滤波支路熔断器的设计与选择.pdf

第26卷 第4期2023年8月Vol.26 No.4Aug.2023山东电力高等专科学校学报Journal of Shandong Electric Power College滤波支路熔断器的设计与选择张鹏，张效铭（1.国电南瑞科技股份有限公司南京电气控制分公司，江苏南京211112；2.华北电力大学，河北保定071003）摘要：介绍了滤波器在电路中的作用及熔断器的基本原理，详细阐述了滤波支路熔断器的设计方法，包括滤波器参数的选择、熔断器额定电流的计算等。根据实际需求和电路的特点，提供了几种不同类型的熔断器选择方案，并对每种方案进行了分析比较，为有关人员提供实用的设计和选择参考，保证电路的稳定性和安全性。关键词：熔断器；一次回路保护；熔芯；滤波中图分类号：TM563文献标志码：B文章编号：2096-9104（2023）04-0021-04Design and Selection of Filter Branch FusesZHANG Peng，ZHANG Xiaoming（1.NARI Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211112，China；2.North China Electric Power University，Baoding 071003，China）Abstract：The functions of filters in circuits and the basic principles of fuses are introduced，and the design methods of filterbranch fuses，including the selection of filter parameters and the calculation of rated current of the fuse，are expounded.Differentfuse selection schemes are provided according to the actual requirements and the circuit characteristics，and each scheme is analyzed and compared，so as to provide practical design and selection reference for relevant personnel and ensure the stability andsafety of circuits.Keywords：fuse；primary circuit protection；fuse core；wave filtering0引言随着电子工业的迅猛发展，新型精密电子设备不断投入使用。与过去的设备相比，这些精密电子设备不仅对电能质量更加敏感，还容易造成正弦交流电的稳态波形畸变。引起稳态波形畸变的原因主要有两类：一是电力公司为改善功率因数大量使用电容设备；二是为提高系统的可靠性，电力电子变流器和精密电子设备被广泛应用1。文献 2 研究了谐波畸变对典型电力设备和负载的影响，将谐波畸变的影响分为三类：谐波会增加设备的损耗进而加剧热应力；谐波会使负载设备损坏；谐波会产生绝缘应力。因此，对有大量变频设备的电力系统必须考虑谐波消除问题。无源阻尼滤波器由于设计简单、效果显著，常被应用于变频器的电路中。无源滤波器一般由电容器、电抗器和电阻构成，用于调谐特定的谐波频率。但变频器滤波回路中长期工作的电阻器，在运行过程中发热比较严重，设计者往往会考虑将电阻成柜安装在变频柜外部，此时滤波回路的部分一次电缆会露在柜外，与一次电缆连接的滤波电阻存在相间短路的风险。如果发生相间短路，轻则会造成电路过流，损坏器件，重则可能引起火灾，造成事故。因此，在外部滤波回路里增加过流保护设备十分重要且必要，熔断器就是一种很好的选择3。本文考虑到变频器的滤波器在抑制谐波的同时存在滤波支路过流的风险，引入合适的熔断器来解决过流这类问题。1熔断器的组成及作用熔断器作为一种非常重要的过流保护设备，广泛应用于配电系统内，通常将其串联在电路中。熔收稿日期：2023-04-24作者简介：张鹏（1984），男，工程师，研究方向为电力系统产品硬件开发及控制工程。编辑部收稿邮箱：21山东电力高等专科学校学报第26卷 第4期Vol.26 No.4断器主要是由熔体、外壳和支座三部分组成。其中熔体是控制熔断特性的关键元件。熔体作为熔断器的工作主体，相当于串联在电路中的一段特殊导线。当电路发生短路或者过载时，电流增大，如果超过了其额定值，因为过热熔体会熔断，切断电路，从而保护电力系统中的各种电气设备。常见的熔体形状包括丝状、片状、栅状等。熔体材料一般采用纯铜片、铅锡合金、镀银铜片、铝、锌等金属，具有特性稳定、熔点低、易熔断等特点。熔断器一般有两个触头，用于连接熔体与电路，触头必须有良好的导电性，一般采用阻值较小的接触电阻来实现。熔断器应具有反时延特性。出现过载电流后，当电流较小时，熔断时间较长；当电流较大时，熔断时间迅速变短。因此，在一定的过载电流范围内，若电流过载后很快恢复正常，则熔断器不会熔断，仍然可以继续使用45。2低通滤波支路熔断器的选择当外部电阻箱发生相间短路时，低通滤波支路的熔断器可快速熔断以保护回路。