1    交流熔断器的分类

1．  1    分类

在 3 ～ 35 kV 的电站和变电所常用的高压熔断器

有两大类： ① 高压限流熔断器， 其设备最高电压能达 40. 5 kV，  主要用于保护电力线路、  电力变压器和电力电容器、 电压互感器等电力设备的过载和短路；

② 高压非限流熔断器， 它是一种电流过零的开断装置， 此类熔断器在熔体熔断产生电弧时， 需要等待电流过零时才能开断电路， 无限流作用， 如： 羊角开弧式熔断器、 液体熔断器、 喷射式熔断器。 我国生产的非限流熔断器， 一般均属于喷射跌落式熔断器。

根据保护范围又分为： ① 后备熔断器， 在规定的使用和性能条件下， 能开断从额定最大开断电流到额定最小开断电流的所有电流的熔断器； ② 通用熔断器， 在规定的使用和性能条件下， 能开断从额定最大开断电流一直到能使熔体在 1 h 或更长时间内熔化的所有电流的熔断器； ③ 全范围熔断器， 在规定的使用和性能条件下， 能开断从熔体最小熔化电流到其额定最大开断电流的所有电流的熔断器。 各类熔断器的保护范围见图 1。

根据保护对象分为： ① 保护变压器用T 型； ② 保

护电机用 M 型； ③ 保护电压互感器用 P 型； ④ 保护电容器用 C 型； ⑤ 保护对象不指定用 G 型 （ 除 T、

M、 P、 C 型以外的保护对象）。

1．  2    特点

a.        分断能力高。 产品额定开断电流为40 ～ 50 kA。

b.        功率损耗小。 保证产品有较低的温升， 当熔断器用于全封闭的绝缘装置中时， 该特点更为有利。

作者信息

杨成德， 男， 同济大学建筑设计研究院 （集团） 深圳分院， 高级工程师， 国家注册电气工程师， 院副总工程师。黄 丽， 女， 海军 92323 部队， 工程师。

注：  In—— 额定电流；  Immc—— 最小熔化电流；  I_1h——1 h

熔化电流；  Ik—— 最大开断电流；  Imbc—— 最小开断电流。

c.       电弧电压低。 在分断过程中， 电弧电压较低， 当用于低于系统标称电压时， 电弧电压将进一步减小。

d.       特性曲线误差小。 时间－ 电流特性曲线误差小于 10 ％， 保证了产品的可靠性。

e.       规格标准化。 产品额定参数符合国际电工委员会  （IEC）  标准  （R10 及 R20 系列）。

f.        有两种接线形式： 母线式， 插入式。 母线式可以直接用螺钉紧固在母线排上， 具有安装体积小， 接触可靠等优点； 插入式则便于更换， 可带电操作。

g.       可配撞击器。 与熔体并联的钨丝能在电弧刚刚开始的千分之几秒时间内熔化， 引爆火药装置。 由微量火药操纵的撞针立即动作， 并以足够的能量给出信号， 或使其他电器动作， 或提供联锁。

2   保护变压器的高压交流熔断器的选择

2．  1    熔断器须满足的要求

a.        能耐受变压器合闸时产生的励磁涌流峰值。当变压器的励磁涌流峰值 （ Is ） 通过高压交流熔断器时， 其产生的热效应一般按照通过 10 ～ 20 倍变压器

额定负载电流持续 0. 1 s 时间来计算， 通常取 12 倍的

变压器一次侧额定电流  （I_n），  即：

Is ≥ 12 I_n                                                                       （1）

