高压熔断器特性及35kVCVT一次熔断器异常熔断原因分析

.,高压熔断器特性及35kVCVT一次熔断器异常熔断原因分析,.,交流的主要内容,高压交流熔断器发展简介高压交流熔断器的基础知识高压交流限流熔断器电压互感器保护用高压交流限流熔断器35kVCVT一次熔断器异常熔断原因的试验分析,.,1.高压交流熔断器发展简介,熔断器已产生了100多年，现在世界上很多国家均在大量生产和使用熔断器。它们承担着保护电气设备和电网的重要任务，并且限制了许多事故的发生并确保了用户供电安全。,.,1.高压交流熔断器发展简介,伴随着发电机的发明，1878年左右，开始将简单的低熔点金属丝作为发电机和各种电气设备包括照明电器设备的断路保护。1886年由A.C.Cockbum完成了一个有意义的有关熔断器的论文。19世纪的最后10年，熔断器已成为唯一有用的保护装置，在德国、美国、英国和法国等已开始广泛使用由一个两端开口并有插头引线的陶瓷管、绝缘管、硬化橡胶管或类似的绝缘材料制造的高压熔断器。,.,1.高压交流熔断器发展简介,在20世纪期间，为了与油断路器竞争，这就引起研究者们对熔断器一些基本现象的研究，例如电弧过程的研究。研究所取得了很大的进展。熔断器在某些方面的特性仍得不到充分了解，为此20世纪70年代在欧洲成立了熔断器俱乐部。,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.1需要了解的一些名词术语,限流式高压熔断器示意图,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.1需要了解的一些名词术语熔断器（俗称“保险”）：当电流超过给定值足够时间时，通过熔化一个或几个特殊设计的和比例的组件，开断电流以分开其所接入回路的装置。熔断器一词包括了构成完整装置的所有部件。熔断件：熔断器动作后需要更换的熔断器的部件(包含熔体)。,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.1需要了解的一些名词术语熔体：设计在超过某一规定值的电流的作用下经规定时间熔化的熔断件的一个部件。限流熔断器：在规定的电流范围内且在它的动作期间和动作结束之前，将电流限制到远低于预期电流峰值的熔断器。电压互感器用熔断器即为限流熔断器。,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.1需要了解的一些名词术语非限流熔断器：是一种电流过零的开断装置，这类熔断器的熔体较短，因此要求能使最初建立的短电弧尽快拉长。此外，还必须采取吹弧的措施，将电弧向外喷射的方式来拉长电弧进行电弧的熄灭。非限流熔断器主要包括：羊角开弧式熔断器、液态熔断器、喷射跌落式熔断器。我国生产的熔断器多数术语喷射跌落式。,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.1需要了解的一些名词术语弧前时间（熔化时间）：从电流大到足以引起开断的电流开始到起弧瞬间为止的时间间隔。动作时间（全开断时间）：弧前时间和燃弧时间之和。最小开断电流：在规定的使用和性能条件和熔断件在规定的电压下所能开断的最小预期电流值。,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.1需要了解的一些名词术语时间-电流特性：在规定的动作条件下，给出的将时间(例如弧前时间或动作时间)作为预期电流的函数的曲线。,熔断器的时间电流特性曲线,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.2熔体狭颈的形状对时间电流特性的影响对于方框形狭颈，狭颈长度从Y增长到2Y，在过载电流较小时，狭颈长度为2Y熔体的动作时间明显比狭颈长度为Y的熔体短的多。,方框形狭颈熔体,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.2熔体狭颈的形状对时间电流特性的影响,对于半圆形狭颈，狭颈宽度从X/2减小到X/4，在大的过载电流到短路电流的范围时，狭颈宽度为X/4熔体的动作时间明显比狭颈宽度为X/2熔体。,半圆形狭颈熔体,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.3熔体材料和熔体厚度的应用范围在高压限流熔断器中，常采用纯银或电解铜作为熔断器的熔体材料，其中采用纯银更为普遍。