风力发电组合式变压器用高压限流熔断器爆熔故障的原因
明珠电气股份有限公司的研究人员袁乙专、张晓峰等，在2018年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，高压限流熔断器发生爆熔等故障，是影响组合式变压器安全运行的主要威胁之一。针对风力发电组合式变压器用高压限流熔断器爆熔问题，分析故障的主要原因在于：设计选型时未满足熔断器降容要求、引线铜片处渗油、长时间热量累积造成绝缘加速老化。
经额定电流为31.5A的熔断器温升试验表明，高压限流熔断器内部温度比外部油温高出25K是可能的，即外部油温在75℃或以上时，圆干筒内的温度将达到100℃。本文提出设计时应根据熔断器实际安装位置合理降容，并以1600kVA组合式变压器为例，给出了设计选型改进实例。文中的研究对高压限流熔断器的应用具有重要的参考意义。
作为风力发电组合式变压器的主要保护元件，35kV高压限流熔断器在组合式变压器中被广泛使用。运行情况表明，风力发电组合式变压器运行初期，高压限流熔断器频繁出现故障，是影响组合式变压器安全运行的主要威胁之一。
高压限流熔断器一般故障表现为熔断件表面发黄，严重时熔断件会烧毁，甚至熔断件从熔断器圆干筒中喷出，形成爆熔现象。爆熔故障发生时，熔断器会将小室门撞坏，若有运行维护人员在附近工作，还存在人身伤害风险。风力发电技术刚兴起时，配套的组合式变压器在其高压侧采用了两组保护元件，一组是插入式熔断器，一组是后备熔断器，对应功能分别是过载保护和短路保护[1] 。
随着风力发电技术的不断发展，熔断器行业推出了功能组合技术，使高压限流熔断器具有切断过载电流和短路电流的两种功能，合二为一，这是随着我国风力发电快速发展出现的新的应用形式[2]。和其他形式熔断器一样，高压限流熔断器也包含一个核心元件-熔断件，围绕熔断件相关机构已取得一些研究成果。
文献[3]以热电耦合数学模型理论为基础，通过ANSYS建模对熔断件进行参数分析，短路和过载的分析结果和厂家数据接近，验证了仿真研究手段可行性。文献[4]分析了高压限流熔断器的内部结构，并用有限元法建模求解，描述了熔断器熔断过程，预测弧前时间，并对过电压进行了研究。文献[5]分析了熔断件安秒特性曲线，研究配电网分支线中熔断器的保护配置与整定解决方案。
文献[6]分析了PT熔断器故障电压电流与故障原因之间的关系，指出检测电压、电流特征值对PT熔断器故障的诊断具有重要意义。上述研究揭示了熔断件或普通熔断器的关键技术特征，但对高压限流熔断器这种较特殊的产品而言，还缺乏具体研究，尤其是涉及其运行故障的原因分析还需进一步的研究。
本文主要从设计选型、产品特殊结构、散热条件来进行研究，分析高压限流熔断器爆熔故障的根源，以指导后续产品的设计选型，对避免爆熔故障以提高组合式变压器运行可靠性有重大意义。
1 高压限流熔断器的特点与工作原理
安装在组合式变压器中的35kV高压限流熔断器由高压全范围保护限流熔断件、操作手柄以及圆干筒组成插入式结构（见图1、图2）。目前，该类熔断器具有开断故障电流范围宽的特点，最小开断电流为熔断器额定电流的2倍，最大开断电流可达31.5kA，在风力发电组合式变压器上被广为使用。
图1 熔断器
图2 熔断件及圆干筒
1.1 特点
1）绝缘。主要依靠空气绝缘，整个圆干筒和熔断件管壳均为环氧树脂湿法缠绕玻璃纤维增强材料，仅导电端子和安装法兰为金属件。熔断件带电体通过带伞裙环氧支柱与端部手柄连接。
2）电气连接。熔断件两端连接到圆干筒中部和尾部的导电端子上，再通过其外部浸泡在变压器油中的端子与变压器器身相连接。
3）密封。圆干筒一般是密封的，端部把手上有密封件，用于密封圆干筒，而熔断件是整体密封的。
4）散热。导体隐藏在熔断件内部，其内部热量主要通过热传导和对流将热量散到变压器油中。
5）安装。熔断器外侧一端通过安装法兰固定在油箱壁上，内侧另一端则由油箱内壁上的绝缘支架提供支撑。
6）运行。容易受环境温度影响。
1.2 工作原理
