新型一體化高壓電容器外熔斷器裝置設計研究

國網福建省電力有限公司 莊 嚴 趙 歡 陳偉博 黃云程 張國燦 楊志豪 劉曉磊 單 鐳

1 研究背景

高壓熔斷器作為一種保護電力設備免受短路、過載電流損害的保護裝置，其應當具備容量大、可靠性及安全性高、機械特性好等特點。

現變電站內使用的10kV高壓電容器外熔斷器均采用拉簧異型彈簧、弓型彈簧等作為動力機構，在裝置發生熔斷時彈出保險絲。這種設計方案雖能保證保險絲熔斷后立即彈出，增加上下饋電端子間的安全距離，但在安裝上卻需要花費較高的人力和時間成本[1]。安裝人員需經過一系列較為繁瑣的步驟，花費較多的精力才能完成安裝工作。首先需將帶有彈簧的端子固定在電容器瓷瓶受電端子上，再將上節彈簧壓緊折成一定角度，最后還需擰緊上節饋電端子，不僅安裝費時費力且存在一定安全隱患。一方面，在上述安裝過程中，彈簧極有可能滑走擊傷周圍的安裝人員；另一方面，在10kV高壓電容器外熔斷器熔絲熔斷后，熔斷器內部的軟線會由彈簧甩出，此時不僅可能甩傷瓷瓶，更可能錯搭其它端子并造成短路。為解決這些問題，工作人員研究設計了許多方法。

文獻[2]研究設計了一種新型高壓熔絲及與其配合且方便安裝的應急搶修高壓熔絲裝置，不僅方便運維人員隨身攜帶，也縮短了熔斷器故障維修作業時長，避免了延時送電，同時對變壓器也起到了一定的保護作用；文獻[3]設計了一種可快速更換的套管式高壓熔斷器，可有效避免傳統可拆卸式熔斷器可能造成的因穩定性差而掉落砸傷工人的事件。運維人員徒手即可完成套管式高壓熔斷器的裝拆過程，操作方便、實用性更佳，大幅降低了高壓熔斷器在運行過程中的安全隱患。

文獻[4]針對傳統高壓熔斷設備在短時間內發生多次熔斷時，作業人員的維修頻率以及相應的威脅時間顯著增加的問題及設備的實際使用效率降低的情況，提出了一種新型的電力高壓熔斷器，通過裝置內部的旋動箱體與驅動馬達以及旋動箱體上下側設置的對稱配合板實現了裝置自動更換熔斷電阻的功能，使得新型電力高壓熔斷器在熔斷電阻熔斷后能夠得以及時、有效更換，保護電路設備。

但上述方案無法徹底解決傳統高壓電容器外熔斷器問題，本文為徹底解決傳統技術方案帶來的安裝困難、安全隱患等問題，設計了一種一體化新型高壓電容器外熔斷器。區別于傳統的10kV高壓電容器外熔斷器，采用了獨特的雙節絕緣管結構設計，包括上節絕緣管和下節絕緣管。上節絕緣管的下端與下節絕緣管的上端內外套接。上節絕緣管的上端和下節絕緣管的下端分別引出上節雙孔饋電端子和下節饋電端子。上節雙孔饋電端子位于上節絕緣管內一端連接有保險絲，保險絲下端通過連接端子與銅軟線的上端相連。銅軟線貫穿過下節絕緣管與下節饋電端子相連而在下節絕緣管內一端連接有彈出壓簧，彈出壓簧另一端與上節絕緣管的下端相抵接。

本文所設計的一體化新型高壓電容器外熔斷器不僅可避免安裝人員單手作業、雙手分離操作帶來的危險，且熔斷器熔斷后上下饋電端子間的安全距離也得到了有效保證。

2 設計方案

2.1 裝置結構

本文為解決傳統技術方案帶來的安裝困難、安全隱患等問題，提供了一種一體化新型高壓電容器外熔斷器的設計方案（圖1）。

圖1 高壓隔離開關的帶電維護裝置結構

一體化的新型高壓電容器外熔斷器包括上節絕緣管、下節絕緣管、上節雙孔饋電端子、下節饋電端子、保險絲、銅軟線、連接端子、輸出端子、彈出壓簧、保險銷、滅弧耐高溫套管、上節螺釘、下節螺釘等。其中，上節絕緣管的下端與下節絕緣管的上端內外套接，上節絕緣管的上端和下節絕緣管的下端分別內嵌安裝有上節雙孔饋電端子和下節饋電端子。上節雙孔饋電端子位于上節絕緣管內一端連接有保險絲，保險絲由黃銅或紫銅鍍錫壓合而成，下節饋電端子的內部固定貫穿設有銅軟線，銅軟線6的下端連接有輸出端子。

為確保保險絲熔斷后實現安全彈出，下節饋電端子與下節絕緣管內的一端連接有彈出壓簧，彈出壓簧線徑為2mm、自由長度為150mm。彈出壓簧另一端與上節絕緣管的下端相抵接。當上節絕緣管內部的保險絲熔斷后，彈出壓簧以最快的速度讓下節端脫離上節端形成安全距離。為實現安裝的方便性和防止自然條件下彈性弓張對熔斷器的延展，因此在上節絕緣管和下節絕緣管之間設計了保險銷。保險銷在上節絕緣管的下端與下節絕緣管的上端重合套接處沿徑向貫穿設置。

