万能式断路器TANW1(DW45)在新能源领域中的可靠性
2018-06-21应用探索
应用探索
【摘 要】论文介绍了在新能源领域中,TANW1(DW45)万能式断路器在美式箱变运行中可能存在的主要问题、产生原因及主要应对技术措施,以保证万能式断路器在新能源领域的安全可靠运行。
【Abstract】This paper introduces the main problems, causes and main technical measures of TANW1 (DW45) universal circuit breaker in the new energy field, and ensures the safe and reliable operation of the universal circuit breaker in the new energy field.
【关键词】新能源领域;万能式断路器;质量隐患;技术措施
【Keywords】new energy field; universal circuit breaker; quality hidden danger; technical measures
【中图分类号】TM56 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069(2018)04-0187-03
1 引言
宁波天安(集团)股份有限公司是新能源箱式变电站市场占有率比较大的企业之一,TANW1(DW45)万能式断路器是上海电科所吸收国内外先进技术开发的,经过长期的运行和试验证明万能式断路器本身不存在设计缺陷。多年运行结果也表明,在普通配电系统中,TANW1万能式断路器能安全正常运行,质量呈稳定状态。但TANW1万能式断路器配在新能源(光伏、风电系统)的美式、欧式箱变中,由于环境的特殊性,已出现了多次质量事故,表现为动静触头、软连接,抽屉式断路器的桥形触头变色及烧坏等质量事故现象。
2 万能式断路器应用于新能源中存在的问题、原因、危害及应对措施
2.1 存在的主要问题
万能式断路器改进以前,从常规配电的角度看,使用在新能源的万能式断路器的设计、使用安全裕度都是比较大的,不会发生质量问题;但在新能源领域中断路器会发生动静触头接触部分异常,断路器动触头的软连接有发热变色现象,抽屉式断路器的桥形触头发生发热变色或烧坏现象,绝缘件烧坏等质量现象,具体见下表1。
使断路器发生不正常的分断(图1-图6)。
2.2 原因分析
2.2.1电能质量
由于大容量电力和用电整流或交直流换流设备,以及其他非线性负荷,使线路中产生可以分解为基波和一系列谐波电流分量的畸变电流,这些大量存在的不稳定的高次谐波(非正弦周期信号按傅里叶级数展开为原信号频率(50Hz)、两倍及以上的正弦分量),使新能源系统的电磁场环境十分恶劣,严重影响元器件的正常运行。
高次谐波引起集肤效应(又叫趋肤效应,是电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时,会聚集于总导体表层,而非平均分布于整个导体的截面积中)。当导线流过交变电流时,根据楞次定律会在导线内部产生涡流,与导线中心电流方向相反,由于导线中心较导线表面的磁链大,在导线中心处产生的电动势就比在导线表面附近处产生的电动势大。这样作用的结果使电流在表面流动,中心则无电流;频率较高的电子在导体中传导时,会聚集于总导体表层,而非平均分布于整个导体的截面积中,这样就相对减少了有效导电面积,以常规的配电系统来设计,会存在质量隐患。
2.2.2 断路器使用温度、海拔超过正常的使用范围
断路器实际使用环境温度较高,有的达到70℃。在温度变化范围不大时,铜在不同温度下的电阻率计算公式是 ρ=ρ0(1+αt), ρ0为0℃铜的电阻率:1.69*10^(-8)Ωm, α为铜的平均温度系数:3.9*10^(-3) , t为温度。若变压器内的温度升到60℃(实际情况可能还要大),电阻率从0℃铜的电阻率:1.69*10^(-8)Ωm 增大到1.69*10^(-8)*(1+3.9*10^(-3)*60 )=2.085*10^(-8)Ωm,即增加了23.37%。所以随着环境温度的提高,整个回路的电阻将增大,温升会超标。
铜在不同温度时的电阻率数据:
2.2.3 环境原因
低压ACB断路器生产合格后至箱式变电站投入使用,至少有好几个月间隔时间,在这期间,由于气候变化,特别是温度变化,会引起凝露,导致动静触头氧化,接触电阻增大,引起温升增大风险;同时在正常运行后,箱变内有时会满负荷发电,有时负荷为0,如光伏,白天发电,晚上休息,昼夜温差大,箱变内极易形成较大的凝露,存在严重的质量隐患。
