快速熔断器在励磁系统整流装置中的应用

史玉华，朱宏超，李瑞莹

(1. 南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，江苏 南京 211106；2. 国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

随着发电机机组容量越来越大，要求励磁系统中整流装置的输出电流也越来越高，整流装置中的整流元件通常采用的是晶闸管或二极管，在短路故障状态下要有快速保护整流元件的器件。通常采用快速熔断器作为短路保护。

1 快速熔断器

快速熔断器通常简称“快熔”，其特点是熔断速度快、额定电流大、分断能力强、限流特性稳定、体积较小。如图1为快熔内部结构。

图1 快熔内部结构图

快熔工作原理：通过额定电流时，熔体内产生的热量与熔管表面、熔断器连接铜排散热量之和相平衡，快熔温升一般小于80 K。当发生短路故障时，上万安培短路故障电流通过熔体狭颈部位，熔体温度急剧升高，狭颈瞬时熔化形成电弧。电弧电压使短路故障电流快速减小，最终强制电流降低到零，这是快熔的“限流现象”。熔体内的填料快速吸收能量，避免电弧重燃。一般情况下，快熔自短路故障电流从开始至电路被切断终止的熔断时间应在10 ms以内[1]。

1.1 快熔的主要特性参数指标与选定

1)额定电压。快熔的额定电压是指分断时能承受的正弦交流电压，一般要大于熔断后外加于熔管两端的电压。

额定电压的计算公式为

Urn≥Krn×U2N

式中：Urn为快熔额定电压，V；Kru为裕度系数，取1.2～1.3；U2N为功率整流桥交流侧额定电压有效值，V。

在选择快熔额定电压时，不宜过高。在同样电流下，提高额定电压，熔断器的损耗值也增大了，就必须改变熔断器内部材料，重新考虑设备的布局，这样就提高了熔断器的I2t值，不利于保护半导体元件[1]。

2)额定电流。额定电流是指在规定条件下快熔流过的电流能长期连续运行，而不降低快熔的性能指标。

额定电流Im的选定，三相全波整流回路，参照下列公式计算：

式中：Kn取值1～1.25(根据散热条件确定系数)；IN为功率整流桥额定输出电流，A。

3)分断能力。快熔的极限分断能力是判别快熔性能好坏的重要标志。快速熔断器的分断电流应大于回路中可能出现的最大短路故障电流，否则，熔管内的电弧不易熄灭，并会产生串弧或熔管炸裂等现象[2]。

4)熔断器分断范围和应用类别。根据标准GBT 13539.4-2016《低压熔断器第4部分：半导体设备保护用熔断体的补充要求》，aR型熔断器表示保护半导体设备部分范围(短路工况)分断能力的熔断器。

gR型熔断器表示一般用途和半导体保护全范围分断能力的熔断器[3]。

某些特定工况下,发电机为了对电网支撑，需要强励，此时整流柜会出现短时过电流输出，这时熔断器不应熔断，因此励磁系统整流装置选用aR型熔断器。

5)I2t特性。快熔的I2t是指快速熔断器熔断过程中，电流释放的能量，称为熔断I2t。熔断I2t应小于被保护器件的I2t值。快熔I2t特性曲线图见图2。

1.2 熔断I2t是弧前I2t与燃弧I2t之和

1)弧前I2t。熔体狭颈部位金属从固态熔化为液态并开始汽化的时间是弧前时间，大约在3～5 ms，此时间段快熔产生的电流时间积分以A2s值表示，由产品设计来确定。tm时刻的电流值Im是快熔的限流值。弧前I2t值对于同一种材料它是一个常数。

式中：t0为故障电流开始时刻；tm为熔体变为液态时刻；C为熔体材料系数。

2)燃弧I2t。当熔体狭颈部位缺口开始起弧，在燃弧过程中电流由限流值Im降至0，此阶段I2t即为燃弧

图2 快熔I2t特性曲线图

I2t，以A2s表示。这一过程主要依靠填料被腐蚀而吸收能量。燃弧I2t是一个变量，是在时刻tm至tt的时间段产生的。因弧能的变化，燃弧I2t也相应变化，用电压系数k修正[1]，可以得出实际熔断I2t。则∑I2t=弧前I2t+k燃弧I2t。

图3为快熔燃弧I2t电压修正系数曲线图。

图3 燃弧I2t电压修正系数图

3)电弧电压。快速熔断器快速分断时,电流突变(di/dt)引起较高的电弧电压，过高的电弧电压可能会击穿被保护的整流元件，因此需要控制电弧电压，使得电弧电压低于被保护元件能承受的电压，一般约为快速熔断器的2倍交流额定电压。

