高压开关柜动热稳定试验方法的研究

2021-07-17尹奎龙任社宜

通信电源技术 2021年6期

尹奎龙，任炜，任社宜，王磊

（1.国网山东省电力公司物资公司，山东济南 250001；2.苏州工业园区海沃科技有限公司，江苏苏州 215000）

0 引言

电流通过能力是开关设备的基本性能之一，通常由设备的额定电流、额定短时耐受电流以及额定峰值耐受电流3个参数来进行衡量[1]。

额定短时耐受电流又称为额定热稳定电流，是指在规定的使用条件下，开关设备和控制设备在合闸位置能够承受的电流有效值[2]。当电力系统发生短路故障时，并非所有的开关设备都要同时进行动作，只有靠近短路故障点的开关设备开断动作，其他设备仍处于闭合状态。考虑到相关设备继电保护动作之间的配合，要求开关设备在规定的额定短路持续时间内要持续承受很大的短路电流，同时不发生异常现象。额定短时耐受电流试验是对触头的材料、接触面的优劣以及结构机械强度性能的综合考量[3]。若触头材料的选用或相关结构设计不合理，温升过高或瞬时触头分离引发的电弧会导致接触面劣化而熔焊，造成开关设备开断失败，导致电力系统故障进一步蔓延。额定峰值耐受电流也被称为额定动稳定电流，是指在规定的条件下开关设备和控制设备在合闸位置能够承载的额定短时耐受电流第一个大半波的电流峰值[4]。额定峰值耐受电流等于额定短路关合电流，一般为其额定短时耐受电流的2.5倍。

优良的动热稳定性能是保证电力设备安全可靠运行的基础[5]。开展开关柜动热稳定性试验抽检工作能够有效检验相应设备的动热稳定性能，保障设备和电力系统的安全稳定运行。目前常用的电源系统都存在着试验装置要求高、投资规模大、占地面积大以及建设审批难度大等问题，试验开展难度较大。而储能式智能电源系统能够有效规避上述难点，利用长时储能和短时释放的原理开展对开关设备的大容量试验。

1 动热稳定性试验标准及相关要求

开关柜动热稳定性试验的主要标准为《3.6 kV～40.5 kV交流金属封闭开关设备和控制设备》（GB3906-2006）和《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》（GB/T11022-2011）。上述两项标准规定了开关柜动热稳定性试验中开关设备的布置、控制设备的布置、试验回路的布置、试验电流和持续时间、试验过程中设备的表现以及试验后设备的状态等内容，主要试验原则及技术要求共有6点。一是金属封闭开关设备和控制设备的额定短时耐受电流和峰值耐受电流试验包括主回路试验和接地回路试验两部分。二是被试设备的布置应能获得最严酷的条件，应安装在自身的支架或等效支架上，并且装上自身的操动机构。三是每次试验前，机械开关装置要做一次空载操作，除接地开关外还要测量主回路接地电阻。四是试验电流的交流分量原则上应该等于开关设备和控制设备的额定短时耐受电流的交流分量。峰值电流应该不小于额定峰值耐受电流，未经制造厂同意不应超过该值的5%。五是所有的开关设备和控制设备应该能承载额定峰值耐受电流及其额定短时耐受电流，不得引起任何部件的机械损伤或触头分离。六是试验后开关设备和控制设备不应该有明显的损坏，应该能正常操作，连续承载其额定电流而不超过规定的温升限值，并在绝缘试验时能承受规定的电压。

2 开关柜动热稳定性试验装置及回路

开关柜短时耐受电流及峰值耐受电流试验对试验电源的容量要求较高，要在试品回路持续流过几秒钟高达几十千安的大电流。利用储能式智能电源的短时大容量输出能力，并配以高变比试验变压器，满足开关柜短时耐受电流和峰值耐受电流试验的要求。试验接线示意图如图1所示。

图1 开关柜短时耐受电流和峰值耐受电流试验接线示意图

储能式智能电源的功率单元模块由工频380 V电源充电，待充电完成后（约2 min）与市电切断。进行短时耐受电流和峰值耐受电流试验时，储存在功率单元模块上的电能经逆变器变换输出至特种中间变压器（高变比试验变压器），中间变压器将智能电源的高电压小电流输出转换为低电压大电流输出，从而满足相关国家标准中对开关柜动热稳定性试验中试验电流的各项要求。图2为配套的特种中间试验变压器，其实现了将储能式智能电源的高压输出转换为动热稳定性试验所需要的大电流输入。

