史玉華，朱宏超，李瑞瑩

(1. 南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，江蘇 南京 211106；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

隨著發(fā)電機機組容量越來越大，要求勵磁系統(tǒng)中整流裝置的輸出電流也越來越高，整流裝置中的整流元件通常采用的是晶閘管或二極管，在短路故障狀態(tài)下要有快速保護整流元件的器件。通常采用快速熔斷器作為短路保護。

1 快速熔斷器

快速熔斷器通常簡稱“快熔”，其特點是熔斷速度快、額定電流大、分斷能力強、限流特性穩(wěn)定、體積較小。如圖1為快熔內部結構。

圖1 快熔內部結構圖

快熔工作原理：通過額定電流時，熔體內產生的熱量與熔管表面、熔斷器連接銅排散熱量之和相平衡，快熔溫升一般小于80 K。當發(fā)生短路故障時，上萬安培短路故障電流通過熔體狹頸部位，熔體溫度急劇升高，狹頸瞬時熔化形成電弧。電弧電壓使短路故障電流快速減小，最終強制電流降低到零，這是快熔的“限流現象”。熔體內的填料快速吸收能量，避免電弧重燃。一般情況下，快熔自短路故障電流從開始至電路被切斷終止的熔斷時間應在10 ms以內[1]。

1.1 快熔的主要特性參數指標與選定

1)額定電壓?？烊鄣念~定電壓是指分斷時能承受的正弦交流電壓，一般要大于熔斷后外加于熔管兩端的電壓。

額定電壓的計算公式為

Urn≥Krn×U2N

式中：Urn為快熔額定電壓，V；Kru為裕度系數，取1.2～1.3；U2N為功率整流橋交流側額定電壓有效值，V。

在選擇快熔額定電壓時，不宜過高。在同樣電流下，提高額定電壓，熔斷器的損耗值也增大了，就必須改變熔斷器內部材料，重新考慮設備的布局，這樣就提高了熔斷器的I2t值，不利于保護半導體元件[1]。

2)額定電流。額定電流是指在規(guī)定條件下快熔流過的電流能長期連續(xù)運行，而不降低快熔的性能指標。

額定電流Im的選定，三相全波整流回路，參照下列公式計算：

式中：Kn取值1～1.25(根據散熱條件確定系數)；IN為功率整流橋額定輸出電流，A。

3)分斷能力。快熔的極限分斷能力是判別快熔性能好壞的重要標志。快速熔斷器的分斷電流應大于回路中可能出現的最大短路故障電流，否則，熔管內的電弧不易熄滅，并會產生串弧或熔管炸裂等現象[2]。

4)熔斷器分斷范圍和應用類別。根據標準GBT 13539.4-2016《低壓熔斷器第4部分：半導體設備保護用熔斷體的補充要求》，aR型熔斷器表示保護半導體設備部分范圍(短路工況)分斷能力的熔斷器。

gR型熔斷器表示一般用途和半導體保護全范圍分斷能力的熔斷器[3]。

某些特定工況下,發(fā)電機為了對電網支撐，需要強勵，此時整流柜會出現短時過電流輸出，這時熔斷器不應熔斷，因此勵磁系統(tǒng)整流裝置選用aR型熔斷器。

5)I2t特性?？烊鄣腎2t是指快速熔斷器熔斷過程中，電流釋放的能量，稱為熔斷I2t。熔斷I2t應小于被保護器件的I2t值。快熔I2t特性曲線圖見圖2。

1.2 熔斷I2t是弧前I2t與燃弧I2t之和

1)弧前I2t。熔體狹頸部位金屬從固態(tài)熔化為液態(tài)并開始汽化的時間是弧前時間，大約在3～5 ms，此時間段快熔產生的電流時間積分以A2s值表示，由產品設計來確定。tm時刻的電流值Im是快熔的限流值?；∏癐2t值對于同一種材料它是一個常數。

式中：t0為故障電流開始時刻；tm為熔體變?yōu)橐簯B(tài)時刻；C為熔體材料系數。

2)燃弧I2t。當熔體狹頸部位缺口開始起弧，在燃弧過程中電流由限流值Im降至0，此階段I2t即為燃弧

圖2 快熔I2t特性曲線圖

I2t，以A2s表示。這一過程主要依靠填料被腐蝕而吸收能量。燃弧I2t是一個變量，是在時刻tm至tt的時間段產生的。因弧能的變化，燃弧I2t也相應變化，用電壓系數k修正[1]，可以得出實際熔斷I2t。則∑I2t=弧前I2t+k燃弧I2t。

圖3為快熔燃弧I2t電壓修正系數曲線圖。

圖3 燃弧I2t電壓修正系數圖

3)電弧電壓。快速熔斷器快速分斷時,電流突變(di/dt)引起較高的電弧電壓，過高的電弧電壓可能會擊穿被保護的整流元件，因此需要控制電弧電壓，使得電弧電壓低于被保護元件能承受的電壓，一般約為快速熔斷器的2倍交流額定電壓。

