40.5 kV/31.5 kA限流熔断器开断试验方式1试验研究与分析

摘 要：

针对一档40.5 kV/31.5 kA限流熔断器开断试验（方式1）单相试验过程中出现熔断器本体炸裂，产品处出现相对地拉弧的现象，根据试验参数并结合所选取的试验回路进行分析，提出这种试验回路对于单相试验带来的影响。对于相对地拉弧现象进行仿真分析，并给出了试验回路的优化措施。

关键词：

限流熔断器; 开断试验; 单相试验; 试验回路; 拉弧

中图分类号： TM563

文献标志码： A

文章编号： 2095-8188（2024）09-0060-04

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.09.009

Experimental Study and Analysis on Breaking Test Method 1 of 40.5 kV/31.5 kA Current Limiting Fuses

PENG Jianfei， HU Dingyin， YI Pengfei

（Xi’an High Voltage Electrical Apparatus Research Institute Co.，Ltd.， Xi’an 710077， China）

Abstract：

The single-phase test of a 40.5 kV/31.5 kA current limiting fuse （Method 1） is focused， where the fuse body explodes and the product experiences relative ground arcing.Based on the test parameters and the selected test circuit， the experimental analysis is conducted，and the impact of this test circuit on this single-phase test is proposed.The simulation analysis is conducted on the phenomenon of relative ground arc pulling.Finally，the optimization measures for this test circuit is provided.

Key words：

current limiting fuse; breaking test; single phase test; test circuit; arcing

0 引 言

熔断器在电力系统中的应用已经有上百年的历史，高压限流熔断器能够比断路器更快地切断短路电流，而且价格低廉，被广泛用于保护发电机、变压器、开关柜等重要设备。因此，对限流熔断器进行短路电流开断试验来验证其开断特性尤为重要。在GB/T 15166.2—2023《高压交流熔断器 第2部分：限流熔断器》中，限流熔断器型式试验中开断试验的试验方式1可用来验证熔断器额定最大开断电流的动作特性。

近些年，国内关于高压限流熔断器研究的相关文献很多，但是关于试验研究的相关文献较少，特别是关于限流熔断器型式试验开断试验方式1的研究文献更为少见。本文针对一档40.5 kV/31.5 kA限流熔断器开断试验（方式1），对试验中出现的问题进行了试验分析以及仿真分析，并给出了相应的结论。文中的研究内容对于分析熔断器的动作特性以及熔断器试验检测方法研究提供了重要参考。

1 试验回路及试品布置

1.1 试验回路

试验回路如图1所示。整个回路因基本为感性元器件组成而呈感性。其中，变压器低压侧采用三角形接法、高压侧采用星形接法，变比为

1∶2.6;变压器高压侧中性点接地，其中A相出线端连接试品一端、C相出线端与试品另一端相连，高压侧从而构成单相回路。

1.2 试品布置

试品安装示意如图2所示。试品水平固定在2个同等高度的绝缘支撑件上，绝缘支撑件距离水平地面0.5 m，试品一端通过电缆连接试验回路A相，另一端通过电缆连接试验回路C相。

2 试验要求、过程及参数

2.1 试验要求

对于标称40.5 kV/31.5 kA的试品，其额定电压为40.5 kV，额定最大开断电流为31.5 kA。依据试验标准中开断试验的试验方式1，试验电压为0.87倍的额定电压，即35.3 kV，合闸开关合闸相角要求不在电压零点之前;试验次数为3次，第一次要求起弧相角为40°～65°，后2次要求起弧相角为65°～90°。

2.2 试验过程及参数

试验过程：第1步，通过电缆短接试验回路A相、C相，确定该试验的预期电流参数。试验预期电流参数如表1所示。其中预期电流A相有效值为31.7 kA，且A相、C相电流方向相反，合闸开关合闸相角为8.0°，试验电压有效值为35.4 kV，可知各试验参数均符合试验标准的要求。第2步，试验回路A相、C相通过电缆分别连接试品两端，即进行开断试验（方式1）的第一次试验。预期电流示波图如图3所示。

试验中，通过实时监控画面观察到试品动作开断时发生拉弧现象，试品周围并伴有黄色烟尘。试验参数如表2所示;试验电流示波图如图4所示。试验后发现试品一侧（靠近A相电缆处）开裂，裂口长约7 cm，宽约2 cm。

3 试验分析

3.1 试验参数分析

由图4可知，试验电流从开始到结束约持续了106 ms，最后被试验回路中操作开关切断。试品在正常情况下，一般会在电流的第1个半波内开断，电流持续时间基本会在10 ms以内，可见试品开断电流失败。

由表2可知，合闸相角为8.1°，与预期电流的合闸相角8.0°一致;试品起弧相角（图4中弧压起始时刻）为57.0°，在试验要求的40°～65°范围内，即试品在开始有电流后的约2.7 ms开始动作从而起弧，随之在电流第1个半波内未熄弧，说明试品开断异常，电流一直持续到回路操作开关分断电流后而止，出现明显的拉弧现象。