隔离刀闸式熔断器具有安装维护方便、安全隔离度高的优点，适用于低通滤波支路。低通滤波支路接线图如图1所示，图中F为隔离刀闸式熔断器。图1低通滤波支路接线图2.1短路电流仿真波形低通滤波支路短路电流仿真波形如图2所示。由仿真波形可见，短路电流峰值约为6000 A，短路电流有效值约为4240 A。图2低通滤波支路短路电流仿真波形2.2熔芯选择滤波支路中电容的额定电流为90 A，而已有的隔离刀闸式熔断器箱为NH-LATR_00IN型，其适用于两种熔芯 NH00GG69V100 和 NH00GG69V125，额定电流分别为100 A和125 A。熔断器环境温度与修正系数的关系如图 3 所示。修正系数对稳态电流计算有重要意义。图3熔断器环境温度与修正系数的关系熔断器的额定电流由用电器的标称工作电流（正常工作时的稳态电流）、熔断器的工作环境温度系数及熔断器额定电流的安全系数决定，具体计算公式如下：If=InRr 75%（1）式中：If为理想熔断器的额定电流；In为用电器的稳态工作电流；Rr为环境温度修正系数；75%为经验值（一般对于具有持续性工作电流的用电器，选取的熔22断器电流值为其额定电流的75%）。支路电容的稳态工作电流为90 A，环境温度在80110 之间（熔断器箱温度累积），查图3可得，温度修正系数为86%92%，通过计算可得：If1=In/(Rr1 75%)=90/(0.92 0.75)=130（2）If2=In/(Rr2 75%)=90/(0.86 0.75)=140（3）从目前能与NH-LATR_00IN熔断器箱相匹配且额定电流大于140 A的熔芯中选择，可选额定电流为160 A的熔芯。不同电流下熔断器的熔断时间和熔断电流的特性曲线如图4所示。由图4可见，额定电流为160 A的熔芯，流过 500 A 电流时可维持 10 s 左右，流过300 A电流时可维持700 s左右，参数符合选型标准。图4不同电流下熔断器的熔断时间和熔断电流的特性曲线3高通滤波支路熔断器的选择在另一条高通滤波支路中，电阻箱采用三角形接法放在支路末端，如图5所示。考虑到外部电阻箱可能发生相间短路，对该支路也进行了短路仿真。3.1短路电流仿真波形高通滤波支路短路电流仿真波形如图6所示。由图6可见，该支路发生短路时，短路电流对电阻箱的影响不大，短路电流峰值约为60 A，短路电流有效值约为42A。图5高通滤波支路接线图图6高通滤波支路短路电流仿真波形3.2熔芯选择该支路选用的电容和电感的额定电流分别为38 A和40 A。如果选小电流熔断器US141底座，最大只能配25 A的熔芯，不能满足实际要求；而选择大电流熔断器底座NH-LATR_00IN，可选用熔芯电流范围为35100 A。支路的稳态工作电流选 30 A，环境温度在 6080 之间（熔断器箱温度累积），查图3可得，温度修正系数为91%95%，通过计算可得：If1=In/(Rr1 75%)=30/(0.95 0.75)=42（4）If2=In/(Rr2 75%)=30/(0.91 0.75)=44（5）目前能与NH-LATR_00IN熔断器箱相匹配且额张鹏，等：滤波支路熔断器的设计与选择23山东电力高等专科学校学报第26卷 第4期Vol.26 No.4定电流大于44 A的熔芯只有65 A、80 A和100 A三种型号。但这几种熔芯的额定电流和计算值相比都明显过大，都不能有效保护滤波支路中的电力设备。再从仿真结果来看，该支路发生相间短路时的电流与稳态工作电流之间的差值不大，即使安装了熔断器也很难起到保护作用，反而增加了不必要的维护成本。因此，从仿真结果和实际应用来看，遇到相间短路电流比较小的滤波支路，不适合装配熔断器。隔离刀闸式熔断器为电气回路增加了保障的同时也存在一定弊端，例如熔芯无法把故障节点反馈到控制后台，控制装置无法判别滤波回路的熔断器工作是否正常，只能通过其他故障检测手段或者定期检查熔芯的故障显示状态点才能判别，增加了维护工作量。4结语在变频器滤波支路中加装隔离刀闸式熔断器，当发生相间短路或过流时能切断电路，起到保护作用。这类安全器件安装方便，不需要添加额外的铜排，而且此类熔断器自带隔离外壳，能防止外部污染和人为误操作引发的安全事故。同时，熔断器内部的熔芯容易替换，并且带有机械故障状态显示，维护和检修方便，是一种理想的电气回路保护装置。参考文献1蔡春元，李昕锐，李红斌，等.10 kV高压电能计量装置电压互感器杂散电容对高压熔断器的影响研究 J.电测与仪表，2018，55（16）：13-18，46.2杨权，梁永昌，魏建荣，等.多谐波源下分布式电源并网逆变器的谐波抑制策略 J.电工技术学报，2023，38（11）：2908-2920.3 杨达亮，张轩，陈爽，等.电网电压畸变下的单相级联H桥变流器无锁相环控制 J.电网技术，2021，45（2）：751-757.4MUHAMMAD G A，JRN V，SHEN Y.An extreme gradient boosting aided fault diagnosis approach：a case study of fuse test benchJ.IEEE Transactions on Artificial Intelligence，2022,4(4)：661-668.5张学友，何山，王维庆，等.基于谐波提取技术的风电并网频率稳定研究 J.现代电子技术，2022，45（19）：161-165.发 展 绿 色 能 源保 护 碧 水 蓝 天24