额定电流不应小于 1. 3 倍变压器额定电流， 以避免其装入开关柜后温度升高引起的降容影响。 一般情况

下， 熔断器额定电流 I_fn 选择范围：

1. 3 I_n ≤ I_fn ≤1. 5 I_n                                                    （2）

同时熔断器应能耐受可能引起的过负荷电流， 设变压器分接开关按- 5 % 分接抽头计算， 变压器过负荷

150 %， 则变压器高压侧过负荷电流 I_f 可由下式确定：

I_f = I_n × 150 % × 105 %

= 1. 575 I_n                                                                 （3）

过负荷情况下熔断器额定电流 I_{f n} 选择范围：

1.   3 I_f ≤ I_fn ≤ 1. 5 I_f

即：

2 I_n ≤ I_fn ≤ 2. 36 I_n                                                     （4）

综合式 （ 2）、 （ 4）， 以及熔断器生产厂家的实验， 熔断器额定电流 I_{f n} 选择范围：

1. 3 I_n ≤ I_fn ≤ 3 I_n                                                         （5）

根据公式 （1） ～ （5） 计算结果初步选取的 I_fn 如表 1 所示。

c.       能分断变压器二次侧出口的短路电流， 并应与低压侧的熔断器或断路器选择性配合。 变压器二次侧直接短路时， 一次侧最大故障电流：

I_sc = S_n / （ 姨 3 U_n × U_d）                                                  （6）

式中：  U_d—— 变压器阻抗电压。

为可靠切除短路故障， 故障电流 I_sc 应不小于熔断器的最小开断电流 I_mbc，  即：

Isc ≥ Imbc

d.       应能可靠躲过变压器低压侧电动机的成组自启动。

2．  2    熔断器的选择

在工程设计中， 可按以下步骤选择熔断器：

a.       先按公式 （5） 选择熔断器额定电流。 如果安

I_n = S_n / （ 姨 3 U_n ）

装和运行条件不明确， 则可按 1. 5 I_n 来选择。

式中：  I_n——— 变压器一次侧额定电流，  A；

S_n—— 变压器额定容量，  kVA；

U_n—— 系统标称电压，  kV。

b.        能耐受正常负荷电流和可能引起的过负荷电流。 在正常环境温度 （不超过 40 ℃） 下， 熔断器的

b.        再按公式 （6） 校验熔断器的额定电流。 如果所选熔断器不满足要求， 可选高一档额定电流的熔断器， 并重新校验。

c.       校验与低压侧断路器短路短延时特性是否配合。

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表 1   熔断器选择表

Tab. 1    Selection table of fuse

3   熔断器在预装式变电站中的应用

预装式变电站是一种把高压开关设备、 配电变压器和低压配电装置按一定主接线方案排布成一体的紧凑式成套变配电设备。 均采用限流熔断器保护变压器。 组合式变压器是将变压器器身、 高压负荷开关、熔断器及高低压连线置于一个共同的封闭油箱内。 变压器结构形式有三相三柱、 三相四柱和三相五柱结构， 采用 D， yn11 或 Y， yn0 联结。 熔断器联结分为在变压器一次侧绕组外部和在一次侧绕组内部两种形式， 三相三柱、 三相四柱变压器的熔断器联结在一次侧绕组外部， 三相五柱式 D， yn11变压器有些采用了将熔断器连接在一次侧绕组内部的方法。

组合式变压器采用两组熔断器串联进行全范围保护， 一组是插入式熔断器， 另一组是后备保护熔断器。 这两组熔断器均是油浸式的， 安装在变压器油箱内， 操作简便。 插入式熔断器为双敏 （温度、 电流） 熔断器， 在变压器低压侧发生短路故障、 过负荷及油温过高时熔断。 当插入式双敏熔断器熔断后， 可以在现场方便地更换熔丝。 插入式熔断器是喷射式熔断器， 开断电流小 （一般为 2 500 A）， 但足以开断变压器低压侧的短路电流。 在运行中， 频繁发生的故障是变压器低压侧短路， 由于变压器短路阻抗的原因， 短路电流被大大限制， 反映到高压侧的过电流往往不超过 1 000 A。 因此， 采用插入熔断器保护具有有效、

更换方便和成本低等优点。      后备保护熔断器是限流熔

断器，  其开断电流大  （31. 5 ～ 50 kA），  具有速断功能， 可在 10 ms 之内切除故障， 再加上其限流作用， 可以有效地保护变压器。 后备保护熔断器用以断开变