图2 配套的特种中间试验变压器

特种中间试验变压器的主要性能指标如表1所示。

表1 特种中间试验变压器的主要性能指标

3 开关柜动热稳定性试验方案及实施

基于所设计的开关柜动热稳定性试验装置及回路，开展10 kV开关柜短时耐受电流和峰值耐受电流试验，采集试验过程中相应设备输出的电流信号和电压信号，并按照标准要求对试验结果进行分析。

3.1 试品的主要参数

先后对真空断路器和开关柜等不同开关设备进行短时耐受电流和峰值耐受电流试验，以充分验证试验技术方案的可行性和普适性。被试真空断路器为某公司生产的单相真空断路器，该产品运行至今，未出现过重大事故，运行情况状态良好，各项出厂试验和例行试验指标均处于正常水平。被测试的真空断路器主要性能参数如表2所示。

表2 真空断路器的主要性能参数

被试开关柜为某公司生产的10 kV金属铠装抽出式金属开关设备，该产品运行至今，未经历过重大事故，运行状态良好，各项出厂试验和例行试验指标均处于正常水平。被试开关柜外形如图3所示。

图3 被试开关柜外形图

被试开关柜内配置的断路器为某公司生产的户内高压真空断路器，断路器采用弹簧操动机构，操动机构与本体一体化设计。图4为真空断路器结构示意图。

图4 真空断路器结构示意图

真空断路器的主要性能参数如表3所示。

表3 真空断路器的主要性能参数

本文重点对被试开关柜主回路部分的动热稳定性能进行考核，试验开始前测量开关柜内主回路的回路电阻，并进行空载分合操作3次。

3.2 动热稳定性试验的实施

3.2.1 真空断路器动热稳定性试验

正式试验前开展预实验，调节试验回路及储能式智能电源参数，使得正式试验时输出电流能够满足要求。图5为试验过程中采集到的真空开关试验电流波形图。

图5 真空断路器动热稳定性试验电流波形

从图5可以看出，试验电流最大值为37.5 kA，与理论标称值偏差0.8%。交流分量有效值为20.5 kA，与理论标称值偏差2.5%，持续时间为4 s。满足国家标准对试验电流和持续时间的要求。

试验结束后，立即对真空断路器进行分合闸操作3次，测量回路电阻并检查设备运行状态。表4为真空断路器短时耐受电流和峰值耐受电流试验的试验内容及结果。

表4 真空断路器动热稳定性试验试验内容及结果

试验后，联接点无熔焊、自动弹开或不允许的位移，机械部件或绝缘件无损伤，开关设备正常分合闸操作3次，试验前后A相回路电阻由57.6 mW增到61.1 mW，试验内容符合相关标准要求，被试真空断路器的短时耐受电流和峰值耐受电流试验结果满足相关规定。

3.2.2 12 kV开关柜动热稳定性试验

正式试验前进行预实验，调节试验回路及储能式智能电源参数，使得正式试验时输出电流能够满足要求。试验过程中采集到的开关柜主回路试验电流波形如图6所示。

图6 开关柜动热稳定性试验电流波形

从图6可以看出，试验电流最大值为80.2 kA，交流分量有效值为32.3 kA，持续时间为2 s，满足国家标准对试验电流和持续时间的要求，证明了本项目提出的基于储能式智能电源的开关设备动热稳定性试验方案具有一定的可行性和有效性，能够开展开关柜动热稳定性试验。

表5所示为开关柜短时耐受电流和峰值耐受电流试验的试验内容及结果。

表5 开关柜短时耐受电流和峰值耐受电流试验的试验内容及结果

试验后，联接点无熔焊、自动弹开或不允许的位移，机械部件或绝缘件无损伤，真空断路器未正常分闸，机构出现卡涩，试验前后B相回路电阻由65.7mW增到68.4mW，C相回路电阻由67.4 mW增加到82.4 mW。试验内容符合相关标准要求，但试验后C相回路电阻数值较试验前增加20.5%，超出标准要求值（20%）。

为了进一步确认开关柜试验后的性能，立即对开关柜内的开关设备进行分合闸操作，发现开关无法分闸，检查开关柜的状态，发现操作机构卡涩，组件出现位移。根据相关标准要求，该被试开关柜未能通过短时耐受电流和峰值耐受电流试验。