装在圆干筒中的熔断件是一种高压全范围保护限流熔断器，其内部，短路保护熔体和过载保护熔体串联封装在环氧玻璃管壳内，熔体周围充满高纯度石英砂用于灭弧。短路保护熔体采用变截面高纯度银片；过载保护熔体为低熔点银合金材料，封装在产气有机材料管中。
故障时，短路电流由短路保护熔体开断。当短路电流通过高压限流熔断器时，变截面银片狭径处瞬间熔断起弧，电弧被高纯度石英砂冷却，待电流过零时电弧即熄灭。当过载电流通过高压限流熔断器时，过载保护熔体熔断并起弧，电弧在有机产气材料管中燃烧，有机材料分解产生出有强烈灭弧作用的气体，电弧很快在气体中熄灭，起到保护的作用[7-8]。
组合式变压器是将变压器器身、负荷开关、熔断器等在油箱中进行组合的变压器，风力发电场一般是将35kV组合式变压器作为升压变压器[9-12]。组合式变压器选择高压限流熔断器作为配套的保护元件，充分利用其切断过载电流和短路电流的两种能力。
2 熔断器爆熔原因分析
高压限流熔断器爆熔故障时有发生，对设备安全运行威胁之大，不可忽视，传统研究方法主要从识别侵入熔断器的异常过电压、过电流入手[13-14]，下面将从设计选型、产品特殊结构、散热条件来进行分析。
2.1 设计选型时未满足熔断器降容要求
GB/T 15166.2中熔断器使用条件规定：熔断器周围介质温度不大于40℃，当大于40℃时需对熔断器进行降容[15]。
一般情况下，当熔断器安装在户内高压开关柜内时，熔断器的额定电流是按变压器的额定满载电流的1.5～1.8倍选取的，这是考虑到以下因素：①变压器可以在1.1倍额定功率下长期工作；②变压器可以在1.3倍变压器额定功率可短暂运行数十分钟；③熔断器需躲开变压器合闸涌流（合闸涌流约为10～12倍变压器额定电流，持续时间0.1s[16]）对熔断器熔断件的冲击。这种选择原则在熔断器周围环境温度40℃以下才有效。
因本身有电阻，工作时熔断器不可避免会发热，当熔断器周围环境温度比较高时，将影响熔断器的正常工作。GB/T 15166.2附录F：熔断器的周围环境温度超过40℃时降低额定值的方法中有相关的规定：当熔断件处于较小的罐（如单相外壳）中时，由于罐和熔断件相互作用密切，这一组合体额定值的降低量通常只能通过测量确定。根据试验经验：当熔断器周围介质温度大于40℃时，每升高1℃，熔断器需降容1%。
高压限流熔断器在组合式变压器的安装位置有两种：①水平安装；②立式安装。当高压限流熔断器安装在变压器正上方时（水平安装），组合式变压器内高压电器元件布置较简洁，一次导线连接紧凑方便，使用较广。此时熔断器基本位于变压器油上表面附近，其周围变压器油温最高，实测表明：组合式变压器满负荷运行时，油箱中油顶层油温在 65℃～85℃之间，平均油温75℃。
此外，熔断器还可安装在组合式变压器侧面（立式安装），高压限流熔断器周围油温相对于油顶层温度要低，根据实测结果，满载时组合式变压器下部的油温较顶部油温要低10K以上，采用立式安装熔断器受油温的影响要小一些，这种安装方式导线连接复杂，较少应用。
这只是熔断器组合体的情况，如果考察熔断件，熔断件插入圆干筒外壳内时，熔断件和圆干筒之间隔了一层空气，散热条件恶化。对水平安装的高压限流熔断器，环境温度影响因素更加突出，如果设计选型不满足降容要求，会造成爆熔等严重后果。
2.2 引线铜片处渗油
为将圆干筒中部的导电端子引出，设置有一条贯穿圆干筒筒壁的引线铜片，通过对多个故障熔断器样本的解剖分析，发现引线铜片处渗油也是发生爆熔故障的不可忽视的重要影响因素。由于制造工艺的不完善，干筒绝缘材料与引线铜片的冷热膨胀系数不一致，长期运行后，铜片与干筒产生离缝。
经过一定时间变压器油慢慢渗入干筒内，这些油会混入一些灰尘甚至水份，形成油污，使绝缘拉杆、内筒壁、熔断件外表面绝缘强度降低，产生间断性的沿面放电，最终导致相对地绝缘失效，引起击穿放电，放电产生的高温高压气体将熔断件及绝缘拉杆从圆干筒内喷出，发生爆熔故障（见图3、图4）。
图3 高压限流熔断器水平安装
图4 高压限流熔断器发生爆熔冲出
2.3 长时间热量累积造成绝缘加速老化
