電感對偏流型熔斷器換流時間及第一次過電壓的影響及分析

蔡志遠，李博

(沈陽工業大學電氣學院，遼寧沈陽 110870)

電感對偏流型熔斷器換流時間及第一次過電壓的影響及分析

蔡志遠，李博

(沈陽工業大學電氣學院，遼寧沈陽 110870)

偏流型熔斷器是高壓限流熔斷器并聯一種通流能力較強的低壓熔斷器以提高整體的額定電流，正常情況下，低壓熔斷器來承接線路中較大的電流，出現短路電流時，低壓熔斷器先熔斷，電流轉移至高壓限流熔斷器一側完成滅弧，以偏流型熔斷器的換流時間及限制第一次過電壓為主要內容，選出符合實際的電感參數，為產品的設計提供理論參考。

熔斷器;電感參數;通流能力;換流時間;過電壓

1 引言

高壓限流熔斷器采用石英砂作為滅弧介質，結構上熔體密封在石英砂中，當熔體熔斷產生電弧時，電弧受周圍石英砂擠壓而限制了電弧直徑，從而能迅速冷卻滅弧，其動作時間比同等額定參數的斷路器快50倍以上。雖然高壓限流熔斷器擁有很強的短路限流能力，但其通流能力卻很難提高，因為對于熔斷器的熔體來說，通流能力和短路限流能力本身就存在矛盾，要提高熔斷器的限流能力，這就需要更細的熔體，而熔體密封包裹在石英砂中，散熱受到很大限制，通流溫升超標是無法回避的問題，熔體的材料屬性和密封石英砂的結構制約了高壓限流熔斷器其自身的額定通流能力［1］。

單純的改變熔體長度和狹徑形狀不能根本解決這個問題，須在保護方式和工藝結構上采取措施。2006年陜西省電力科學院成功研制出了DXK1短路電流限流開斷器，將額定電流最高提升至 6.3kA［2，3］，結構如圖1所示，線路中的電流經電流互感器變換，作為電子測控單元的輸入信號，測控單元監測電流上升率，當電流上升率和電流瞬時值都超過給定的閾值時，測控單元才會輸出開斷器動作的指令信號，避免了誤操作，開斷器內裝有炸藥，引爆后電流快速轉移入限流熔斷器一側完成滅弧，DXK1填補了國內此領域的空白，由于電子測控單元需要特殊的直流電源供電，成本比較昂貴［4，5］。

美國G＆W公司研制了電弧觸發式混合限流熔斷器PAF產品，將片狀熔斷器焊接在銅排上，通過其熔斷的電弧信號來代替傳感器，電弧觸發器相比傳感器具有抗涌流和雜波干擾等優點，卻又降低了線路通流能力，其額定電流最高只能達到 500A［2，6］，結構如圖 2所示。

圖1 DXK1短路限流開斷器

圖2 PAF電弧觸發器

偏流型熔斷器結構上采用高壓限流熔斷器并聯通流能力較強的低壓熔斷器，提高額定通流量，為防止熔斷器在電流轉移的過程中被過電壓擊穿而導致限流失敗。在開斷過程中會出現兩次過電壓，第一次過電壓在換流過程中產生，第二次過電壓在偏流型熔斷器整體熔斷時產生。要防止低壓熔斷器被過電壓擊穿有兩個方法:一是限制換流時產生的第一次過電壓;二是通過串聯電感延長偏流型熔斷器的換流時間，避免換流過快導致低壓熔斷器介質恢復時間不足而被第二次過電壓擊穿。

2 偏流型熔斷器組成及換流時間計算

2.1 偏流熔斷器原理及工作過程

對于熔斷器而言，額定工作電壓指的是熔體起弧斷開后所承受的線路的電壓，如果將一個額定電壓500V的低壓熔斷器放置在電壓等級12kV的線路上，正常工作下不會出什么問題，而一旦線路中出現短路電流，低壓熔斷器熔體熔斷后將由于承受的線路電壓過大而被擊穿，導致滅弧失敗，如果電弧的能量得不到限制和傳導，絕緣外殼甚至會炸開，這是由于在設計上低壓熔斷器的外殼在耐熱和機械強度上都相對偏低，熔體相比于高壓限流熔斷器也較短，熔體上的槽口數也少很多，開斷短路電流時每個槽口承接的電壓就會變大，槽口數目是影響開斷能力的重要因素［3］。總體上說低壓熔斷器應用在高于自身額定電壓等級的線路中限流能力會減弱，偏流型結構的優點在于利用通流能力強的低壓熔斷器承接線路中的大部分電流，熔斷后電流轉移至高壓限流熔斷器一側，通過高壓限流熔斷器抑制電弧的能量達到限流的目的，理想的工作過程如下:

(1)在t1時刻線路中出現短路電流，低壓熔斷器早于高壓限流熔斷器在t2時刻一側先起弧熔斷，在熔斷過程中電流不斷轉移到高壓熔斷器一側。

(2)在t3時刻低壓熔斷器完全熔斷，電流全部轉移到高壓熔斷器一側。

(3)由于支路中電感的存在，電流在轉移過程中會產生第一次過電壓，此過電壓會加速高壓熔斷器的起弧，高壓熔斷器在t4時刻起弧，在t5時刻完全熔斷，工作過程如圖3。

圖3 短路電流分斷過程

本文高壓限流熔斷器選取XRNMJ系列電機保護用限流熔斷器，低壓熔斷器選取NH4系列方形熔斷器，具體的規格參數如表1所示。

表1 熔斷器型號參數

2.2 換流時間計算

圖4為偏流型熔斷器的等效電路圖，電感參數的設置是整個工作過程的關鍵因素，電感參數不僅可以起到匹配阻抗分流的作用，對換流時間也有影響，以L1最為主要，因為線路中最開始熔斷的地方是NH4，如果L1設置的過大，在短路情況下將阻礙電流的流通，在整個設計中，L1甚至可以考慮不加，由于整個過程時間非常短，幾乎可以當做瞬態處理，這樣就可以不考慮電感在短路電流情況下的感抗變化。

圖4 偏流行熔斷器等效電路圖

根據短路電流分斷過程，建立偏流型熔斷器換流等效電路圖，為簡化計算，其中低壓一側熔斷器的弧壓用穩定電源U代替，R1和R2分別為低壓熔斷器和高壓熔斷器阻值，短路電流上升率用D表示，由圖3得熔斷器的弧前時間為(t2－t1)，這里用t'表示，換流時間為(t3－t2)，這里用Δt表示，考慮到換流過程中兩個熔斷器壓降相比電感壓降小很多，額定電流相對于預期的短路電流小很多，為簡化方程組，這里暫不予以考慮，換流過程的微分方程如下:

式(3)中I為預期的短路電流值，f為工頻50Hz，仿真采用40kA預期電流，則D=17.8A/μs。這里先固定低壓熔斷器一側阻值為R120μΩ，高壓限流熔斷器一側阻值 R2為41μΩ，根據經驗設定弧壓 U為80V，低壓熔斷器的弧前時間t'為1ms，則計算不同電感情況下的換流時間為:

表2 不同電感下的換流時間

從表中可以看出，其中在L2固定的情況下，換流時間隨著L1增大而增長，而在L1固定的情況下，換流時間隨著L2減小而減短，換流時間和電感的總值大小有關，電感的總值越大，總體的換流時間越長。

2.3 熔斷器模型的實現

關于熔斷器電弧的研究表明，熔斷器在融化過程中呈現出的是非線性阻，弧前電阻非常小(微歐級)，融化過程中電阻逐漸增大，在電弧階段熔斷器電阻幾乎不變，完全熔斷后熔斷器電阻呈現為無窮大，過程如圖5。

圖5 熔斷器阻值變化曲線

本文根據熔斷器熔斷過程中的電阻變化曲線，通過Simulink開關轉換電阻的方法來模擬熔斷器阻值的變化，如圖6所示。

這里R0表示熔斷器正常工作時的額定阻值，R1和R2表示熔斷過程中的阻值變化，R3表示完全熔斷后的電阻，U1和U2表示燃弧過程的弧壓，出現在燃弧過程中，這里用一個可控電壓源代替，通過理想開關來控制熔斷器模型阻值的轉換，將其封裝為熔斷器模塊。