压器内部短路电流， 主要是在高压侧绕组发生短路故障时保护变压器。 变压器内部短路时， 短路电流将会

很大，  一般为 2 ～ 10 kA，  在此电流下限流熔断器可

以在 10 ms 内迅速切断故障， 将故障变压器与电网系统隔离。 限流熔断器的保护范围为最小开断电流 （通

常为熔断器额定电流的 2 ～ 3 倍） 到最大开断电流之

间。 插入式熔断器与后备保护熔断器的配合如图 2 所示。 选取熔断器的原则是： 低压侧短路时， 高压侧最大通过电流小于图 2 中两条熔断器曲线的交叉点电流

ICROSS，  就能保证两个熔断器有选择地分断。

4   负荷开关 - 熔断器组合电器

负荷开关 - 熔断器是一种组合电器， 它包括一组三极负荷开关及配有撞击器的三只熔断器， 任何一个撞击器的动作都会引起负荷开关三极全部自动分闸。

负荷开关 - 熔断器组合电器与断路器相比具有结构简单、 操作维护方便、 造价低、 运行可靠等优点。 目前在 10 kV 美式箱变、 35 kV 风力发电场以及 10 kV 环网柜的保护控制开关的选用中， 得到了广泛应用。

在实际应用中， 如何正确选用负荷开关 - 熔断器， 如何合理选配转移电流， 以及 10 kV 电缆的热稳定校验， 是关系到能否发挥组合电器作用， 保证系统安全运行的关键问题。

4．  1    负荷开关的开断能力与转移电流

由于组合电器的三相熔断器熔体熔化具有时间差， 当发生三相短路或过载时， 三相熔断器中熔化最

快的一相首先断开后， 撞击器动作，  此时可能出现另两相熔断器尚未熄弧开断，   剩余两相的短路电流降低至 87 %， 而形成由负荷开关分断另外两相故障电流的现象，  即原本由熔断器承担的分断任务转移给负荷开关承担。  因此转移电流是指熔断器与负荷开关转换职能时的三相对称电流。 低于该值时， 首开相短路电流由熔断器分断，  其他两相短路电流由负荷开关分断。 大于该值时， 三相电流仅由熔断器分断， 但转移电流必须小于高压负荷开关的额定分断电流，  才能保证安全分断。  转移电流是选用组合电器时应注意的一个重要指标， 如选用不当，  负荷开关的分断能力小于转移电流，  将无力承担分断两相短路电流的任务而引起开关爆炸。

4．  2    应用时间 - 电流曲线合理选择熔断器

为了安全可靠地控制转移电流， 对熔断器额定电流的合理选择及其时间 - 电流曲线分散性的正确掌握显得尤为重要。

根据 GB 16926 - 2009 《高压交流负荷开关 - 熔断器组合电器》 附录 B. 3 给出的确定转移电流的简化方法， 转移电流可以确定为： “熔断器的最小时间

- 电流特性上弧前时间等于 0. 9 T0 时的电流值。”

短路试验结果表明， 当变压器内部发生故障时， 为避免油箱爆炸， 必须在 20 ms 内切除短路故障， 限流熔断器可在 10 ms 内切除短路故障， 而断路器一般需要三个周波 （60 ms） 切除短路故障。 负荷开关分闸时间为 T0 = 50 ms （T0 为熔断器触发的负荷开关分闸时间）， 即熔断器熔断并撞击脱扣器使负荷开关分闸的时间。