熔体厚度的选择需要从结构强度、在正常工作下的散热状况和在开断短路电流时的突然发热等方面进行考虑，但工作时的散热最为主要。额定电流为200A的熔断器，选取2片100A的熔体并联来替代1片相同电流密度的熔体，在正常工作下的温升有显著降低。,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.4冶金效应的应用为了缩短熔断器在过载电流时的熔化时间，常在熔体上设置软锡焊点。当熔断器一旦发生过载电流现象时，则在熔体的软锡点上发生扩散过程，即软锡焊点处的锡会渗透到纯银熔体材料中，这种现象称作金属的扩散作用，也称冶金效应。,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.4冶金效应的应用,具有软锡焊点的熔体,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.4冶金效应的应用（作用）可使软锡点焊处的电阻不断增大，最终导致软锡焊点处加速熔化，而开断电路。可降低纯金属的熔化温度，电解铜的熔点为1080，纯银的熔点为960，而加入软锡后，软锡焊点处的熔点可降低到220左右。可使过载电流时的熔化时间缩短到几分钟甚至几秒钟，极大的改善了熔断器的时间电流特性。,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.4冶金效应的应用,银丝熔体上焊锡的电流时间曲线,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.4冶金效应的应用缺点：容易使熔体老化，即造成时间电流特性曲线不稳定，为此，国外已有一些熔断器制造厂正在采取其他措施来改善过载电流的性能。,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.5外壳是用来安放熔体和石英砂（灭弧介质）的容器。应具有良好的电气绝缘性能和能承受熔断器开断短路电流过程中产生的冲击压力。应能经受短路电流产生的暂时的高温。一般采用高强度陶瓷或高氧化铝陶瓷。已开始采用耐高温的高强度玻璃纤维管。,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.6熔断器的三种不同工作状态正常电流下的工作状态是指通过的电流始终保持在等于或小于额定电流下的工作状态。熔断器熔体产生的热量与熔断器扩散的热量达到平衡状态时，温度不再升高。标准规定，熔断器垂直布置时，导电部分在铜镀银的条件下，上出线端温升不应超过50K，上端帽端温升不应超过65K。,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.6熔断器的三种不同工作状态过载电流下的工作状态当熔断器超过一定数值的额定电流后，经过一定时间，熔体的温升将达到熔化的温度。此时功率损耗为：W=I2Rt式中，I为过载电流（A），Rt为熔体电阻（）。,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.6熔断器的三种不同工作状态过载电流下的工作状态随着温度的升高，熔体的电阻将随温度的上升而增大。Rt=Ro(1+t）R0为环境温度时的电阻（），t为温度的升高（K），为熔体的电阻温度系数（1）。,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.6熔断器的三种不同工作状态过载电流下的工作状态,熔体温度上升直到电流开断的物理过程,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.6熔断器的三种不同工作状态过载电流下的工作状态由于电阻的增大，温度将加速升高到熔体的熔点，在达到这一温度后，熔体便在恒定的温度下开始熔化，电流在这一时期内所产生的热能都转变为熔化潜热。在熔化期内熔体呈液体状态，所以其重量未发生变化，仍留在原先位置，并一直升温到汽化点。熔体的汽化也是需要一些时间，在这一时期内，电流将提供熔体汽化所需的潜热。