基于溫控熔斷器的箱變保護系統探討

湖南三一智慧新能源設計有限公司 胡志祥 劉 旺

十四五期間風電、光伏發電進入新發展階段，承載著“3060”碳達峰、碳中和的偉大目標。目前，陸上風電項目的風機單機容量在不斷加大，升壓箱變作為發電單元中不可缺少的部分，其容量也隨之增大。

受限于高壓熔斷器設備技術的發展，目前常見的美式箱變容量基本在3150kVA以下。2021年5月，西安斯泰德、西安祥源振力、西安厚德等公司的100A、125A、140A、160A 35kV高壓熔斷器相繼取得高壓型式試驗報告，使得美式箱變容量突破5000kVA成為可能。

目前，美式箱變的高低壓兩側的設備配置基本為：高壓側熔斷器+負荷開關、低壓側框架斷路器。35kV美式箱變的高壓熔斷器均為油浸式，結構緊湊，以125A的35kV高壓熔斷器為例：高壓熔斷器保護作用于快速切除故障電流在350A至31.5kA區間的故障狀態，其熔斷器額定電流Ie至350A區間內小倍率故障狀態熔斷時間很長或無法熔斷，使得箱變在小倍率故障電流狀態下無法得到有效保護，存在保護死區。

本文提出一種關于高壓熔斷器的溫控保護系統，根據高壓熔斷器的工況溫度，在高壓熔斷器快速熔斷之前的保護死區范圍內進行溫度保護，實現真正意義的全范圍保護。

1 溫控熔斷器工作原理及特性

帶溫度限制的全范圍保護高壓限流熔斷器發熱熔體材料一般為純銀，對于額定電流低的熔斷器，熔體做成絲狀；額定電流大的則做成帶狀，帶狀熔體開有等距離的槽口。

其開斷過程如下：熔體通過電流超過額定值時，導致其溫度大幅上升；當溫度大于熔化值時，熔體開始熔化，在電收縮力、液體表面張力的作用下逐步形成液珠狀。隨著電流的增大，“液珠”之間連結的金屬液體越來越細，電流密度增大。隨著溫度的進一步升高，熔體轉化為氣化過程[1]；熔體氣化后，電阻急劇增大，電流減小，由于電路中電感效應，在電感和熔斷器兩端產生很高的過電壓，使得熔體的斷口處發生擊穿，產生電弧；產生電弧后，熔管內石英砂的吸熱和游離作用強制電弧熄滅。熔體斷口處應足以承受工頻恢復電壓和瞬態恢復電壓，熔斷器的開斷時間參考對應安-秒特性曲線。

一般當熔管內熔體（銀）的溫度達到962℃時，部分槽口處熔體就會迅速熔化，瞬時產生的電弧可熔化整個熔體；但小倍率故障電流狀況下，熔體溫度達不到熔體熔點[2]。為此溫控熔斷器采用溫度控制節點來彌補這一缺陷，當熔體溫度達到150℃時（溫度可設定，故障電流需持續1～10分鐘，電流越大節點動作時間越短，反之越長），熔斷器常開/常閉節點動作發出信號，跳開低壓框架斷路器，隨后跳開高壓側負荷開關。

熔斷器的動作是靠熔體的熔斷來實現的，其熔斷時間與電流大小相關，成反時限特性。對熔體來說，其動作電流和動作時間特性即熔斷器的安-秒特性。每一種規格的熔體都有對應的最小熔化電流，一般熔斷器只能起到大電流短路保護作用，不能起到小倍率故障電流狀況下的保護作用[3]。

然而，帶溫度限制的高壓限流熔斷器無論什么原因產生的不允許的高溫，溫度限制器都可以通過內部的溫度觸發器，使熔斷器套筒內的溫度限制在150℃以下。

在該方式下可以盡可能使供電具有連續性，短時間的過負荷不會引起熔斷器不必要的分斷電路，只有在超過不能允許的溫度時，熔斷器才分斷開關，并且能夠在事故消除后不需要更換熔斷器即可恢復供電。