4)快速熔断器的阻抗。①快熔的阻抗越小，功耗越低，越有利于降低熔断器的温升,应选用阻抗小的快速熔断器；②快熔的阻抗会影响并列运行的整流装置的均流，应选用阻抗值一致性好的快速熔断器。

5)快速熔断器检测。快熔的分断能力、熔断时间、弧前I2T和熔断I2T、电弧电压等重要性能参数需要有资质的第三方检测。

1.3 快熔短路预期电流示波图

图4是上海电器设备检测所有限公司快熔短路预期电流示波图。

图4 快熔短路预期电流示波图

2)熔断时间及燃弧时间。图5是快熔检测录波曲线。

图5 快熔检测录波曲线图

Top：9.31 ms(operating time)熔断时间，即第二条示波图曲线电流开始到结束的时间，小于10 ms。

Tarc:4.92 ms(arcing time)燃弧时间，即第三条示波图曲线电压开始到第二条示波图曲线电流结束之间的时间。

3)弧前I2T和熔断I2T。根据图5得到：弧前I2t=1.71 MA2s，电流0到峰值的能量；熔断I2t=4.77 MA2s，电流0-0的熔断过程的能量。

4)电弧电压。根据图5得到电弧电压为2.9 kV。

2 快速熔断器低倍数过载运行

励磁系统整流装置的快熔选型计算时除了要考虑熔断器的最大短路分断能力外，还应避免熔断器长时间(10 min以上)，低倍数(1～3倍)过载运行，低倍数电流通过熔体，温度升高,部分能量通过外壳和引出铜排传导至外界，熔芯温度没有达到熔点，熔断器不能及时分断，能量将随着时间的增加而累加，快熔温升会达到150 K以上，高温影响熔断器的性能指标，有可能还会引起熔断器壳体热开裂，不合格的熔断器甚至会壳体爆裂。

3 快速熔断器冷却

快速熔断器的通流能力主要受温升限制。风冷是一种降低温升的有效方法，根据风速与通流能力曲线(见图6)可以确定风速对快熔温升的影响，风速约5 m/s时一般可以提高25%的通流能力。

图6 风速与通流能力曲线图

4 实 例

某660 MW汽轮发电机组，额定励磁电压为454.5 V，励磁电流4 344 A，励磁系统由以下设备组成：3台单相励磁变压器ZLDCB-22 kV/860 V[4]，短路阻抗8%，4台大容量可控硅整流柜，1台灭磁开关柜、1台灭磁电阻柜、1台进线柜、1台出线柜、1台调节器柜。

快速熔断器选型计算如下。

1)额定电压。按照下面公式选择计算：

Urn≥Krn×U2N=1 032～1 118 V

式中：Urn为快速熔断器额定电压，V；Kru为裕度系数，取1.2～1.3；U2N为功率整流桥交流侧额定电压有效值，860 V。

选择额定电压为1 500 V的快熔。

2)额定电流。

式中：Kn取值1～1.25(根据散热条件确定系数)；IN为单个功率整流桥额定输出电流，为2 500 A。

选择额定电流为1 800 A的快熔。

3)最大分断电流。经过计算整流柜每桥臂晶闸管短路电流为37.41 kA。

快熔选择1 500 V/1 800 A，快熔厂家提供的资料里的最大短路分断电流为100 kA，由于测试单位条件受限，测试报告最大短路预期电流峰值是55.7～60 kA。

4)快速熔断器I2t的选择。快熔弧前I2T为1.71×106A2s，熔断I2T为4.77×106A2s，本项目励磁变压器二次侧电压为860 V。

再根据图3，修正系数k为0.5，进行修正燃弧I2T值，燃弧I2T值为熔断I2T值与弧前I2T值的差。

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

经查5STP28L4200晶闸管手册，I2t值为14.58×106A2S。

快熔的I2t值远小于晶闸管的I2t值。

5)电弧电压。根据测试报告，熔断器的电弧电压为2.9 kV，本项目整流元件所能承受的正、反向电压为4.2 kV，满足要求。

5 结 语

大功率整流装置是励磁系统最重要组成部分，快速熔断器是励磁整流装置的主要保护元件，大功率整流(高电压和大电流)的趋势对整流器的安全保护提出了更高的要求，因此，合理选择快速熔断器，对确保励磁系统短路保护安全可靠至关重要。