配网一二次融合柱上开关抽检典型问题分析

由凯，陈伟，王欢，胡加瑞，邓稳星，陈小容

(1.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007；2.陆军装备部驻长沙地区军事代表室，湖南 长沙 410000；3.国网湖南省电力有限公司，湖南 长沙 410004；4.湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南长沙 410004)

0 引言

电力设备质量是影响电网安全稳定运行的关键因素，设备抽检作为物资质量监督的重要手段，在保障电网安全稳定运行中发挥了重要的作用[1]。国网湖南省电力有限公司物资质量检测中心近年来大力开展物资检测能力建设，在物资质量监督方面取得了显著成效[2]。本文针对配网一二次融合柱上开关设备抽检发现的两起典型设备质量问题，结合一二次融合开关在配电网应用中暴露的问题[3-4]，对现阶段一二次融合柱上开关设备存在的关键问题进行分析并提出改进措施。

1 设备抽检情况

两起抽检问题中开关设备型号为ZW32-32/630-20，相电流互感器变比为600∶5，零序电流互感器变比为20∶1。不合格试验项目均为温升试验不合格，温升异常位置都在电流互感器外壳处。试验时，测温元件布置在三相接线引出端子，互感器位置采用红外成像仪进行观测。典型试品温升试验数据见表1，异常位置温度分布情况如图1所示。

表1 温升试验数据 K

图1 温升异常处温度分布情况

从试验结果来看，两台试品触头部位稳定温升均未超过标准规定，但三相电流互感器外壳处温升明显异常，最高达100 K以上，其中试品1温升最高点为互感器二次出线套管，如图1(a)所示，试品2温升最高点为中间相互感器外壳边缘处，如图1(b)所示。另外从升温速度来看，在额定电流下试验进行至15～30 min时，互感器温度便剧烈上升。

依据GB/T 11022—2020《高压交流开关设备和控制设备标准的共用技术要求》，开关镀银或镀镍的触头部分温升不应超过65 K，正常操作中可触及的部件温升不超过30 K[5]，但对互感器部分的温升未做明确要求。由于国标未作明确要求，针对柱上开关温升试验，目前国内检测机构通常在触头部位进行温度测量布点，而未测量互感器部分的温度，难以发现此类互感器问题。对同一台断路器送至第三方权威检测机构进行检测比对，由于未测量互感器温升，检测结果判定为合格。

针对此问题，发现的断路器电流互感器部分温升过高问题如何判定，以及针对一二次融合柱上断路器的温升标准化测试流程，均有待进一步研究[6-7]。

2 结构及工作原理分析

2.1 一二次融合柱上开关电流互感器结构形式

目前一二次成套断路器互感器部分多采用三相一体式设计，零序电流互感器和相电流互感器浇筑成整体，互感器的外壳包括三个中空部，其中相电流互感器A、B、C二次绕组分别缠绕在放置于中空部位的铁芯上。零序电流互感器通常有两种设计方式，一种是采用零序电流互感器整体穿过三相出线，互感器二次侧输出零序电流；另一种是采用3个单相互感器分别穿过每相，二次侧并联输出零序电流，如图2所示[8]。图中，AS、BS、CS为相电流互感器，OS为零序电流互感器。

图2 一二次融合柱上开关互感器一次原理

2.2 电流互感器工作原理

电流互感器运行时一次侧等值电路如图3所示[9]。其中I1、I2′、I0分别为一次电流、二次等值电流、励磁电流；Z0、R0、X0分别为励磁回路阻抗、电阻和电抗，Z2′、R2′、X2′为二次绕组等值阻抗、电阻和电抗，Zz′、Rz′、Xz′为二次负载等值阻抗、电阻和电抗。

图3 电流互感器一次侧等值电路

根据等值电路图，有:

式(3)中，I2为二次电流；Kn为互感器变比。

正常运行时，电流互感器二次侧处于短路状态[10]，由于二次绕组电阻很小，理想情况下，可认为Z2′+ZZ′=0；因此励磁电流I0≈0，I1=-I2′=-Kn×I2。实际应用中，由于互感器内部损耗和负载损耗的存在，励磁电流不等于0，励磁电流的存在导致互感器存在变比误差[11-12]。

