應用探索

【摘 要】論文介紹了在新能源領域中，TANW1（DW45）萬能式斷路器在美式箱變運行中可能存在的主要問題、產(chǎn)生原因及主要應對技術措施，以保證萬能式斷路器在新能源領域的安全可靠運行。

【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.

【關鍵詞】新能源領域；萬能式斷路器；質量隱患；技術措施

【Keywords】new energy field； universal circuit breaker； quality hidden danger； technical measures

【中圖分類號】TM56 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）04-0187-03

1 引言

寧波天安（集團）股份有限公司是新能源箱式變電站市場占有率比較大的企業(yè)之一，TANW1（DW45）萬能式斷路器是上海電科所吸收國內(nèi)外先進技術開發(fā)的，經(jīng)過長期的運行和試驗證明萬能式斷路器本身不存在設計缺陷。多年運行結果也表明，在普通配電系統(tǒng)中，TANW1萬能式斷路器能安全正常運行，質量呈穩(wěn)定狀態(tài)。但TANW1萬能式斷路器配在新能源（光伏、風電系統(tǒng)）的美式、歐式箱變中，由于環(huán)境的特殊性，已出現(xiàn)了多次質量事故，表現(xiàn)為動靜觸頭、軟連接，抽屜式斷路器的橋形觸頭變色及燒壞等質量事故現(xiàn)象。

2 萬能式斷路器應用于新能源中存在的問題、原因、危害及應對措施

2.1 存在的主要問題

萬能式斷路器改進以前，從常規(guī)配電的角度看，使用在新能源的萬能式斷路器的設計、使用安全裕度都是比較大的，不會發(fā)生質量問題；但在新能源領域中斷路器會發(fā)生動靜觸頭接觸部分異常，斷路器動觸頭的軟連接有發(fā)熱變色現(xiàn)象，抽屜式斷路器的橋形觸頭發(fā)生發(fā)熱變色或燒壞現(xiàn)象，絕緣件燒壞等質量現(xiàn)象，具體見下表1。

使斷路器發(fā)生不正常的分斷（圖1-圖6）。

2.2 原因分析

2.2.1電能質量

由于大容量電力和用電整流或交直流換流設備，以及其他非線性負荷，使線路中產(chǎn)生可以分解為基波和一系列諧波電流分量的畸變電流，這些大量存在的不穩(wěn)定的高次諧波（非正弦周期信號按傅里葉級數(shù)展開為原信號頻率（50Hz）、兩倍及以上的正弦分量），使新能源系統(tǒng)的電磁場環(huán)境十分惡劣，嚴重影響元器件的正常運行。

高次諧波引起集膚效應（又叫趨膚效應，是電流或電壓以頻率較高的電子在導體中傳導時，會聚集于總導體表層，而非平均分布于整個導體的截面積中）。當導線流過交變電流時，根據(jù)楞次定律會在導線內(nèi)部產(chǎn)生渦流，與導線中心電流方向相反，由于導線中心較導線表面的磁鏈大，在導線中心處產(chǎn)生的電動勢就比在導線表面附近處產(chǎn)生的電動勢大。這樣作用的結果使電流在表面流動，中心則無電流；頻率較高的電子在導體中傳導時，會聚集于總導體表層，而非平均分布于整個導體的截面積中，這樣就相對減少了有效導電面積，以常規(guī)的配電系統(tǒng)來設計，會存在質量隱患。

2.2.2 斷路器使用溫度、海拔超過正常的使用范圍

斷路器實際使用環(huán)境溫度較高，有的達到70℃。在溫度變化范圍不大時，銅在不同溫度下的電阻率計算公式是 ρ=ρ0（1+αt）， ρ0為0℃銅的電阻率：1.69*10^（-8）Ωm， α為銅的平均溫度系數(shù)：3.9*10^（-3） ， t為溫度。若變壓器內(nèi)的溫度升到60℃（實際情況可能還要大），電阻率從0℃銅的電阻率：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%。所以隨著環(huán)境溫度的提高，整個回路的電阻將增大，溫升會超標。

銅在不同溫度時的電阻率數(shù)據(jù)：

2.2.3 環(huán)境原因

低壓ACB斷路器生產(chǎn)合格后至箱式變電站投入使用，至少有好幾個月間隔時間，在這期間，由于氣候變化，特別是溫度變化，會引起凝露，導致動靜觸頭氧化，接觸電阻增大，引起溫升增大風險；同時在正常運行后，箱變內(nèi)有時會滿負荷發(fā)電，有時負荷為0，如光伏，白天發(fā)電，晚上休息，晝夜溫差大，箱變內(nèi)極易形成較大的凝露，存在嚴重的質量隱患。

2.2.4 斷路器的設計適用性

TANW1萬能式斷路器原使用范圍為配電系統(tǒng)，在配電系統(tǒng)中能安全運行。但在新能源系統(tǒng)中，如2000A殼架電流的彈簧合閘力為47.2N，3200A殼架電流的彈簧合閘力僅為40.5N（從目前了解情況看，其他企業(yè)也存在該種現(xiàn)象），由于有些光伏場、風電場存在不同的高次諧波、電源波形畸變大、脈沖電流、各種電磁波，在系統(tǒng)中會產(chǎn)生過電壓、過電動力，且比常規(guī)配電項目發(fā)熱量大，在新能源系統(tǒng)中，這種設計參數(shù)不能完全滿足使用要求，易引起質量事故。

