开关设备快速温升试验方法研究*

戴建卓, 贾勇勇, 张思聪, 赵 恒, 宋思齐, 储昭杰

(国网江苏省电力有限公司 电力科学研究院, 江苏 南京 211103)

0 引 言

开关设备的质量对于保障电网安全、可靠运行十分重要。开关设备在运行时,流过开关设备的交变电流会在回路导体电阻、触头接触电阻等产生热损耗。同时,交变电流产生的交变磁场也会作用于主回路的铁磁物体和绝缘介质,产生铁损耗和介质损耗。上述损耗会导致开关设备的温度升高,严重时甚至导致设备损坏,危及电网供配电安全[1-3]。

温升试验是验证开关设备载流能力的重要试验,用于考核导电回路通以电流后的发热情况。当开关设备通过电流时,由于电阻损耗、涡流损耗和磁滞损耗,使电能转变为热能,其中一部分散失到周围介质中去,一部分使载流导体温度升高[4]。温度升高的多少由发热和散热两方面因素决定,当导体的发热和散热平衡时,导体温升将达到稳定值。大量事实证明,开关类设备温升试验全过程至少需要3 h,试验效率低下,因此缩短温升试验时间颇具工程实际意义。目前已有不少学者针对开关设备温升特性开展了研究,葛瀚明等[5]研究了不同情况小型断路器的温升情况,说明电流大小和触头接触压力对温升有一定影响;矫财东[6]通过试验研究了不同频率电流对开关设备温升情况的影响,说明电流频率与温升时间存在一定联系;屈建宇等[7]利用多物理场耦合方法建立断路器仿真模型,可准确预测电力设备的温升特性。

上述研究表明开关设备温升时间与电源电流幅值、频率有一定关系,但并未提出一种提高开关设备温升试验效率的可靠方法。本文提出了一种开关设备快速温升试验方法,并通过试验结果证明可有效提高温升试验效率,且保证试验结果的可靠性。

1 开关设备温升理论分析

开关设备的温升主要由导体回路的发热和散热情况决定。本文首先分析电流幅值、频率对导体发热的影响。接着,对试验中导体的散热情况进行分析。最后,综合导体的发热和散热情况分析导体的热稳定性。

1.1 开关设备的发热分析

开关设备额定工作状态下的发热主要为阻性损耗、磁滞损耗和涡流损耗,阻性损耗由设备导体回路本身的电阻热效应产生,磁滞损耗和涡流损耗则主要由设备中的铁磁部件产生[8]。

载流导体的阻性损耗为

(1)

(2)

式中:Pj,f——载流导体在频率f时的损耗功率;

kj——考虑交流趋肤效应的附加损耗系数;

ke——考虑邻近效应的附加损耗系数;

J——电流密度;

G——导体质量;

ρ——导体的电阻系数;

I——电流值;

S——导体截面积;

γ——导体材料密度。

铁磁零件的磁性损耗功率为

(3)

式中:Pmd,f——在频率f时零件单位重量的功率损耗;

B——磁感应强度;

σh、σf——不同材质的系数[9]。

由式(1)～式(3)可知,导体的阻性损耗与电流幅值I的2次方成正比,导体磁性损耗与电流频率f的1次方和2次方之和成正比。当电源电流频率一定时,电流幅值越高,导体损耗越大;当电流幅值一定时,电流频率越高,导体损耗越大[10-11]。

1.2 开关设备的散热分析

开关设备工作中除了由自身阻性和磁性损耗造成发热外,同时也伴随散热。热力学中物体的散热一般包括热传导、热对流和热辐射三种方式[12]。

(1)热传导:发生在固体、液体和气体中,是空间中分子热运动,由高温向低温区域转移的过程,所以温差的存在是热传导的必要条件。热传导过程为

(4)

式中:q——导体单位体积内的生成热;

λ——导热系数;

dQ/dX——导体单位长度内的温度变化。

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(2)热对流:空间中具有流动性的微粒传播热能的过程,表现为气体或液体分子由于温差作用而循环流动,从而使空间温度趋于均匀,通常热对流伴随着热传导同时发生。热对流的影响因素主要包括温差、导热系数、导热物体的厚度与截面积。热对流过程为

Q=αA0(T0-Tf)

(5)

式中:Q——热流量;

α——对流散热系数;

A0——对流散热面积;

T0——发热体温度;

