。C1，C2，C3為導線對地電容，L1，L2，L3為電壓互感器的繞組。當系統正常運行時，對地電容C1，C2，C3上的電壓均為相電壓。若C3相發生接地短路故障，UC1，UC2將升高至線電壓。一旦接地故障消除，UC1，UC2力圖恢復到正常的相電壓。由于原來的接地點己被切斷，C1，C2只能通過電壓互感器的一次側的繞組L1，L2對地進行放電，即對地電容對互感器的一次繞組進行充電。若C1，C2足夠大，繞組上產生的充電電流就會足夠大，引起鐵心的過分飽和。具有過飽和鐵心的電壓互感器，在工頻電源電壓作用下將出現很大的沖擊電流，并造成熔斷器熔斷。

圖2 電壓互感器三相系統的等效電路圖

圖3為通信基站電源系統的等效電路圖。圖中箱變的一次側繞組不接地。若C3發生接地短路故障，UC1，UC2升高至線電壓。一旦接地故障消除，UC1，UC2力圖恢復到正常的相電壓。由于原來的接地點己被切斷，箱變一次側繞組L上的電壓UL為線電壓，對地電容C1上的電壓UC1也為線電壓，對地電容C1不會對繞組L放電。也就是說，不存在對地電容的充電現象。因此，在工頻電源電壓作用下不會出現很大的沖擊電流，不會造成熔斷器熔斷。

圖3 通信基站電源系統的等效電路圖

2.1.3 結論 通過以上分析，可知該鐵路通信基站高壓熔斷器熔斷故障原因，應不同于10～35 kV中性點不接地配電系統母線上的用于保護電壓互感器一次側高壓繞組的熔斷器熔斷原因，即內部過電壓不是導致該鐵路通信基站高壓熔斷器熔斷的原因。

2.2 雷擊過電壓 該鐵路35 kV電力貫通線無避雷線，易遭受雷擊。雷電波會沿著輸電線路侵入到通信基站中，形成較大的過電電壓，產生較大過電流，可能引起熔斷器熔斷。根據運行和維修部門的記錄，該鐵路通信基站高壓熔斷器熔斷故障發生時總是伴有雷電出現，且具有較強的隨機性。雷電活動本身具有高幅值和隨機性，故雷電波入侵通信基站，應是該鐵路通信基站高壓熔斷器熔斷故障的主要原因。雷電波入侵時幅值主要受線路波阻抗和避雷器接地電阻2個因素的影響。

2.2.1 波阻抗的影響 圖4為雷電波入侵通信基站的等效電路圖。設架空線路上雷電波的幅值為U1，架空線路的波阻抗為Z1，電纜的波阻抗為Z2，電纜入射波的幅值為U2。根據波過程理論〔3〕，進入到電纜的電壓波幅值：

圖4 雷電波入侵的等效電路

該鐵路地處高原，氣候惡劣，天氣變化劇烈，易造成架空線路波阻抗較大的變化。在雨天、霧天和導線結冰的情況下，都會造成架空線路的波阻抗降低。由式（1）可以看出，架空線的波阻抗Z1越小，侵入電纜電壓波的幅值U2就越大，流過熔斷器的沖擊電流就越大，從而造成熔斷器熔斷的可能性也就越大。

2.2.2 接地電阻的影響 高原的地質條件復雜，大部分地方的土壤電阻率較高，局部地方的土壤電阻率達到了3 000Ω·m以上，需要采取措施降低接地電阻值，才能滿足防雷接地要求。根據防雷設計規范，通常要在架空線路和電纜連接處架設避雷器限制雷擊過電壓幅值。由于接地電阻較大，使得避雷器限制雷電波幅值的作用大大下降，造成進入電纜過電壓幅值較大，產生較大的過電流，也會造成熔斷器的熔斷。

2.3 熔斷器的選型 除了上述原因之外，熔斷器的型號和質量問題也有可能造成熔斷器非正常熔斷。該鐵路通信基站高壓熔斷器的實際型號為RN2型熔斷器，而RN2型熔斷器是專門用于電壓互感器的保護〔4〕。這種熔斷器即使質量合格，由于熔體細，對電暈作用敏感，尤其是10 kV及以上電壓等級的電壓互感器，這種電暈放電作用最短可使熔體在幾個月內發生腐蝕，最終會導致熔斷器動作。因此，選用RN2型熔斷器用于變壓器的保護是不妥當的。

3 結束語

綜上所述，該鐵路通信基站高壓側熔斷器熔斷故障的主要原因是雷擊過電壓，而不是內部過電壓。此外，熔斷器的型號和質量問題也會造成熔斷器的非正常熔斷事故。基于上述原因，提出下列整改建議：一是改善接地電阻值。對于一些土壤電阻率較高的地段，采取增加接地體，土壤中添加降阻劑，采用接地模塊等有效的降阻措施，確保接地電阻滿足防雷接地要求。二是應選用專門用于變壓器保護、屬高原型、耐沖擊電流效果較好的高壓熔斷器。

〔1〕陳道江.高壓負荷開關與熔斷器組合電器在終端變配電所設計中的實現及優勢〔J〕.高壓電器，2006，42（3）:211-213.

〔2〕洪文峰.配電系統高壓熔斷器熔斷的原因及應對措施〔J〕.安慶師范學院學報，2008，14（2）：91-92.

〔3〕梁曦東.高電壓工程〔M〕.北京：清華大學出版社，2003.

〔4〕西安高壓電器研究所.GB-T15166交流高壓熔斷器（第二部分）〔S〕.北京：中國標準出版社，1994.