2.2.5 設計降容系數(shù)不夠

從配電角度看，有一定的設計裕度就能滿足安全可靠的運行，但在箱變新能源領域中，必須要有足夠大的設計裕度，否則易產(chǎn)生質量問題。如變壓器額定電流僅920A，采用常規(guī)的額定電流為1600A的萬能式斷路器還可能引起質量問題。

2.3 易產(chǎn)生的危害

諧波電流、諧波電壓增加，其危害波及全網(wǎng)，對各種電氣設備都有不同程度的影響和危害。由于諧波電流使開關設備在啟動瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率，使暫態(tài)恢復峰值電壓增大，破壞絕緣，還會引起斷路器誤動作，導致意外跳閘； 諧波可引起系統(tǒng)的電感、電容發(fā)生諧振，使諧波放大，當諧波引起系統(tǒng)諧振時，諧波電壓升高，諧波電流增大，引起保護及安全自動裝置誤動，損壞系統(tǒng)設備。

正如前面介紹的斷路器存在的主要問題，在新能源領域中，常規(guī)萬能式斷路器易產(chǎn)生嚴重的質量問題，影響設備的安全運行和正常的發(fā)電量。

2.4 采取的主要應對措施

第一，改進斷路器的主要技術措施。增加萬能式斷路器內(nèi)導電回路薄弱環(huán)節(jié)的截面，對TANW1-2000系列斷路器，當實際長延時整定電流為1000A及以上時，內(nèi)部每根軟連接從20mm2加大到30mm2，保證在2000A電流時，電流密度從2000A/（20mm2*10）=10A/mm2降到2000A/（30mm2*10）=6.67A/mm2； 對TANW1-3200系列斷路器，當實際長延時整定電流為2500A及以上時，內(nèi)部每根軟連接從30mm2加大到35mm2。保證在3200A電流時，電流密度從3200A/（30mm2*14）=7.62A/mm2降到3200A/（35mm2*14）=6.53A/mm2，以保證導電回路有足夠的導通能力。

增加動靜觸頭系統(tǒng)的彈簧力，對TANW1-2000系列斷路器，動靜觸頭間最終總接觸壓力增大約3 %；對TANW1-3200系列斷路器，動靜觸頭間最終總接觸壓力增大約10%；保證足夠的接觸壓力，同時在分合閘操作時，有利于動靜觸頭間氧化層的破壞，減少回路的接觸電阻，減少發(fā)熱量。

所有抽屜式斷路器的橋型觸頭的觸頭彈簧采用優(yōu)質、有一定規(guī)模的彈簧專業(yè)企業(yè)生產(chǎn)，以便保證彈簧的制造質量。

加強關鍵零部件的進貨質量控制，保證導電回路、操作結構的質量可靠性。

第二， 萬能式斷路器的選用。在新能源箱變的斷路器選型時，設計應考慮一定的降容系數(shù)（可參考下表），如在萬能式斷路器周圍溫度達40℃以上時，可參考溫度每升高5℃，應降容至少0.5In左右。

海拔增加對溫升的影響不大，溫升遞增率為海拔每升高100m，溫升增加為0.1～0.5℃，但大多數(shù)產(chǎn)品均小于0.4℃；而高海拔氣溫隨海拔增加而降低，其遞減率為海拔每升高100m，氣溫降低0.5℃；

第三，外接銅排要考慮降容系數(shù)，根據(jù)使用環(huán)境及用電情況，適當加大外接銅母排的截面，同時保證連接母排的接觸面積和足夠的接觸壓力。

第四，加入抑制諧波的元器件，如裝設由電容、電感及電阻組成的單調(diào)諧濾波器和高通濾波器。

第五，運行、維護。放置時間較長的斷路器，在投入運行前進行回路電阻的檢測，保證滿足合理要求的回路電阻，否則應用百潔布對動、靜觸頭進行清擦，再用紗布沾酒精擦干凈，保證動、靜觸頭的良好接觸，減小接觸電阻、減輕觸頭發(fā)熱，保證斷路器的正常運行。

用戶應對新能源中使用的斷路器加強定期/不定期的巡檢，特別是溫升檢測，及時發(fā)現(xiàn)質量隱患。建議用戶對萬能式斷路器進行必要的維護保養(yǎng)，具體做法是：若斷路器故障分斷次數(shù)超過3次（含3次），或在負荷較大時，在設備正常運行時，用紅外線測溫儀測量斷路器外接銅排溫度，當溫升超過60K時，建議停機，先采用百潔布對動、靜觸頭進行清擦，再用紗布沾酒精擦干凈，保證動、靜觸頭之間的良好接觸，以減小接觸電阻，減輕觸頭發(fā)熱，利于斷路器的正常運行。

3 結語

改進完善的萬能式斷路器經(jīng)過溫升、機械特性、機械壽命等對比試驗及在長沙花明樓風電、天津鑫達光伏多年運行證明，以上的探索能保證斷路器及箱變的安全運行，對此，還需要進一步加強研究，以提高萬能式斷路器在新能源領域的安全可靠運行。