3 過電壓分析

用Simulink建立額定電壓10kV，預期電流40kA，頻率50Hz的熔斷器分斷仿真模型，如圖7所示。

圖6 熔斷器模型

圖7 熔斷器過電壓仿真電路圖

圖中交流電壓源代替熔斷器短路試驗中的沖擊發電機，理想開關代替合閘開關，避雷器模塊代替氧化鋅電阻，CS和RS是調頻電路，其作用是使線路的預期瞬態恢復電壓滿足相關標準，暫時設定好仿真參數為:

設置好仿真步長，采用ode23tb解調器，結果如圖8所示。

圖中出現兩次過電壓，第一次過電壓是由于低壓熔斷器一側熔斷產生的，其值大小主要與高壓一側的電感值有關，影響第一次過電壓大小的主要原因是電感的大小和短路電流轉移的速率，第二次過電壓大小主要與線路中的電感值有關。這里為方便比較，電感采用換算成50Hz下的感抗表示，電感要選取合適的值，電感值過大會增加線路損耗，電感值過小會導致換流時間過短，低壓熔斷器介質恢復時間不足，不同的電感值下的過電壓大小如表3所示。

圖8 仿真過電壓波形

表3 不同電感值下的過電壓

短路電流從NH4一側轉移至XRNMJ過程中要經過電感L1、L2，兩個電感上都會產生電壓，從表中可以看出，當熔斷器電阻值確定的情況下，影響第一次過電壓大小的最主要因素是L2與L1的比值大小，比值越大，則第一次過電壓越大，這是因為兩條支路電感的感應電動勢相反而相互抵消，而相對第二次過電壓大小影響較小，第一次過電壓隨著L1增大而減小，隨著L2的增大而增大，繪制成曲線圖如圖9所示。

圖9 不同電感下的第一次過電壓值

考慮到功耗和感抗分流的因素，選取低壓一側電感值時要盡量低些，至少低于高壓一側的電感值，這里選取L1=0.5μΩ，L2=4μΩ。改進后的過電壓波形如圖10。

圖10 仿真過電壓波形

可以看出第一次過電壓被限制在很小的范圍內，將選定好的參數代入推導的換流時間公式，得出換流時間為0.28ms，熔斷器的介質恢復時間經驗上需要0.2ms［6］，換流時間大于介質恢復時間。

4 結論

(1)提出了偏流型結構的關鍵問題是防止換流時間過快和限制過電壓。

(2)建立了等效電路圖，得出了電感參數對換流時間的影響。

(3)根據熔斷器的工作狀態，搭建了熔斷器的仿真模型

(4)通過仿真波形對新型熔斷器的電感參數進行整定，得出了影響第一次過電壓的最主要因素是兩條支路電感的比值。

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［4］ 毛鳳麟，李品德，朱躍，等．超高速開斷短路電流的新設備［J］．新產品新技術，2006，34(3):18 －19．

［5］ 戴超，莊勁武，楊鋒．新型混合式限流熔斷器設計分析［J］．航海工程，2011，40(6):175 －179．

［6］ 戴超，莊勁武，楊鋒．直流混合型限流開關分析與設計［J］．電機與控制學報，2011，15(1):68 －72．

［7］ 王季梅．高壓交流熔斷器［M］．西安:西安交通大學出版社，2000．

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The Effect and Analysis of Inductance on Biasing Fuse Commutating Current Time and the First Overvoltage

CAIZhi-yuan，LIBo
(1.Electrical Engineering Institute，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China;2.Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

A drifting current fuse uses a high-voltage current limiting fuse to connect a low-voltage fusewith a big capability of current in parallel to improve rated current，under normal circumstances，low-voltage fuses undertake the higher current of circuit，when encountering short-circuit current，the low-voltage break firstly，current transfers to the high-voltage current limiting fuse to finish extinguishing arc.Aiming to the converter time and limit the first voltage，this paper choose the inductance parameter in line with the actual，providing theoretical reference for product design．

fuse;inductance parameter;capacity of current;commutation time;over-voltage

TM563

B

1004－289X(2013)05－0097－05

2013－01－11