参考施耐德 《SM6 中压开关柜》 产品样本第

46 页中熔断器的时间-电流曲线 （见图 3）， 在纵坐标中以 t = 0. 9 T0 作一水平线分别求出熔断器各规格曲

线的电流值， 即为负荷开关的转移电流 （ I z ） 值。

根据公式 （6） 计算的短路电流 I_sc 及根据图 3

实际测量的转移电流 Iz 数据如表 2 所示。由表 2 可以看出：

a.        变压器容量在 400 kVA （配用 630 A 的负荷

开关） 及以下时， 变压器可能产生的最大短路电流值均小于负荷开关的额定开断电流值， 转移电流小于负荷开关额定开断电流。 此时配用 630 A 的负荷开关是满足技术条件的。

b.        变压器容量超过 400 kVA 时， 短路电流大于630 A，  熔断器首开相形成后，  将产生转移电流，  负荷开关两相开断的转移电流超过负荷开关的额定开断电流 （若此时仍配用 630 A 的负荷开关）， 这就要求进行负荷开关设计时， 不应拘泥于额定开断电流为630 A，  而应考虑熔断器开断时可能产生的并且要求负荷开关能够顺利开断的转移电流值， 此意义上的负荷开关不再是传统意义上的负荷开关 （额定开断电流为 630 A）。

c.        施耐德 《SM6 中压开关柜》 产品样本中提供

SM6 中压开关柜的额定转移电流为 1 750 A / 12 kV，在变压器容量达到 1 600 kVA 时， 其实际转移电流达到 3 430 A，  远大于其额定转移电流 1 750 A，  负荷开关在此种情况下无法安全地切断短路电流， 极易引起更大的短路故障。 因此该样本虽有 1 600 kVA 变压器配套熔断器的选型， 但在设计选择时是不能选用负荷开关 + 熔断器的保护方式， 只能采用隔离开关 + 断路器的保护方式。

d.        在变压器容量达到 1 250 kVA 时， 其实际转移电流达到 1 720 A （ 此数据为手画时间 - 电流曲线测量得到的数据， 有一定的误差）， 基本接近额定转移电流 1 750 A，  如果选用负荷开关 + 熔断器的保护方式是存在一定风险的。 笔者多次向厂家咨询有关各种熔断器的实际转移电流， 几乎所有厂家都未提供此真实数据。 因此 1 250 kVA 及以上变压器选择保护方式时， 不宜采用负荷开关 + 熔断器的保护方式， 宜采用隔离开关 + 断路器的保护方式。

e.        经咨询厂家和查阅产品样本： 施耐德 SM6 中压开关柜的额定转移电流为1 750A / 12 kV；  ABB 的SF6气体绝缘环网柜额定转移电流为1 750 A / 12 kV；  西门子

SIMOSEC 型环网柜额定转移电流为 1 150 A / 12 kV；

AREVA 的FBX 环网柜额定转移电流为 2 000 A / 12 kV。在工程设计时， 一定要根据其额定转移电流和熔断器的时间 - 电流曲线来校验各种参数， 以正确选择保护方式， 切莫只凭电气厂家样本参数和介绍而使设计出现疏漏。

4．  3    工程设计实例及校验

深圳某产业园基地，  变压器装机容量为7 300 kVA，设置 2 个变配电室。  1^# 变配电室设置 2 台 1 250 kVA，初步选用 SM6 环网柜， 采用负荷开关 + 熔断器的保护

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表 2   短路电流和转移电流

Tab. 2 Short- circuit current and transfer current

方式； 2 # 变配电室设置 3 台 1 600 kVA 变压器， 选用

SM6 柜， 采用隔离开关 + 断路器的保护方式。 自附近的 10 kV 开闭所引 2 路环网电源， 1^#、 2^{# 变配电室各引入一路 10 kV 环网电源。 在此仅分析 1# 变配电室的高压系统保护， 见图 4。}

1^# 变配电室采用2 台SCR10-1 250 kVA-10 / 0. 4kV干式变压器， 联结组别为D， yn11， U_k = 6 %， 变压器所在高压配电系统最大故障电流为 31. 5 kA，  变压器

周围环境温度 40 ℃。 假定变压器分接开关按 - 5 %

分接头， 过负荷按 1. 5 倍， 根据上述的公式（1） ～

（7）           

计算如下： ① 当变压器二次侧出口短路时， 其一次侧最大故障电流 I_sc = 1 805 A。 ② 变压器一次侧额定电流 I_n = 72 A， 过负荷电流 I_f = 113. 72 A。 ③ 变压器励磁涌流 I_s = 1 092 A。