Tf——周围空气温度。

(3)热辐射:有温度的物体辐射电磁波的现象,一切高于绝对零度的物体都具有热辐射现象,温度越高热辐射总能量越大,由于电磁波的传播无需任何介质,因此热辐射是真空中唯一的传热方式。热辐射过程为

(6)

式中:φ——热量;

由式(4)～式(6)可知,热传导与导体单位长度内的温度变化成正比,热对流与导体温度和周围空气温度之差成正比,热辐射与导体温度4次方和周围空气温度4次方之差成正比。当周围空气温度不变时,导体温度越高,其散热功率越大。

1.3 开关设备热稳定性分析

试验中的开关设备主要因损耗而发热,其温度升高后通过热辐射和热传导的方式向空气进行传热;开关设备周围的高温空气与远处的常温空气存在一定温差,因而发生热对流现象。由于发热功率不变,温度上升导致散热过程加剧,一段时间后发热和散热功率持平,设备温度逐渐保持稳定,达到热稳定状态。此时,开关设备温度与周围环境温度之差即为开关设备的稳定温升值。

2 快速温升试验方法

根据理论分析可知,增大试验电流的幅值和频率均可导致开关设备的发热增加,从而使其温度快速升高。为保证温升试验的可靠性,本节首先通过对开关设备的历史试验数据进行统计分析,得到其快速温升限值。然后,结合工程实际应用的可行性,提出一种快速温升试验方法。

2.1 快速温升限值

由开关设备温升理论分析可知,增大试验电流的幅值和频率将导致设备发热功率增大,若不及时将其降为额定值,可能导致开关设备的温升超过其额定电流下的稳定温升值,使设备性能受损。因此,需合理控制施加大电流的时间,设置快速温升限值,当设备温升达到该值时降低电流至额定值。

针对额定电流为400 A和630 A的两种断路器,对其历史温升试验的稳定温升值分别进行统计分析,发现两种断路器的稳定温升值均近似满足正态分布,其概率密度函数可以表示为

(7)

式中:x——稳定温升值变量;

μ——稳定温升值的均值;

σ——稳定温升值的标准差。

正态分布曲线任意两个定值间的概率,完全由其均值μ和方差σ决定,如μ-2σ～μ+2σ的概率为95.45%,也就是说x>(μ-2σ)的概率超过97%。

对于额定电流为400 A的断路器,其温升均值为36.65 K,标准差为8.28 K,其稳定温升值大于20 K的概率超过97%,因此考虑其快速温升限值为20 K。对于额定电流为630 A的断路器,其温升均值为57.86 K,标准差为6.37 K,其稳定温升值大于45 K的概率超过97%,因此考虑其快速温升限值为45 K。

2.2 快速温升试验方法

根据GB 7251.1—2013《低压成套开关设备和控制设备》[13]的要求,并考虑快速温升限值,提出一种开关设备快速温升试验流程。温升试验回路示意图如图1所示。

图1 温升试验回路示意图

(1)搭建温升试验回路。

(2)根据被试品的额定电流,统计分析该类开关设备的历史温升试验数据,确定被试品的快速温升限值。

(3)设定初始试验电流的幅值为额定电流的1.2～1.5倍,并设定电流频率为工频的2～3倍,以现场试验条件为准。

(4)对开关设备施加初始试验电流,并在线监测开关设备端口的温度。

(5)合理控制施加初始试验电流的时间,当温升达到快速温升限值时,及时降低电流幅值和频率至额定状态。

(6)当1 h内温升变化量小于1 K时,结束试验,此时温升值即为该开关设备的稳定温升值。

3 算例分析

3.1 试验准备

试验对象为2台额定电流分别为400 A和630 A的断路器。试验设备包括大电流发生器、变频电源、穿心式电流表及温度巡检仪。

试验过程中,保证断路器结构完整,成套试验设备按正常使用时放置;柜门保持闭合,电缆接口处按使用状态予以封闭,确保温升试验期间其外壳防护等级不降低;在常温、封闭且宽敞的实验室内进行试验,保证试验区域不会受到热辐射、热对流的影响。此外,试验前后均对仪器的状态进行检查与校准。温升试验现场如图2所示。

图2 温升试验现场

3.2 试验过程

不同情况下两种断路器温升试验情况如表1所示。对额定电流为400 A的断路器进行变电流和变电流频率试验1～试验9,试验中每3 min记录一次断路器进线端的温度,在温升达到快速温升限值(20 K)时,将试验电流恢复为额定幅值和频率,直至进线端在1 h内的温度变化不超过1 K时结束试验,记录被试品达到快速温升限值的时间以及被试品的稳定温升时间和热稳定温度。