2.2.4 断路器的设计适用性
TANW1万能式断路器原使用范围为配电系统,在配电系统中能安全运行。但在新能源系统中,如2000A殼架电流的弹簧合闸力为47.2N,3200A壳架电流的弹簧合闸力仅为40.5N(从目前了解情况看,其他企业也存在该种现象),由于有些光伏场、风电场存在不同的高次谐波、电源波形畸变大、脉冲电流、各种电磁波,在系统中会产生过电压、过电动力,且比常规配电项目发热量大,在新能源系统中,这种设计参数不能完全满足使用要求,易引起质量事故。
2.2.5 设计降容系数不够
从配电角度看,有一定的设计裕度就能满足安全可靠的运行,但在箱变新能源领域中,必须要有足够大的设计裕度,否则易产生质量问题。如变压器额定电流仅920A,采用常规的额定电流为1600A的万能式断路器还可能引起质量问题。
2.3 易产生的危害
谐波电流、谐波电压增加,其危害波及全网,对各种电气设备都有不同程度的影响和危害。由于谐波电流使开关设备在启动瞬间产生很高的电流变化率,使暂态恢复峰值电压增大,破坏绝缘,还会引起断路器误动作,导致意外跳闸; 谐波可引起系统的电感、电容发生谐振,使谐波放大,当谐波引起系统谐振时,谐波电压升高,谐波电流增大,引起保护及安全自动装置误动,损坏系统设备。
正如前面介绍的断路器存在的主要问题,在新能源领域中,常规万能式断路器易产生严重的质量问题,影响设备的安全运行和正常的发电量。
2.4 采取的主要应对措施
第一,改进断路器的主要技术措施。增加万能式断路器内导电回路薄弱环节的截面,对TANW1-2000系列断路器,当实际长延时整定电流为1000A及以上时,内部每根软连接从20mm2加大到30mm2,保证在2000A电流时,电流密度从2000A/(20mm2*10)=10A/mm2降到2000A/(30mm2*10)=6.67A/mm2; 對TANW1-3200系列断路器,当实际长延时整定电流为2500A及以上时,内部每根软连接从30mm2加大到35mm2。保证在3200A电流时,电流密度从3200A/(30mm2*14)=7.62A/mm2降到3200A/(35mm2*14)=6.53A/mm2,以保证导电回路有足够的导通能力。
增加动静触头系统的弹簧力,对TANW1-2000系列断路器,动静触头间最终总接触压力增大约3 %;对TANW1-3200系列断路器,动静触头间最终总接触压力增大约10%;保证足够的接触压力,同时在分合闸操作时,有利于动静触头间氧化层的破坏,减少回路的接触电阻,减少发热量。
所有抽屉式断路器的桥型触头的触头弹簧采用优质、有一定规模的弹簧专业企业生产,以便保证弹簧的制造质量。
加强关键零部件的进货质量控制,保证导电回路、操作结构的质量可靠性。
第二, 万能式断路器的选用。在新能源箱变的断路器选型时,设计应考虑一定的降容系数(可参考下表),如在万能式断路器周围温度达40℃以上时,可参考温度每升高5℃,应降容至少0.5In左右。
海拔增加对温升的影响不大,温升递增率为海拔每升高100m,温升增加为0.1~0.5℃,但大多数产品均小于0.4℃;而高海拔气温随海拔增加而降低,其递减率为海拔每升高100m,气温降低0.5℃;
第三,外接铜排要考虑降容系数,根据使用环境及用电情况,适当加大外接铜母排的截面,同时保证连接母排的接触面积和足够的接触压力。
第四,加入抑制谐波的元器件,如装设由电容、电感及电阻组成的单调谐滤波器和高通滤波器。
第五,运行、维护。放置时间较长的断路器,在投入运行前进行回路电阻的检测,保证满足合理要求的回路电阻,否则应用百洁布对动、静触头进行清擦,再用纱布沾酒精擦干净,保证动、静触头的良好接触,减小接触电阻、减轻触头发热,保证断路器的正常运行。
用户应对新能源中使用的断路器加强定期/不定期的巡检,特别是温升检测,及时发现质量隐患。建议用户对万能式断路器进行必要的维护保养,具体做法是:若断路器故障分断次数超过3次(含3次),或在负荷较大时,在设备正常运行时,用红外线测温仪测量断路器外接铜排温度,当温升超过60K时,建议停机,先采用百洁布对动、静触头进行清擦,再用纱布沾酒精擦干净,保证动、静触头之间的良好接触,以减小接触电阻,减轻触头发热,利于断路器的正常运行。
3 结语
改进完善的万能式断路器经过温升、机械特性、机械寿命等对比试验及在长沙花明楼风电、天津鑫达光伏多年运行证明,以上的探索能保证断路器及箱变的安全运行,对此,还需要进一步加强研究,以提高万能式断路器在新能源领域的安全可靠运行。