,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.6熔断器的三种不同工作状态过载电流下的工作状态熔体在熔化点时，狭颈处截面出现电磁收缩效应，液态金属熔体被电流产生的磁场形成了聚焦状态，结果使熔体和电弧发生断裂。此时，电流迅速下降，同时电压迅速上升，在燃弧时间终了时，电弧电压将大于电源电压和感应电压。当电弧熄灭后，电压即降到电源电压，电路被开断。,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.6熔断器的三种不同工作状态过载电流下的工作状态结论熔化时间是过载电流的函数，电流越大，熔化时间就越短。也就是说，熔体产生的热量增加与电流呈二次方的关系。,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.6熔断器的三种不同工作状态短路电流下的工作状态在短路电流时，由于极陡的电流上升率和极高的电流密度使熔体所有狭颈在几毫秒内熔化和汽化。熔化和汽化的瞬间使所有狭颈处象爆炸般的产生电弧，这时几乎无热量传输。,.,2.高压交流熔断器的基础知识,2.6熔断器的三种不同工作状态短路电流下的工作状态由于石英砂周围熔体电弧的强烈熄弧和冷却作用，引起了非常高的电压上升，使所有电弧产生的总电弧电压将增加到大于电源电压和达到制造厂所指出的最高允许值。电弧的活动能力直到被石英砂冷却到相当程度后，即行熄弧，电流被开断。,.,3.高压交流限流熔断器,3.1高压交流限流熔断器的特点介绍高压交流限流熔断器又称作高分断能力熔断器。它具有开断电流能力大和具有显著的限流效应两个特点。绝大多数高压限流熔断器只有一种典型结构。熔体通常是绕在陶瓷七星柱骨架上来支撑。绕在陶瓷七星柱骨架上的熔体其两端点焊在端盖上。然后装入绝缘外壳内与内帽焊接，外帽通过挤压与内帽紧密配合。外帽的外表面均应镀银或锡，以防大气腐蚀。,.,3.高压交流限流熔断器,3.1高压交流限流熔断器的特点介绍高压熔断器大量的串联断口数是用来分配在开断过程中的电弧电压，以便在电流开断后能承受电源的恢复电压，决定了熔断器开断能力。一般高压熔断器熔体的宽度都比较狭窄，大约只有23mm。一般制造厂选取熔体长度大约每kV电压5060mm，同时根据断口的形状，每kV电压选取48个断口的范围（或者按每个断口的电压不超过250V的范围）。,.,3.高压交流限流熔断器,3.2高压交流限流熔断器过电流开断过程分析当熔断器熔体的温度增加到960（银的熔化温度）时，熔体的有些狭颈（即断口）就会迅速熔化，这时就会瞬间产生电弧。电弧会被周围的石英砂冷却，待电流过零时电弧即告熄灭。,.,3.高压交流限流熔断器,3.2高压交流限流熔断器过电流开断过程分析把熔体分成许多狭颈（即许多断口），同时熔体的厚度设计的尽可能薄。过载电流通过并联熔体时，只有一根熔体最先熔化和产生电弧，并且往往只有一个狭颈（断口）先熔断（但有时亦有可能几个断口同时熔断），剩下的其它并联熔体中的电流将增加到n/(n-1)比值（n为并联熔体总数）。,.,3.高压交流限流熔断器,3.2高压交流限流熔断器过电流开断过程分析当并联熔体中已有一根熔体熔断时（即熔断器的第一根熔体熔断时）则剩下的并联熔体中的电流将增加到n/(n-2)比值，依此类推，电流将增加的比值为n/(n-1)、（n2）、（n3）等。单片熔体中的电流愈来愈大，熔体的熔断速度亦愈来愈快，到最后一根熔体熔断后，出现较高的过电压，就会重新击穿最先几根熔体的断口，使其所有断口或绝大部分断口都产生熔化，产生电弧和熄灭电弧的全过程。,.,3.高压交流限流熔断器,3.2高压交流限流熔断器过电流开断过程分析结论经过这样的循环，把熔断器的全部并联熔体和绝大多数断口都熔断，实现电路的开断。,.,3.高压交流限流熔断器,3.3高压交流限流熔断器分类从保护范围出发分类，高压交流限流熔断器可分为：后备、通用和全范围三大类。在结构上，它们之间没有显著的差别。,.,3.高压交流限流熔断器,3.3高压交流限流熔断器分类,高压后备熔断器的设计只考虑保护短路故障，故不适合过载保护；,通用（G型）高压熔断器，除保护短路故障外，尚有一定范围的过载保护；,高压全范围熔断器不但保护短路故障同时能保护任何情况下的过载故障。,用带条表示3种高压熔断器的保护范围,.,3.高压交流限流熔断器,3.3高压交流限流熔断器分类按保护对象分类，高压熔断器可分为保护变压器用（T型）、保护电动机用（M型）、保护电压互感器用（P型）、保护电容器用（C型）、不指定保护对象用（G型）等5种。