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
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]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。
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。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。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。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。
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。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。
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-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。
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。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， 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。
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)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°C ~85°C之间,平均油温75°C.
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，干筒绝缘材料与弓|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。
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。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。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。
实际运行时，油温在75°C或以上，圆干筒内的温度将达到100°C,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长期处于100°C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。严重时,造成熔断器带电端子对地击穿放电，发生爆熔故障。