根据计算结果初步选用 SM6 负荷开关柜， 采用

额定电流 630 A 的 SF6 负荷开关， 额定转移电流 I_ze = 1 750 A ， 额定电流 125 A 的 Fusarc CF 熔断器， 其最大开断电流 I_k = 40 kA， 最小开断电流 I_mbc = 650 A。

根据图 3 Fusarc CF 熔断器的时间 - 电流曲线

（12 kV）  以及表 2 的计算结果，  校验如下：

a.        因变压器二次侧出口短路时一次侧最大故障电流 I_sc = 1 805 A， 大于熔断器实际转移电流

I_z = 1 720 A， 此短路故障由三相熔断器快速开断， 不会产生转移电流， 校验符合设计要求。

b.        在 0. 1 s 时允许通过的电流 I_s = 1 765 A， 大于变压器励磁涌流 I_s = 1 092 A， 负荷开关 - 熔断器组合电器在经受励磁涌流时不会熔断和分闸， 校验符合

设计要求。

c.        因实际转移电流 I_z = 1 720 A （此数据为手画时间 - 电流曲线测量得到的数据， 有一定的误差） 接

5    10 kV 环网柜至变压器的电缆选择与校验

对于 10 kV 负荷开关柜 （环网柜） 至变压器的电缆选择及校验， 很多设计人员存在疑惑， 使电缆的设计与选择存在缺陷， 造成不应有的浪费， 在此作以下探讨。

负荷开关柜 （环网柜） 动热稳定承受能力， 在IEC  60694 中规定额定短路持续时间的标准值为1 s， 推荐值为 0. 5 s、 2 s 和 3 s。  在 GB 3804 - 2004

《3. 6 kV ～ 40. 5 kV高压交流负荷开关》 与GB / T 11022

- 1999 《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》 4. 7 条规定： “ 额定短路持续时间的标准值为 2 s。如果需要， 可以选取小于或大于 2 s 的值。 推荐值为0. 5 s， 1 s， 3 s 和 4 s。”

广东大部分地区 （ 如深圳、 中山等） 均采用热稳定电流 （ 有效值） ≥ 20 kA / 3 s； 一般动稳定电流取热稳定电流的 2. 5 倍， 即动稳定电流 （峰值）

≥ 50 kA。

10 kV 电缆应该承受在短路持续时间内短路电流的热效应而不致损坏， 即应进行热稳定校验， 应满足下式要求：

近额定转移电流 I_ze  （1 750 A），  如果选用负荷开关

S ≥ （ I_k / K ） 姨 t

（7）

+ 熔断器的保护方式存在一定风险， 因此本工程施工图设计时采用了隔离开关 + 断路器的保护方式。

式中：  S —— 10 kV 电缆截面，  mm2；

I_k—— 三相短路电流周期分量有效值，  kA；

t —— 短路电流持续时间，  s；

K —— 热稳定系数。

根据前面分析， 对 10 kV 负荷开关柜 （环网柜）， 当变压器二次侧出口短路时一次侧最大故障电流

I_sc ＞ 熔断器实际转移电流 I_z 时， 此短路故障由三相熔断器快速开断， 不会产生转移电流， 限流熔断器可在 10 ms 内切除短路故障， 故短路电流持续时间t = 0. 01 s； 当变压器二次侧出口短路时一次侧最大故

障电流 I_sc ＜ 熔断器实际转移电流 I_z 时， 首开相短路电流由熔断器开断， 其他两相短路电流由负荷开关开断， 熔断器熔断并撞击脱扣器使负荷开关分闸， 其分闸时间为 T0 = 50 ms，  因此其短路电流持续时间t = 0. 05 s， 10 kV 电缆选取交联聚乙烯绝缘电缆，  根据

