基于温控熔断器的箱变保护系统探讨

湖南三一智慧新能源设计有限公司 胡志祥 刘 旺

十四五期间风电、光伏发电进入新发展阶段，承载着“3060”碳达峰、碳中和的伟大目标。目前，陆上风电项目的风机单机容量在不断加大，升压箱变作为发电单元中不可缺少的部分，其容量也随之增大。

受限于高压熔断器设备技术的发展，目前常见的美式箱变容量基本在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高压熔断器相继取得高压型式试验报告，使得美式箱变容量突破5000kVA成为可能。

目前，美式箱变的高低压两侧的设备配置基本为：高压侧熔断器+负荷开关、低压侧框架断路器。35kV美式箱变的高压熔断器均为油浸式，结构紧凑，以125A的35kV高压熔断器为例：高压熔断器保护作用于快速切除故障电流在350A至31.5kA区间的故障状态，其熔断器额定电流Ie至350A区间内小倍率故障状态熔断时间很长或无法熔断，使得箱变在小倍率故障电流状态下无法得到有效保护，存在保护死区。

本文提出一种关于高压熔断器的温控保护系统，根据高压熔断器的工况温度，在高压熔断器快速熔断之前的保护死区范围内进行温度保护，实现真正意义的全范围保护。

1 温控熔断器工作原理及特性

带温度限制的全范围保护高压限流熔断器发热熔体材料一般为纯银，对于额定电流低的熔断器，熔体做成丝状；额定电流大的则做成带状，带状熔体开有等距离的槽口。

其开断过程如下：熔体通过电流超过额定值时，导致其温度大幅上升；当温度大于熔化值时，熔体开始熔化，在电收缩力、液体表面张力的作用下逐步形成液珠状。随着电流的增大，“液珠”之间连结的金属液体越来越细，电流密度增大。随着温度的进一步升高，熔体转化为气化过程[1]；熔体气化后，电阻急剧增大，电流减小，由于电路中电感效应，在电感和熔断器两端产生很高的过电压，使得熔体的断口处发生击穿，产生电弧；产生电弧后，熔管内石英砂的吸热和游离作用强制电弧熄灭。熔体断口处应足以承受工频恢复电压和瞬态恢复电压，熔断器的开断时间参考对应安-秒特性曲线。

一般当熔管内熔体（银）的温度达到962℃时，部分槽口处熔体就会迅速熔化，瞬时产生的电弧可熔化整个熔体；但小倍率故障电流状况下，熔体温度达不到熔体熔点[2]。为此温控熔断器采用温度控制节点来弥补这一缺陷，当熔体温度达到150℃时（温度可设定，故障电流需持续1～10分钟，电流越大节点动作时间越短，反之越长），熔断器常开/常闭节点动作发出信号，跳开低压框架断路器，随后跳开高压侧负荷开关。

熔断器的动作是靠熔体的熔断来实现的，其熔断时间与电流大小相关，成反时限特性。对熔体来说，其动作电流和动作时间特性即熔断器的安-秒特性。每一种规格的熔体都有对应的最小熔化电流，一般熔断器只能起到大电流短路保护作用，不能起到小倍率故障电流状况下的保护作用[3]。

然而，带温度限制的高压限流熔断器无论什么原因产生的不允许的高温，温度限制器都可以通过内部的温度触发器，使熔断器套筒内的温度限制在150℃以下。

在该方式下可以尽可能使供电具有连续性，短时间的过负荷不会引起熔断器不必要的分断电路，只有在超过不能允许的温度时，熔断器才分断开关，并且能够在事故消除后不需要更换熔断器即可恢复供电。

带温度限制的高压限流全范围保护熔断器安-秒特性曲线特性表见图1。①～②～③段曲线是熔断器时间-电流特性曲线，②～③段表示熔断器熔断区域（第一电流区间），①～②段为熔断器本身不能短时安全分断的危险区。②点为熔断器最小熔断电流，①点为熔断器最小熔体电流，温度限制的工作范围在①～②～④区域内（第二电流区间）。①～②～④区域内熔断器不会快速熔断，温度控制节点会在熔丝熔断前就动作输出信号节点，配合箱变保护测控装置及高低压侧的断路器、负荷开关，在一定的动作逻辑顺序下即可完成小倍率故障电流的切除。

图1 某厂家125A温度限制熔断器安-秒特性曲线图

2 温控熔断器保护系统的应用

2.1 选用温控熔断器保护的必要性

当电流流过高压熔断器熔断件时，熔断件会产生热量并且有温升，熔断件产生的热量会通过熔断器套筒与套筒外的变压器油进行热交换，以达到热平衡。当散热不畅或过负荷运行时，熔断器套筒内的温度会持续上升。当套筒内温度达到150度以上时，熔断件的外管材料（环氧玻璃丝缠绕管），受耐温性的限制，此时会发生变色的情况。而当温度上升到200度以上并较长时间运行时，会发生熔断件外管的碳化现象，有机材料的熔断件外管一旦碳化，性能将大幅降低，此时如发生熔断件开断故障，熔断件外管因抗张强度降低而无法承受开断能量导致炸管。

因此，在新能源工程的美式箱变中选用带温度限制的高压限流全范围保护熔断器非常必要，其温度控制功能不仅能实现全范围保护，也能有效的避免炸管事故。

2.2 温控熔断器保护系统简介

以某厂家新型XRNT3-40.5/16-125A型温度限制熔断器为例，我司已获得专利授权的基于温控熔断器的保护系统主要包括变压器、高压熔断器、低压断路器、测温点、温度触发器、控制器、第一电流区间和第二电流区间；变压器分别与高压熔断器和低压断路器连接，测温点设置在高压熔断器内；温度触发器与测温点和低压断路器连接；第一电流区间为高压熔断器的熔断电流区间；第二电流区间为温度触发器根据测温点反馈的高压熔断器温度，控制低压断路器切断一次回路的电流区间。