电流从第2个半波开始到之后有效值为35.6 kA，这比预期电流有效值31.7 kA大，约是预期值的1.13倍，A相电流峰值达到88.1 kA，C相电流峰值达到80.4 kA，且A、C相电流相位相差60°。下面结合选取的试验回路、试验示波图和参数以及试验后试品的开裂状况进行分析。试验回路等效图如图5所示。

图1中，变压器高压侧采用星形接法且中性点接地，把变压器低压侧阻抗折算到高压侧后的等效图如图5（a）。在试验通流过程中，试品动作，随即本体发生开裂，并向周围喷射粉尘，导致试验A相和试验C相的对地绝缘失效，从而产生A相对地和C相对地拉弧现象，即构成了A相对地和C相对地2个回路，分别如图5（b）和图5（c）。这也是图3上A相电流和C相电流相位相差60°的原因。而对于电流值变化的原因，以图5（b）为例，此时的电压UAN为相电压，即UAC=1.73UAN，总阻抗Z是图4（a）中总阻抗2Z的1/2。根据欧姆定律可知，图4（b）中的电流是图4（a）中电流的1.15倍，如果考虑到拉弧过程中弧阻对电流的影响，这个数值相应的会低一些，这与计算得到的1.13倍数值基本吻合。

3.2 仿真分析

对于该试验回路变压器的接法，试验中试品开断异常出现了A相对地和C相对地拉弧现象，而且电流有效值变大，相应的电流第1个半波峰值也会变大，峰值的大小取决于电流起始时刻对应的电压相角。在感性回路中，如果电流起始时刻是在电压相角为0°时，电流峰值会达到最大值（非对称波形），是电流有效值的2.6倍;如果电流起始时刻是在电压相角为90°时，电流峰值为最小（对称波形），是电流有效值的2倍。试验A相电流如图6所示。通过仿真可知电流峰值最大为92.5 kA、最小为50.4 kA，不论是电流有效值还是峰值，比起预期电流都要大，这对于回路操作开关开断电流都是严苛的考验。

3.3 回路优化

为了避免试品开断失败带来的A相对地和C相对地拉弧，以及试验电流变大这2种异常情况，需要对试验回路的变压器接法进行改变。下面提供了3种比较优化的接法。优化回路1如图7所示;优化回路2如图8所示;优化回路3如图9所示。

图7变压器低压侧采用三角形接法，高压侧采用星形接法，中性点不接地，高压侧一端接地。

这样一来，即使试品开断异常也只会出现A相对地拉弧现象，而不会出现C相对地拉弧现象，试验电流也不会比预期电流大。

图8变压器高、低压侧都采用三角形接法，高压侧一端接地。这样一来，即使试品开断异常也只会出现A相对地拉弧现象，而不会出现C相对地拉弧现象，试验电流也不会比预期电流大。

图9变压器可根据试验容量所需采用1台单相变压器或者多台单相变压器并联使用，且高压侧一端接地。这样一来，即使试品开断异常也只会出现A相对地拉弧现象，而不会出现C相对地拉弧现象，试验电流也不会比预期电流大。

4 结 语

熔断器在进行开断试验（方式1）时，试品开断异常导致了A相对地和C相对地拉弧现象，以及A、C相试验电流比预期电流大且相位差60°这2种异常情况，这和选取的试验回路有关（图1），当选用图7～图9中的回路时，即使试品开断异常出现拉弧现象也只是A相对地拉弧，而且电流不会出现大于预期电流以及A相、C相存在相位差的情况。

【参 考 文 献】

［1］ 陈搏.限流熔断器电弧能量的简化计算与分析［J］.电器与能效管理技术，2014（22）：6-9.

［2］ 王晨， 庄劲武， 袁志方， 等.基于电磁斥力型开断器的限流熔断器设计与实验［J］.电工技术学报，2013，28（6）：66-72.

［3］ 王季梅， 蔡炯.限流熔断器作开断操作试验的研究分析［J］.电气技术，2009（6）：60-64.

［4］ 李月明.浅析负荷开关-熔断器组合电器试验方式2可以免做的条件［J］.高压电器，2000，36（4）：45-47.

［5］ 王晨， 徐建霖.混合型限流及开断技术发展综述［J］.电网技术，2017，41（5）：1644-1653.

［6］ 周国良.高压并联电容器保护用外熔断器试验研究［J］.电力电容器与无功补偿，2008，29（6）：24-28.

［7］ 刘富波.交流高压跌落式熔断器开断试验的试验条件［J］.高压电器，1999，35（2）：32-35.

［8］ 周春阳， 赖劼， 刘凯， 等.35 kV并联电容器组合闸涌流对CVT熔断器的影响［J］.电力电容器与无功补偿，2016，37（4）：58-61.

［9］ 李赛赛， 苗本健， 张达芬， 等.熔断器过载分断试验系统及试验方法分析［J］.电器与能效管理技术，2023（10）：70-75.

［10］ 毛柳明， 文远芳， 周挺.高压限流熔断器熔断过程及过电压研究［J］.高电压技术，2008（4）：820-823.

［11］ 陈搏， 庄劲武， 肖翼洋， 等.基于半经验模型的高压限流熔断器电弧特性的计算与分析［J］.高电压技术，2014，40（1）：282-287.

收稿日期： 2024-06-11