安裝人員在安裝好上下端饋端端子并確認安裝正確牢固后，則可拔掉保險銷。拔掉保險銷后，由保險絲連接銅軟線牽引著下節絕緣管，保持彈出壓簧的上端直接頂壓在上節絕緣管的底端，形成了彈簧壓縮的彈性形變狀態。因此在當保險絲熔斷后，下節絕緣管可與上節絕緣管迅速分離，形成安全距離。上節雙孔饋電端子位于上節絕緣管內，一端連接有滅弧耐高溫套管，滅弧耐高溫套管罩設于保險絲外側。滅弧耐高溫套管的作用是使保險絲熔斷后滅弧，以防止著火。圖2即為一體化的新型高壓電容器外熔斷器整體隱藏絕緣管結構示意圖。

圖2 整體隱藏絕緣管結構示意圖

此外，上節雙孔饋電端子連接端嵌入上節絕緣管的上端后通過若干個周向陣列分布的上節螺釘鎖緊固定，下節饋電端子連接端嵌入下節絕緣管的下端后同樣通過若干個周向陣列分布的下節螺釘鎖緊固定。圖3為一體化的新型高壓電容器外熔斷器整體爆炸結構示意圖。

圖3 整體爆炸結構示意圖

2.2 材料選用

在材料的選用上，上節雙孔饋電端子和下節饋電端子均由紫銅加工而成。上節雙孔饋電端子上連體了車值規格為M10的螺柱，在螺柱上設計了輸出為兩孔的紫銅端子。下節饋電端子上設計了車值為M16的螺柱。M16的螺柱外部與下節絕緣管下端螺接，內部貫穿保險絲后壓緊憋合固定。上節絕緣管和下節絕緣管均采用玻璃鋼或者纖維材料。

上節雙孔饋電端子采用紫銅或其它電阻率較小的金屬導體制造，其末端設計了鈑金端子套筒，使其與保險絲形成憋合。銅軟線穿過下節絕緣筒末端的鈑金端子套筒并進行壓緊憋合，末端直接與輸出端子的壓緊憋合；保險絲的下端通過連接端子與銅軟線的上端相連，連接端子實現了銅軟線和保險絲憋合，憋合連接可利用工具液壓工具或沖壓壓緊。

2.3 整體效果

一方面，一體化新型高壓電容器外熔斷器=的上下雙節絕緣管壓縮彈出壓簧的設計，使得上節絕緣管內保險絲熔斷后，彈出壓簧能以最快速度讓下節絕緣管脫離上節絕緣管，從而形成安全距離，確保產品的彈出安全性；另一方面，這種一體化新型高壓電容器外熔斷器在上節絕緣管和下節絕緣管之間安裝了保險銷。保險銷的作用是限制保險絲的不正常拉伸，避免運輸、搬動等外在因素對保險管的負面影響，使得保險絲的物理性在安裝完成前不被改變。

最后，一體化新型高壓電容器外熔斷器內安裝的銅軟線處于內置端張緊、外置端柔性松弛的狀態。這使得輸出端子可自由調整位置，給安裝作業帶來了便利。相較于傳統熔斷器裝置需耗費較大人力將彈簧壓緊的安裝方式，該設計更為省時省力、且免去了安裝人員單手作業、雙手分離操作帶來的危險。

綜上，傳統的10kV高壓電容器外熔斷器均采用拉簧、異型彈簧、弓型彈簧等作為彈出發力源，確保熔斷器熔斷后能立馬彈出形成安全距離。但此種設計方案一方面使得熔斷器的安裝工序較為繁瑣，給現場作業帶來了較高的時間和人力成本。另一方面一旦保險絲熔斷，內部軟線直接由彈簧甩出，軟線在飛出套筒后可能甩傷瓷瓶或錯搭其它端子而造成短路、帶來一定的安全隱患。因此本文為解決傳統技術方案的缺陷，提供了一種一體化新型高壓電容器外熔斷器的設計方案。

這種新型的高壓電容器外熔斷器設計了上下兩節絕緣管，上節絕緣管的上端和下節絕緣管的下端分別引出上節雙孔饋電端子和下節饋電端子，上下兩節絕緣管間壓縮彈出壓簧，使得上節絕緣管內的保險絲熔斷后、彈出壓簧能以最快的速度讓下節絕緣管脫離上節絕緣管，與傳統的技術方案相比其安全性能大大提高。另一方面，新型的高壓電容器外熔斷器相較于傳統熔斷器裝置而言，改良了需要耗費較大人力將彈簧壓緊的安裝方式，使安裝更為省時省力，且免去了安裝人員單手作業、雙手分離操作帶來的危險。

因此，本文所研究設計的一體化新型高壓電容器外熔斷器不僅具有相當的應用價值，也對高壓熔斷器的創新設計有一定的借鑒和參考意義。