帶溫度限制的高壓限流全范圍保護熔斷器安-秒特性曲線特性表見圖1。①～②～③段曲線是熔斷器時間-電流特性曲線，②～③段表示熔斷器熔斷區域（第一電流區間），①～②段為熔斷器本身不能短時安全分斷的危險區。②點為熔斷器最小熔斷電流，①點為熔斷器最小熔體電流，溫度限制的工作范圍在①～②～④區域內（第二電流區間）。①～②～④區域內熔斷器不會快速熔斷，溫度控制節點會在熔絲熔斷前就動作輸出信號節點，配合箱變保護測控裝置及高低壓側的斷路器、負荷開關，在一定的動作邏輯順序下即可完成小倍率故障電流的切除。

圖1 某廠家125A溫度限制熔斷器安-秒特性曲線圖

2 溫控熔斷器保護系統的應用

2.1 選用溫控熔斷器保護的必要性

當電流流過高壓熔斷器熔斷件時，熔斷件會產生熱量并且有溫升，熔斷件產生的熱量會通過熔斷器套筒與套筒外的變壓器油進行熱交換，以達到熱平衡。當散熱不暢或過負荷運行時，熔斷器套筒內的溫度會持續上升。當套筒內溫度達到150度以上時，熔斷件的外管材料（環氧玻璃絲纏繞管），受耐溫性的限制，此時會發生變色的情況。而當溫度上升到200度以上并較長時間運行時，會發生熔斷件外管的碳化現象，有機材料的熔斷件外管一旦碳化，性能將大幅降低，此時如發生熔斷件開斷故障，熔斷件外管因抗張強度降低而無法承受開斷能量導致炸管。

因此，在新能源工程的美式箱變中選用帶溫度限制的高壓限流全范圍保護熔斷器非常必要，其溫度控制功能不僅能實現全范圍保護，也能有效的避免炸管事故。

2.2 溫控熔斷器保護系統簡介

以某廠家新型XRNT3-40.5/16-125A型溫度限制熔斷器為例，我司已獲得專利授權的基于溫控熔斷器的保護系統主要包括變壓器、高壓熔斷器、低壓斷路器、測溫點、溫度觸發器、控制器、第一電流區間和第二電流區間；變壓器分別與高壓熔斷器和低壓斷路器連接，測溫點設置在高壓熔斷器內；溫度觸發器與測溫點和低壓斷路器連接；第一電流區間為高壓熔斷器的熔斷電流區間；第二電流區間為溫度觸發器根據測溫點反饋的高壓熔斷器溫度，控制低壓斷路器切斷一次回路的電流區間。

高壓溫控熔斷器包括有端蓋、干接點和測溫線，端蓋設置與高壓熔斷器的一側端部，干接點設置于端蓋，與溫度觸發器連接，高壓熔斷器動作的實施方式，通過在端蓋上設置干接點，以及連接干接點和測溫點的測溫線，實現了干接點根據測溫點對高壓熔斷器溫度變化的監測。當熔斷器溫度大于設定值時，干接點動作發信號至低壓框架斷路器跳閘，隨后切開高壓側負荷開關。

在實際應用場景中，當變壓器發生嚴重短路故障時，故障電流遠大于高壓熔斷器快速熔斷電流（350A），高壓熔斷器達到相應時間后直接熔斷；當發生小倍率故障電流情況時，高壓熔斷達不到快速熔斷條件，但此時變壓器及高壓熔斷器溫度快速上升，測溫點采集溫度信號，通過測溫線和溫度觸發器將溫度信號傳輸、轉換為熔斷器端蓋上的干接點，干接點根據預設條件發出相應的動作信號，控制器通過接收到端蓋上的干接點輸出動作信號啟動跳閘，動作于箱變低壓斷路器，同時輸出延時信號動作于高壓負荷開關，實現將變壓器高、低壓側斷開，起到箱變的全范圍保護作用，避免死區。

2.3 熔斷器額定電流的選擇

高壓限流熔斷器的熔體電流一般選擇方式為：In=（1.5～2）倍的變壓器額定電流。按國標GB15166.2-2008第9.3.2規定，選擇熔斷器額定電流時應考慮：回路的正常電流和可能的過載電流（包括持續的諧波在內）；與開合變壓器等設備有關的回路的瞬態現象，具體為當熔體內通過變壓器的勵磁涌流時，要求熔體熔斷時間不小于0.5秒；與其他保護裝置的配合；滿足熔斷器的溫升極限；必須保證有足夠的裕度以防止熔體的惡化[4]。