为了保证圆干筒的绝缘特性和易加工特性，圆干筒普遍采用玻璃纤维增强环氧树脂湿法缠绕工艺制作，基于酸酐固化体系的环氧树脂材料导热性能并不佳[17]。高压熔断件是电阻元件，在电流通过熔断器时产生大量的热，热量积聚在熔断器圆干筒内，由于散热不畅，熔断器圆干筒内温度会大幅上升。
选取西安某熔断器厂额定电流为31.5A的熔断器，浸入试验油箱中，施加额定电流，监测其内部温度变化，如图5所示。结果显示：尽管圆干筒外部油温较低，但其内部温度攀升十分明显，稳态下内外温差最高达25.2K，证明其散热能力较差。见表1。
实际运行时，油温在75℃或以上，圆干筒内的温度将达到100℃，熔断件管壳环氧有机材料表面会发生老化分解，颜色变黄。熔断器圆干筒内温度
表1 熔断器温升测试（IN=31.5A）
长期处于100℃以上时，则熔断器圆干筒及熔断件管壳的环氧有机材料将加速老化，圆干筒内部绝缘性能也逐步下降[18-19]。严重时，造成熔断器带电端子对地击穿放电，发生爆熔故障。
图5 熔断器温升试验
3 讨论
3.1 熔断器的质量检测
组合式变压器用高压限流熔断器是为满足风力发电需要开发的新品种，需要有对应的质量检测手段[20]。
1）熔断器生产厂试验不完整
根据GB/T 15166.2要求，熔断器应完成包括绝缘试验、温升试验、开断试验、时间-电流特性试验等试验内容。针对风力发电使用要求，开发的高压限流熔断器是包括圆干筒外壳和熔断件的组合体，现阶段，不少高压限流熔断器厂家并没有针对组合体通过全部的型式试验，也没有完善的检测设备和检测手段，不能完全排除产品质量隐患。
特别是插入式结构决定其不得不配套一个圆干筒外壳，导致散热能力大幅下降，和传统熔断器差别明显，理应安排型式或特殊试验进行验证，据调查，目前行业内一些生产厂的产品试验报告试验项目比较简单，很少涉及这方面的内容。
2）使用方对熔断器检测项目有局限性
作为熔断器使用方，一般检查的是例行试验项目，主要包括外形尺寸和外观检查、绝缘试验（工频电压干耐受试验）、熔断件电阻测量等。这些检测项目不能对需要长期运行才能发现的缺陷进行充分暴露，有较大局限性。
3.2 熔断器爆熔影响因素的相互作用
上文所述引起熔断器爆熔的主要原因，并非单独起作用，而是共同起作用，产生叠加效果。如果选型未满足熔断器降容要求，这种失误加剧干筒内表面绝缘碳化风险，同时也加剧热膨胀不同步，渗油更加严重。对已发生碳化的圆干筒内壁，在油流作用下碳化微粒更易形成小桥效应[21]，加速对地放电导通引发故障。
4 设计选型改进实例
风力发电常用容量是1600、2200kVA，下面以1600kVA组合式变压器为例，进行设计选型分析。产品技术参数见表2。
表2 组合式变压器技术参数
当组合式变压器满载电流为24.6A时，熔断器应选的额定电流为24.6A×(1.5～1.8)倍=36.9A～44.3A。初步选型：若安装周围环境温度在40℃以下时，可以选用额定电流40A的熔断器。
熔断器采用水平安装，其周围变压器油温远远超过40℃时，根据GB/T 15166.2的规定，熔断器必须降容。以组合式变压器顶部油温80℃为上限，估算熔断件额定值降低因数为60%，应选熔断器的电流值是(36.9A～44.3A)÷60%=61.5A～73.8A。因此，考虑安装环境温度影响，应选熔断器额定电流63A的熔断器。
环境温度32.1℃时，测得某品牌熔断器两个规格的电阻值，见表3。
表3 熔断器电阻值
使用在1600kVA组合式变压器上时，对应额定电流为24.6A，二者基本发热功率比较见表4。可见，额定电流63A与40A的熔断器相比，发热功率降低31%，体现了降容的效果。
表4 熔断器基本发热功率比较
运行经验表明，按上述方案进行设计选型，熔断器爆熔故障率下降，提高了组合式变压器运行可靠性。
通过上述分析可得出如下结论：
1）高压限流熔断器爆熔有多种原因，主要包括：①设计选型时未满足熔断器降容要求；②引线铜片处渗油；③长时间热量累积造成绝缘加速老化。
2）插入式结构致使熔断件散热能力大幅下降，当外部油温在75℃或以上时，高压限流熔断器圆干筒内的温度将达到100℃。
3）设计选型时，应根据高压限流熔断器安装处的环境温度合理降容。