,.,3.高压交流限流熔断器,3.3高压交流限流熔断器分类,弧前时间电流特性的要求,.,3.高压交流限流熔断器,3.3高压交流限流熔断器分类弧前时间电流区域极限和耐受过载能力特性,.,4.电压互感器保护用高压交流限流熔断器,4.1发展水平概述目前为止国际电工委员会（IEC）尚未发布过有关保护高压电压互感器用熔断器的国际标准。法国Ferraz公司生产保护高压电压互感器用的熔断器，其熔体采用纯银丝制造，具有全范围的保护特性。俄罗斯和其他一些欧洲国家是采用康铜丝和纯银分段串联组成的熔体，可从小电流过载的范围开始保护。,.,4.电压互感器保护用高压交流限流熔断器,4.1发展水平概述我国熔断器制造厂目前生产保护高压电压互感器用的熔断器，多数只能做到在较大的过载电流至短路故障的范围。国产熔断器到目前为止，都很难满足保护高压电压互感器的全面要求的范围。,.,4.电压互感器保护用高压交流限流熔断器,4.2电压互感器保护用高压交流限流熔断器的应用熔断器应满足“额定电压因数标准值”的规定。额定电压因数是指与额定电压值相乘的一个因数，用以确定电压互感器必须满足规定时间内有关热性能要求和满足有关准确级要求的最高电压。,.,4.电压互感器保护用高压交流限流熔断器,4.2电压互感器保护用高压交流限流熔断器的应用,额定电压因数标准值,.,4.电压互感器保护用高压交流限流熔断器,4.2电压互感器保护用高压交流限流熔断器的应用当电力系统额定电压因数升高到额定电压的1.2倍时，与电压互感器串联的熔断器应保证连续正常运行，其熔断件不会应发生熔断。当电压互感器一次端受到额定电压因数的影响而升高到额定电压的1.9倍时，与电压互感器串联的熔断器，其熔断件应保证在30s（或8h）内可靠的熔断，使被保护的电压互感器与电力系统电源立刻隔离。,.,4.电压互感器保护用高压交流限流熔断器,4.2电压互感器保护用高压交流限流熔断器的应用根据国内电压互感器的制造经验，要求在时间0.1s内的动作电流应在15In左右的范围内。熔断器还应满足额定开断电流的要求，例如，应满足16kA、20kA、25kA、31.5kA或40kA电流的要求以及提供时间电流特性曲线。,.,4.电压互感器保护用高压交流限流熔断器,4.2电压互感器保护用高压交流限流熔断器的应用小结：选用保护电压互感器的熔断器，应满足电压互感器标准中所规定的各项要求，才能确保电压互感器在电力系统中可靠的运行。,.,4.电压互感器保护用高压交流限流熔断器,4.2电压互感器保护用高压交流限流熔断器的应用目前国际上时间电流特性做得比较接近符合保护电压互感器要求的有法国Ferraz公司和美国Bussmann公司。,.,4.电压互感器保护用高压交流限流熔断器,4.2电压互感器保护用高压交流限流熔断器的应用GB15166.2-1994交流高压熔断器限流式熔断器附录C原则规定：保护电压互感器的熔断器主要用来作为隔离装置，不能确保电压互感器本身不被损坏。熔断器的选择只限于它能承受电压互感器的励磁冲击电流。,.,4.电压互感器保护用高压交流限流熔断器,4.2电压互感器保护用高压交流限流熔断器的应用GB15166.2-1994交流高压熔断器限流式熔断器附录C还指出：保护电压互感器用熔断器的熔体对电晕作用敏感,电晕放电作用使熔体在几个月或几年内腐蚀，最终导致熔断器动作。如果能确保熔断器底座远离接地的金属框架，则这种可能性就可大大降低，尤其应避免在熔断器底座附近使用法兰套管。,.,4.电压互感器保护用高压交流限流熔断器,4.3电压互感器保护用熔断器存在的问题工程院高压室于2007年进行过一次电压互感器保护用0.5A熔断器小电流熔断特性试验。,小电流熔断特性试验接线,.,4.电压互感器保护用高压交流限流熔断器,4.3电压互感器保护用熔断器存在的问题通过调整电抗器参数，使变压器输出电压10kV时，回路的电流达到1.6A，也即达到熔断器额定电流的3倍以上，远超过1.9倍的10kV电磁式电压互感器的一次绕组励磁电流（1.9倍励磁电流一般为10mA至数10mA）。3个多小时后，熔断器开始熔断，但电弧未能熄灭，直至熔管炸裂，电弧引燃了用于保护熔断器的环氧筒，熔断后的熔体呈灰色空心粉状。,.,4.电压互感器保护用高压交流限流熔断器,4.3电压互感器保护用熔断器存在的问题,熔断器熔断过程的电流包络线,.,4.