《工业与民用配电设计手册》 表 5 - 9： K = 142。 根据公式 （7）， 则：

S ≥ （ I_k / K ） 姨 t

宜， 操作功率小的产品， 即能选用一般型则不用频繁型， 在一般型中， 能用产气式就尽可能不用压气式。6．  2          限流熔断器的选型

限流熔断器选型还要考虑以下 3 个问题：

a.        在环境温度为 40 ℃ 时， 熔断器的功率损失不得超过 75 W。

b.        对于多台变压器并列运行的系统， 在选用组合电器时要特别注意转移电流的校验， 在前述的校验计算中， 如果为两台同型号、 同容量的变压器并列运行， 假如变压器二次侧端子短路， 此时变压器阻抗将只有单台变压器的一半， 从而使一次侧最大三相短路电流增加一倍， 相应可能出现的转移电流也随之增加了一倍。 因此对于多台配电变压器并列运行的系统， 在选用组合电器时更应进行转移电流的校验， 从而选用转移电流指标满足要求的组合电器。

c.        有下列要求之一的， 组合电器均应配置分励脱扣器实现负荷开关的快速电动分闸： ① 需设置重

≥ （ 20 / 142 ）

≥ 31. 5 mm2

姨0. 05 × 103

瓦斯保护的油浸变压器。 一般情况下， 容量在 800 kVA 及以上的油浸变压器均须设置重瓦斯跳闸保护。 ② 干

一般选取 3 × 35 mm2 以上 （如 3 × 50 mm2） 的电缆即可满足热稳定校验，  当然还要根据敷设条件核验其允许载流量。

6    负荷开关和熔断器选型应注意的几个问题

6．  1    负荷开关的选型

负荷开关通常分为一般型和频繁型两种， 以空气为绝缘介质的产气式和压气式负荷开关为一般型， 以真空和 SF6 为绝缘介质的负荷开关为频繁型， 不同的负荷开关， 转移电流的指标各不相同， 一般型负荷开关的转移电流在 800 ～ 1 000 A 左右， 频繁型可达 1 500 ～ 3 150 A。

对于环网供电中配电变压器的容量为 315 ～ 630 kVA，  其转移电流一般不超过 800 A，  因此选用一般型产气式 （或压气式） 负荷开关 + 限流熔断器进行保护即可； 而在 800 ～ 1 000 kVA 容量范围内， 转移电流较大， 可选用频繁型真空式 （或 SF6） 负荷开关 + 限流熔断器进行保护。 我国目前制造的 10 kV 负荷开关主要是空气绝缘， 即产气式、 压气式和真空式， 在选用上应首先从满足配电网安全运行的角度出发， 在满足功能的条件下， 应尽量选择结构简单、 价格便

式变压器的超温跳闸保护。 ③ 带外壳干式变压器的误带电开门的跳闸保护。 ④ 具有远方操作控制要求的。6．  3       高压限流熔断器的安装与更换

a.        熔断器标准电压的选择。 更换或配置负荷开关的熔断器时， 对其标准电压的选择， 除需考虑熔断器绝缘承受的耐压程度外， 还需考虑不要产生过高的熔断过电压。 因为， 熔断器在通过短路电流时， 极陡的电流上升率和极高的电流密度在几毫秒内使熔体所有狭颈熔化和汽化， 短路电流因金属蒸气电阻大而被迫减小， d i / d t 增大， 线路中的电感就会产生一与电源同方向的感应电势共同作用于弧隙两端， 从而产生极高的过电压。 弧隙处的击穿电压越高， 过电压也就越高。 因此， 应注意选择的熔断器标准电压要等同于系统标准电压， 若高于系统标准电压则易产生较高的熔断过电压。

b.        熔断器额定电流的选择。 如选用的熔断器额定电流过大， 则不能对变压器提供快速可靠的保护； 若选小， 则后备式熔断器会因长期微过载而严重发热， 虽在此范围内并未熔断， 却会使整个熔断器室甚至整个柜体烧毁。 故务必严格按厂商表格选取， 散热条件极为不好时更应将熔体电流选大一级。