4)快速熔斷器的阻抗。①快熔的阻抗越小，功耗越低，越有利于降低熔斷器的溫升,應選用阻抗小的快速熔斷器；②快熔的阻抗會影響并列運行的整流裝置的均流，應選用阻抗值一致性好的快速熔斷器。

5)快速熔斷器檢測。快熔的分斷能力、熔斷時間、弧前I2T和熔斷I2T、電弧電壓等重要性能參數需要有資質的第三方檢測。

1.3 快熔短路預期電流示波圖

圖4是上海電器設備檢測所有限公司快熔短路預期電流示波圖。

圖4 快熔短路預期電流示波圖

2)熔斷時間及燃弧時間。圖5是快熔檢測錄波曲線。

圖5 快熔檢測錄波曲線圖

Top：9.31 ms(operating time)熔斷時間，即第二條示波圖曲線電流開始到結束的時間，小于10 ms。

Tarc:4.92 ms(arcing time)燃弧時間，即第三條示波圖曲線電壓開始到第二條示波圖曲線電流結束之間的時間。

3)弧前I2T和熔斷I2T。根據圖5得到：弧前I2t=1.71 MA2s，電流0到峰值的能量；熔斷I2t=4.77 MA2s，電流0-0的熔斷過程的能量。

4)電弧電壓。根據圖5得到電弧電壓為2.9 kV。

2 快速熔斷器低倍數過載運行

勵磁系統(tǒng)整流裝置的快熔選型計算時除了要考慮熔斷器的最大短路分斷能力外，還應避免熔斷器長時間(10 min以上)，低倍數(1～3倍)過載運行，低倍數電流通過熔體，溫度升高,部分能量通過外殼和引出銅排傳導至外界，熔芯溫度沒有達到熔點，熔斷器不能及時分斷，能量將隨著時間的增加而累加，快熔溫升會達到150 K以上，高溫影響熔斷器的性能指標，有可能還會引起熔斷器殼體熱開裂，不合格的熔斷器甚至會殼體爆裂。

3 快速熔斷器冷卻

快速熔斷器的通流能力主要受溫升限制。風冷是一種降低溫升的有效方法，根據風速與通流能力曲線(見圖6)可以確定風速對快熔溫升的影響，風速約5 m/s時一般可以提高25%的通流能力。

圖6 風速與通流能力曲線圖

4 實 例

某660 MW汽輪發(fā)電機組，額定勵磁電壓為454.5 V，勵磁電流4 344 A，勵磁系統(tǒng)由以下設備組成：3臺單相勵磁變壓器ZLDCB-22 kV/860 V[4]，短路阻抗8%，4臺大容量可控硅整流柜，1臺滅磁開關柜、1臺滅磁電阻柜、1臺進線柜、1臺出線柜、1臺調節(jié)器柜。

快速熔斷器選型計算如下。

1)額定電壓。按照下面公式選擇計算：

Urn≥Krn×U2N=1 032～1 118 V

式中：Urn為快速熔斷器額定電壓，V；Kru為裕度系數，取1.2～1.3；U2N為功率整流橋交流側額定電壓有效值，860 V。

選擇額定電壓為1 500 V的快熔。

2)額定電流。

式中：Kn取值1～1.25(根據散熱條件確定系數)；IN為單個功率整流橋額定輸出電流，為2 500 A。

選擇額定電流為1 800 A的快熔。

3)最大分斷電流。經過計算整流柜每橋臂晶閘管短路電流為37.41 kA。

快熔選擇1 500 V/1 800 A，快熔廠家提供的資料里的最大短路分斷電流為100 kA，由于測試單位條件受限，測試報告最大短路預期電流峰值是55.7～60 kA。

4)快速熔斷器I2t的選擇?？烊刍∏癐2T為1.71×106A2s，熔斷I2T為4.77×106A2s，本項目勵磁變壓器二次側電壓為860 V。

再根據圖3，修正系數k為0.5，進行修正燃弧I2T值，燃弧I2T值為熔斷I2T值與弧前I2T值的差。

快熔的I2t=1.71+(4.77-1.71)×0.5=3.24×106A2S。

經查5STP28L4200晶閘管手冊，I2t值為14.58×106A2S。

快熔的I2t值遠小于晶閘管的I2t值。

5)電弧電壓。根據測試報告，熔斷器的電弧電壓為2.9 kV，本項目整流元件所能承受的正、反向電壓為4.2 kV，滿足要求。

5 結 語

大功率整流裝置是勵磁系統(tǒng)最重要組成部分，快速熔斷器是勵磁整流裝置的主要保護元件，大功率整流(高電壓和大電流)的趨勢對整流器的安全保護提出了更高的要求，因此，合理選擇快速熔斷器，對確保勵磁系統(tǒng)短路保護安全可靠至關重要。