高压温控熔断器包括有端盖、干接点和测温线，端盖设置与高压熔断器的一侧端部，干接点设置于端盖，与温度触发器连接，高压熔断器动作的实施方式，通过在端盖上设置干接点，以及连接干接点和测温点的测温线，实现了干接点根据测温点对高压熔断器温度变化的监测。当熔断器温度大于设定值时，干接点动作发信号至低压框架断路器跳闸，随后切开高压侧负荷开关。

在实际应用场景中，当变压器发生严重短路故障时，故障电流远大于高压熔断器快速熔断电流（350A），高压熔断器达到相应时间后直接熔断；当发生小倍率故障电流情况时，高压熔断达不到快速熔断条件，但此时变压器及高压熔断器温度快速上升，测温点采集温度信号，通过测温线和温度触发器将温度信号传输、转换为熔断器端盖上的干接点，干接点根据预设条件发出相应的动作信号，控制器通过接收到端盖上的干接点输出动作信号启动跳闸，动作于箱变低压断路器，同时输出延时信号动作于高压负荷开关，实现将变压器高、低压侧断开，起到箱变的全范围保护作用，避免死区。

2.3 熔断器额定电流的选择

高压限流熔断器的熔体电流一般选择方式为：In=（1.5～2）倍的变压器额定电流。按国标GB15166.2-2008第9.3.2规定，选择熔断器额定电流时应考虑：回路的正常电流和可能的过载电流（包括持续的谐波在内）；与开合变压器等设备有关的回路的瞬态现象，具体为当熔体内通过变压器的励磁涌流时，要求熔体熔断时间不小于0.5秒；与其他保护装置的配合；满足熔断器的温升极限；必须保证有足够的裕度以防止熔体的恶化[4]。

除此之外还应考虑下列因素：熔断器熔管的额定电流应大于或等于熔体的额定电流；最大工作电流通过熔体时应不误熔断，因此熔体的额定电流应不小于流经其的长期工作电流的1.25倍；由于额定电流是参照单个熔断器在空气中或油中试验时的温升规定的，因此应考虑不同安装使用场所对额定电流值的影响。

因此根据新能源项目熔断器内置于变压器油，使用熔断器散热较差，根据国标GB15166.2-2008＜高压交流熔断器第2部分：限流熔断器》附录F的规定，当熔断器周围介质温度达到70度时，熔断器额定电流降为原值的70%左右，而当周围介质温度达到80度时，熔断器额定电流降为原值的55%左右，由此可见熔断器周围温度的变化对熔断器工作的影响是十分严重的。熔断器周围变压器的油温是选择熔断器额定电流的一个非常重要的因素，应根据变压器油的热分布特点，选择合适的熔断器的额定电流，确保变压器的安全运行。一般建议取高压限流熔断器的额定电流=（1.8～2.2）倍的变压器额定电流，同时应避免设备过负荷运行。熔断器的一般选用原则如表1所示：

表1 35kV变压器高压熔断器额定电流选择表

2.4 温控熔断器保护系统的应用

我司设计的山东临邑分散式风力发电项目中，在一台3500kVA美式箱变上试点采用了该保护系统。该箱变高压侧额定电压比为38.5±2.5%/0.69kV，阻抗电压为7%，连接组别D,yn11，35kV系统采用电阻接地系统。低压侧配置框架式断路器，壳架额定电流为3200A，脱扣器额定电流为3200A。高压侧采用熔断器+负荷开关方式，负荷开关额定电流为630A，熔断器采用了斯泰德125A风电专用35kV高压温控熔断器，35kV侧配置电流互感器带保护测量绕组。

外侧配合的保护系统由我公司自行设计，保护逻辑采用非电量信号+电量信号双重确认。当温控熔断器的温度超过150摄氏度时，由温控熔断器自带的无源节点闭合，发出熔断器温度过高信号。保护装置在接收到熔断器温度过高的信号后，保护装置启动，同时检查高压侧电流，若电流值大于1.1倍额定电流，并且小于负荷开关额定电流，延时0.5秒后跳开低压侧框架断路器。如果高压侧电流小于额定电流，低过载保护返回，判断为风机到相间电缆故障；如果高压侧电流不小于额定电流，低过载保护动作，延时0.3秒，高压侧负荷开关分合闸，切除低过载故障。

为验证熔断器温升情况与负荷电流的相互关系，设计人员还增加了一套荧光式光纤测温装置，用于记录相关运行数据。从2021年11月投运以来，各项数据记录均在合理范围之内。随着高压熔断器设备的额定电流上限不断突破，140A、160A熔断器可逐步用于5000kVA及以下箱变高压保护。5000kVA及以下箱变由华变改为美变后，配合我司授权的专利技术，可有效的代替原断路器保护方案，预计每台箱变可降低成本10%左右，具有良好的经济价值。

3 结语

美式箱变中的高压保护是通过熔断器实现的，选用带温度控制的高压限流全范围保护熔断器不仅可以迅速切断短路故障电流，同时也可以通过变压器和熔断器温度的升高来判断小倍率故障电流，并断开主回路，切除故障，并在故障恢复后可重复启用。使熔断器真正意义上起到全范围保护。同时随着高压熔断器的额定电流不断加大，结合我司设计的基于温控熔断器的保护系统应用，可实现5000kVA及以下美变对华变的替代，具有良好的经济效益。