电压互感器保护用高压交流限流熔断器,4.3电压互感器保护用熔断器存在的问题注意！目前国内电压互感器保护用熔断器在过载电流的工作状态难以满足要求，同时由于熔断器熔断后不能熄弧，当熔管炸裂后电弧将会发生漂移，在PT柜内极有可能导致母线短路故障的发生。,.,5.35kVCVT一次熔断器异常熔断原因的试验分析,5.135kVCVT一次熔断器的异常熔断35kV系统中，为了防止PT铁磁谐振的发生，一些重要变电站选用了电容式电压互感器（简称“CVT”）。运行经验表明，在一些操作过程中，CVT一次熔断器经常发生异常熔断现象。,.,5.35kVCVT一次熔断器异常熔断原因的试验分析,5.2现场试验,通过合分31刀闸投切CVT，或通过合分311断路器投切35kV电抗器。在合分设备过程中，利用暂态参数测试仪分别采集三相CVT一次侧入地电流，二次绕组电压。,.,5.35kVCVT一次熔断器异常熔断原因的试验分析,5.2现场试验,试验接线示意图,.,5.35kVCVT一次熔断器异常熔断原因的试验分析,5.2现场试验试验结果,.,5.35kVCVT一次熔断器异常熔断原因的试验分析,5.2现场试验试验结果,CVT投入过程中三相电压和电流,.,5.35kVCVT一次熔断器异常熔断原因的试验分析,5.2现场试验试验结果,CVT投入过程中的电流变化,.,5.35kVCVT一次熔断器异常熔断原因的试验分析,5.2现场试验试验结果,电抗器切除过程中CVT的电压电流变化,.,5.35kVCVT一次熔断器异常熔断原因的试验分析,5.2现场试验试验结果,电抗器投入过程中CVT的电压电流变化,.,5.35kVCVT一次熔断器异常熔断原因的试验分析,5.3导致35kVCVT一次熔断器异常熔断的原因分析操作过程中的过电压？（有人认为是谐振所至）在投入CVT的过程中，还是投切电抗器的过程中，系统均出现了过电压。过电压是电容电感元件构成的电路，在外施电压变化时的正常过渡过程，幅值较低，持续时间很短，不超过6个周波。,.,5.35kVCVT一次熔断器异常熔断原因的试验分析,5.3导致35kVCVT一次熔断器异常熔断的原因分析操作过程中的过电压？中性点非有效接地系统，允许当相电压升至正常运行电压的1.732倍后，互感器还应能够继续运行2小时以上。结论：过电压并非是导致CVT一次熔断器熔断的原因。,.,5.35kVCVT一次熔断器异常熔断原因的试验分析,5.3导致35kVCVT一次熔断器异常熔断的原因分析操作过程中CVT的一次电流在CVT和电抗器的投入过程中，CVT的一次侧间歇性的出现了幅值和频率较高的电流。该电流的特性与单纯投入电容器时出现的合闸涌流存在极大的差异。,.,5.35kVCVT一次熔断器异常熔断原因的试验分析,5.3导致35kVCVT一次熔断器异常熔断的原因分析操作过程中CVT的一次电流,将中间变压器的二次侧阻抗折算到一次侧后的CVT等值电路,.,5.35kVCVT一次熔断器异常熔断原因的试验分析,5.3导致35kVCVT一次熔断器异常熔断的原因分析操作过程中CVT的一次电流Xc为等值电容(C1+C2)的电抗，XT1、XT2为中压变压器一、二次绕组的漏抗（折算到一次侧），Zm为中压变压器的励磁阻抗，XK为补偿电抗器的电抗，其中XK的取值等于Xc，Zm正常运行条件下可以按无穷大进行考虑，但在电压突变时的过渡过程中应予以考虑。,.,5.35kVCVT一次熔断器异常熔断原因的试验分析,5.3导致35kVCVT一次熔断器异常熔断的原因分析操作过程中CVT的一次电流当CVT一次电压发生突变时，由电容和电感构成的回路将发生电磁振荡。由于补偿电抗器的电流不能突变，因此在暂态过程中将会产生较高的电压，导致并接在电抗器两端的保护间隙反复动作。中间变压器非线性励磁电感在建立磁通的过程中，电感始终在发生变化。,.,5.35kVCVT一次熔断器异常熔断原因的试验分析,5.3导致35kVCVT一次熔断器异常熔断的原因分析操作过程中CVT的一次电流CVT一次电流呈现出间歇性出现的特点。实际电路中，电阻的存在可以对电磁振荡起到阻尼作用，从而最终使CVT各元件上的电压、电流达到稳定。,.,5.35kVCVT一次熔断器异常熔断原因的试验分析,5.3导致35kVCVT一次熔断器异常熔断的原因分析一次熔断器熔断的原因保护CVT用熔断器的额定电流为0.5A，1.9倍的额定电