表1 不同情况下两种断路器温升试验情况

同样,对额定电流为630 A的断路器进行变电流和变电流频率试验10～试验18,在温升达到快速温升限值(45 K)时,将试验电流恢复为额定幅值和频率,直至温升稳定,记录被试品的稳定温升时间及热稳定温度。考虑到其额定电流较大,因此将对额定电流为630 A的断路器施加的1.5倍额定电流减小到1.3倍额定电流。

3.3 试验结果分析

由表1可见,试验前后开关设备的回路电阻变化率均小于15%,表明试验中施加的大电流未对开关设备性能造成明显影响,试验结果是可靠有效的。

通过比较表1中试验1～试验3,试验4～试验6,试验7～试验9,试验10～试验12,试验13～试验15和试验16～试验18可知,在试验电流频率相同的情况下,提高试验电流的幅值能够显著缩短断路器温升至快速温升限值的时间,并提高其温升试验的效率。对于额定电流为400 A的断路器,当试验电流幅值分别为额定值的1.2倍和1.5倍时,相对于额定值,温升至快速温升限值的时间分别缩短了约1/3和2/3,稳定温升时间分别缩短了7.02%～12.07%和14.75%～15.79%。对于额定电流为630 A的断路器,当试验电流幅值分别为额定值的1.2倍和1.3倍时,相对于额定值,温升至快速温升限值的时间均缩短了约1/3,稳定温升时间分别缩短了5.45%～5.56%和7.27%～7.41%。

通过比较试验1、试验4、试验7,试验2、试验5、试验8,试验3、试验6、试验9,试验10、试验13、试验16,试验11、试验14、试验17以及试验12、试验15、试验18可知,在试验电流幅值相同的情况下,提高试验电流的频率也能缩短断路器温升至快速温升时间,提高断路器温升试验效率。对于额定电流为400 A的断路器,当试验电流频率分别为额定值的2倍和3倍时,相对于额定值,该断路器温升至快速温升限值的时间缩短了不到1/10,稳定温升时间分别缩短了4.92%～5.77%和1.85%～7.69%。对于额定电流为630 A的断路器,当试验电流频率分别为额定值的2倍和3倍时,相对于额定值,稳定温升时间分别缩短了0%和1.82%～1.96%。

通过比较试验1、试验9可知,对于额定电流为400 A的断路器,提高试验电流幅值至额定值的1.5倍、频率至额定值的3倍,可缩短温升试验时间达21.31%;通过比较试验10、试验18可知,对于额定电流为630 A的断路器,提高试验电流幅值至额定值的1.3倍、频率至额定值的3倍,可缩短温升试验时间达9.09%。

不同情况下额定电流为400 A的断路器温升随时间变化曲线如图3所示;不同情况下额定电流为630 A的断路器温升随时间变化曲线如图4所示。

图3 不同情况下额定电流为400 A的断路器温升随时间变化曲线

图4 不同情况下额定电流为630 A的断路器温升随时间变化曲线

由图3(a)和4(a)可知,在试验电流频率相同的情况下,提高试验电流的幅值能够使该断路器更快达到稳定温升值附近。由图3(b)和4(b)可知,在试验电流幅值相同的情况下,提高试验电流的频率也能加快该断路器温升速度,但作用小于提高试验电流的幅值。

4 结 语

本文通过对开关设备温升特性进行理论分析,并结合开关设备历史的温升试验数据,提出一种开关设备快速温升试验方法。通过改变试验电流的幅值或频率,在实际断路器上进行了多项温升试验,验证了所提方法的有效性。

(1)电流幅值与开关设备的温升速度关系较大。理论分析表明电流幅值越大导体阻性损耗越大,导体发热越多,从而导致开关设备的温升速度越快。文中的试验结果表明,提高试验电流的幅值至额定值的1.5倍,可缩短温升时间15.79%。

(2)电流频率与开关设备的温升速度关系较小。理论分析表明电流频率越高导体的铁磁损耗越大,从而导致开关设备的温升速度越快。试验结果表明,提高电流的频率至额定值的3倍,可缩短温升时间7.41%。

(3)文中提出的一种开关设备快速温升试验平台及其测试方法,通过提高试验电流幅值及频率并合理控制通电时间,可有效缩短抽检开关设备的温升试验时间。