尹奎龍，任 煒，任社宜，王 磊

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司物資公司，山東 濟(jì)南 250001；2.蘇州工業(yè)園區(qū)海沃科技有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引 言

電流通過(guò)能力是開關(guān)設(shè)備的基本性能之一，通常由設(shè)備的額定電流、額定短時(shí)耐受電流以及額定峰值耐受電流3個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行衡量[1]。

額定短時(shí)耐受電流又稱為額定熱穩(wěn)定電流，是指在規(guī)定的使用條件下，開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備在合閘位置能夠承受的電流有效值[2]。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，并非所有的開關(guān)設(shè)備都要同時(shí)進(jìn)行動(dòng)作，只有靠近短路故障點(diǎn)的開關(guān)設(shè)備開斷動(dòng)作，其他設(shè)備仍處于閉合狀態(tài)?？紤]到相關(guān)設(shè)備繼電保護(hù)動(dòng)作之間的配合，要求開關(guān)設(shè)備在規(guī)定的額定短路持續(xù)時(shí)間內(nèi)要持續(xù)承受很大的短路電流，同時(shí)不發(fā)生異?，F(xiàn)象。額定短時(shí)耐受電流試驗(yàn)是對(duì)觸頭的材料、接觸面的優(yōu)劣以及結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度性能的綜合考量[3]。若觸頭材料的選用或相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，溫升過(guò)高或瞬時(shí)觸頭分離引發(fā)的電弧會(huì)導(dǎo)致接觸面劣化而熔焊，造成開關(guān)設(shè)備開斷失敗，導(dǎo)致電力系統(tǒng)故障進(jìn)一步蔓延。額定峰值耐受電流也被稱為額定動(dòng)穩(wěn)定電流，是指在規(guī)定的條件下開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備在合閘位置能夠承載的額定短時(shí)耐受電流第一個(gè)大半波的電流峰值[4]。額定峰值耐受電流等于額定短路關(guān)合電流，一般為其額定短時(shí)耐受電流的2.5倍。

優(yōu)良的動(dòng)熱穩(wěn)定性能是保證電力設(shè)備安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)[5]。開展開關(guān)柜動(dòng)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)抽檢工作能夠有效檢驗(yàn)相應(yīng)設(shè)備的動(dòng)熱穩(wěn)定性能，保障設(shè)備和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前常用的電源系統(tǒng)都存在著試驗(yàn)裝置要求高、投資規(guī)模大、占地面積大以及建設(shè)審批難度大等問(wèn)題，試驗(yàn)開展難度較大。而儲(chǔ)能式智能電源系統(tǒng)能夠有效規(guī)避上述難點(diǎn)，利用長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能和短時(shí)釋放的原理開展對(duì)開關(guān)設(shè)備的大容量試驗(yàn)。

1 動(dòng)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)要求

開關(guān)柜動(dòng)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)的主要標(biāo)準(zhǔn)為《3.6 kV～40.5 kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》（GB3906-2006）和《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》（GB/T11022-2011）。上述兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了開關(guān)柜動(dòng)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)中開關(guān)設(shè)備的布置、控制設(shè)備的布置、試驗(yàn)回路的布置、試驗(yàn)電流和持續(xù)時(shí)間、試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備的表現(xiàn)以及試驗(yàn)后設(shè)備的狀態(tài)等內(nèi)容，主要試驗(yàn)原則及技術(shù)要求共有6點(diǎn)。一是金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的額定短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)包括主回路試驗(yàn)和接地回路試驗(yàn)兩部分。二是被試設(shè)備的布置應(yīng)能獲得最嚴(yán)酷的條件，應(yīng)安裝在自身的支架或等效支架上，并且裝上自身的操動(dòng)機(jī)構(gòu)。三是每次試驗(yàn)前，機(jī)械開關(guān)裝置要做一次空載操作，除接地開關(guān)外還要測(cè)量主回路接地電阻。四是試驗(yàn)電流的交流分量原則上應(yīng)該等于開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的額定短時(shí)耐受電流的交流分量。峰值電流應(yīng)該不小于額定峰值耐受電流，未經(jīng)制造廠同意不應(yīng)超過(guò)該值的5%。五是所有的開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備應(yīng)該能承載額定峰值耐受電流及其額定短時(shí)耐受電流，不得引起任何部件的機(jī)械損傷或觸頭分離。六是試驗(yàn)后開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備不應(yīng)該有明顯的損壞，應(yīng)該能正常操作，連續(xù)承載其額定電流而不超過(guò)規(guī)定的溫升限值，并在絕緣試驗(yàn)時(shí)能承受規(guī)定的電壓。