除此之外還應考慮下列因素：熔斷器熔管的額定電流應大于或等于熔體的額定電流；最大工作電流通過熔體時應不誤熔斷，因此熔體的額定電流應不小于流經其的長期工作電流的1.25倍；由于額定電流是參照單個熔斷器在空氣中或油中試驗時的溫升規定的，因此應考慮不同安裝使用場所對額定電流值的影響。

因此根據新能源項目熔斷器內置于變壓器油，使用熔斷器散熱較差，根據國標GB15166.2-2008＜高壓交流熔斷器第2部分：限流熔斷器》附錄F的規定，當熔斷器周圍介質溫度達到70度時，熔斷器額定電流降為原值的70%左右，而當周圍介質溫度達到80度時，熔斷器額定電流降為原值的55%左右，由此可見熔斷器周圍溫度的變化對熔斷器工作的影響是十分嚴重的。熔斷器周圍變壓器的油溫是選擇熔斷器額定電流的一個非常重要的因素，應根據變壓器油的熱分布特點，選擇合適的熔斷器的額定電流，確保變壓器的安全運行。一般建議取高壓限流熔斷器的額定電流=（1.8～2.2）倍的變壓器額定電流，同時應避免設備過負荷運行。熔斷器的一般選用原則如表1所示：

表1 35kV變壓器高壓熔斷器額定電流選擇表

2.4 溫控熔斷器保護系統的應用

我司設計的山東臨邑分散式風力發電項目中，在一臺3500kVA美式箱變上試點采用了該保護系統。該箱變高壓側額定電壓比為38.5±2.5%/0.69kV，阻抗電壓為7%，連接組別D,yn11，35kV系統采用電阻接地系統。低壓側配置框架式斷路器，殼架額定電流為3200A，脫扣器額定電流為3200A。高壓側采用熔斷器+負荷開關方式，負荷開關額定電流為630A，熔斷器采用了斯泰德125A風電專用35kV高壓溫控熔斷器，35kV側配置電流互感器帶保護測量繞組。

外側配合的保護系統由我公司自行設計，保護邏輯采用非電量信號+電量信號雙重確認。當溫控熔斷器的溫度超過150攝氏度時，由溫控熔斷器自帶的無源節點閉合，發出熔斷器溫度過高信號。保護裝置在接收到熔斷器溫度過高的信號后，保護裝置啟動，同時檢查高壓側電流，若電流值大于1.1倍額定電流，并且小于負荷開關額定電流，延時0.5秒后跳開低壓側框架斷路器。如果高壓側電流小于額定電流，低過載保護返回，判斷為風機到相間電纜故障；如果高壓側電流不小于額定電流，低過載保護動作，延時0.3秒，高壓側負荷開關分合閘，切除低過載故障。

為驗證熔斷器溫升情況與負荷電流的相互關系，設計人員還增加了一套熒光式光纖測溫裝置，用于記錄相關運行數據。從2021年11月投運以來，各項數據記錄均在合理范圍之內。隨著高壓熔斷器設備的額定電流上限不斷突破，140A、160A熔斷器可逐步用于5000kVA及以下箱變高壓保護。5000kVA及以下箱變由華變改為美變后，配合我司授權的專利技術，可有效的代替原斷路器保護方案，預計每臺箱變可降低成本10%左右，具有良好的經濟價值。

3 結語

美式箱變中的高壓保護是通過熔斷器實現的，選用帶溫度控制的高壓限流全范圍保護熔斷器不僅可以迅速切斷短路故障電流，同時也可以通過變壓器和熔斷器溫度的升高來判斷小倍率故障電流，并斷開主回路，切除故障，并在故障恢復后可重復啟用。使熔斷器真正意義上起到全范圍保護。同時隨著高壓熔斷器的額定電流不斷加大，結合我司設計的基于溫控熔斷器的保護系統應用，可實現5000kVA及以下美變對華變的替代，具有良好的經濟效益。