2.3 电流互感器发热常见原因

1)二次绕组开路运行。电流互感器二次回路闭环运行时，二次电流对一次电流产生去磁作用，励磁电流接近为0，铁芯中总磁通很小。当二次绕组开路后，二次电流I2′=0，由式(1) 可知，I0=I1，一次电流全部用来励磁，使得铁芯内部磁通密度巨幅增加，铁芯磁饱和导致内部发热[13]。

2)二次负载电阻接线错误或接触不良。根据式(2)，当二次负载电阻接线错误或接触不良导致负载电阻增大时，会引起励磁电流增加；当二次负载电压超过电流互感器拐点电压时，铁芯内部磁饱和而发热[14]。

3 试验情况及故障原因分析

3.1 试验情况

为判断互感器内部是否存在开路或接触不良问题，对开关相电流互感器和零序电流互感器进行常规试验检查，以试品1为例，具体数据见表2。

表2 互感器试验检查结果

根据试验数据分析，三相电流互感器变比和铭牌值一致；二次绕组直流电阻正常，内部无开路问题；拐点电压和和其他同类型合格产品相比，基本无偏差。零序电流互感器常规试验整体数据无异常，可排除互感器内部存在开路或接触不良的问题，为进一步确定问题所在，需进行解体检查。

3.2 解体检查情况

对不合格典型试品进行解体，其互感器部分内部情况如图4所示。其中零序电流互感器是采用3个单相互感器分别穿过每相并联输出零序电流，零序电流二次出线位置为B相套管。

图4 互感器内部烧损后解体情况

通过解体发现，试品1零序电流互感器B相线圈、铁芯因温度过热已损坏，二次出线烧断；温升试验时发热点位置位于B相二次出线套管，正好为零序电流互感器二次出线侧并联处。试品2零序电流互感器烧损，同时二次绕组缠绕工艺存在问题，未均匀分布。

3.3 解体后试验情况

对解体后的开关再次进行温升试验，在施加额定电流时，在极短时间内零序互感器二次绕组温度剧烈上升，如图5所示。可以看出发热部位为互感器二次绕组导体部分，二次绕组在承受额定电流时发热是问题根本原因所在，同时试品2(图5(b))和试品1(图5(a))相比，绕组缠绕密集的部位发热尤其严重，制造工艺存在较大缺陷。

图5 解体后的温升试验情况

3.4 原因分析

根据试验数据分析及解体检查情况，以上一二次融合柱上开关抽检温升不合格问题均是内部零序电流互感器质量问题导致。由于采用了3个单相互感器并联输出零序电流的设计方式，20∶1的变比下单相互感器二次电流达30 A(三相电流合成后的零序二次电流趋近于0 A)，而此单相互感器二次绕组线径过小，经测量不足1 mm2，通流能力严重不足是导致互感器发热的主要原因。另外试品2的零序互感器绕组缠绕工艺存在极大缺陷，加剧了绕组内部的发热问题。

4 结语

一二次融合柱上开关零序电流互感器质量问题出现频度高、影响范围广，对配电网安全稳定运行带来极大隐患，且受抽检试验方法和标准影响，在以往基本未发现此类问题。

为提升物资质量监督成效，提出如下建议:

1)在制造环节加强零序电流互感器设计选型，应仔细校验三相合成式结构二次额定电流，确保满足设计要求。

2)完善一二次融合柱上开关招标技术规范要求，明确互感器部分的温升极限，将互感器部分的温升与开关壳体其他部分比对情况作为评判依据。

3)强化对一二次融合柱上开关的抽检，加强对内部互感器性能的试验验证，特别是提升温升试验覆盖率。

4)优化试验流程及方法，开展一二次融合柱上开关温升试验时，必须在互感器部分布置温度探头，或者采用红外测温方法进行测量。