2 開關(guān)柜動(dòng)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)裝置及回路

開關(guān)柜短時(shí)耐受電流及峰值耐受電流試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)電源的容量要求較高，要在試品回路持續(xù)流過(guò)幾秒鐘高達(dá)幾十千安的大電流。利用儲(chǔ)能式智能電源的短時(shí)大容量輸出能力，并配以高變比試驗(yàn)變壓器，滿足開關(guān)柜短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)的要求。試驗(yàn)接線示意圖如圖1所示。

圖1 開關(guān)柜短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)接線示意圖

儲(chǔ)能式智能電源的功率單元模塊由工頻380 V電源充電，待充電完成后（約2 min）與市電切斷。進(jìn)行短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)時(shí)，儲(chǔ)存在功率單元模塊上的電能經(jīng)逆變器變換輸出至特種中間變壓器（高變比試驗(yàn)變壓器），中間變壓器將智能電源的高電壓小電流輸出轉(zhuǎn)換為低電壓大電流輸出，從而滿足相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)開關(guān)柜動(dòng)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)中試驗(yàn)電流的各項(xiàng)要求。圖2為配套的特種中間試驗(yàn)變壓器，其實(shí)現(xiàn)了將儲(chǔ)能式智能電源的高壓輸出轉(zhuǎn)換為動(dòng)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)所需要的大電流輸入。

圖2 配套的特種中間試驗(yàn)變壓器

特種中間試驗(yàn)變壓器的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 特種中間試驗(yàn)變壓器的主要性能指標(biāo)

3 開關(guān)柜動(dòng)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)方案及實(shí)施

基于所設(shè)計(jì)的開關(guān)柜動(dòng)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)裝置及回路，開展10 kV開關(guān)柜短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)，采集試驗(yàn)過(guò)程中相應(yīng)設(shè)備輸出的電流信號(hào)和電壓信號(hào)，并按照標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 試品的主要參數(shù)

先后對(duì)真空斷路器和開關(guān)柜等不同開關(guān)設(shè)備進(jìn)行短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)，以充分驗(yàn)證試驗(yàn)技術(shù)方案的可行性和普適性。被試真空斷路器為某公司生產(chǎn)的單相真空斷路器，該產(chǎn)品運(yùn)行至今，未出現(xiàn)過(guò)重大事故，運(yùn)行情況狀態(tài)良好，各項(xiàng)出廠試驗(yàn)和例行試驗(yàn)指標(biāo)均處于正常水平。被測(cè)試的真空斷路器主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 真空斷路器的主要性能參數(shù)

被試開關(guān)柜為某公司生產(chǎn)的10 kV金屬鎧裝抽出式金屬開關(guān)設(shè)備，該產(chǎn)品運(yùn)行至今，未經(jīng)歷過(guò)重大事故，運(yùn)行狀態(tài)良好，各項(xiàng)出廠試驗(yàn)和例行試驗(yàn)指標(biāo)均處于正常水平。被試開關(guān)柜外形如圖3所示。

圖3 被試開關(guān)柜外形圖

被試開關(guān)柜內(nèi)配置的斷路器為某公司生產(chǎn)的戶內(nèi)高壓真空斷路器，斷路器采用彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)與本體一體化設(shè)計(jì)。圖4為真空斷路器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 真空斷路器結(jié)構(gòu)示意圖

真空斷路器的主要性能參數(shù)如表3所示。

表3 真空斷路器的主要性能參數(shù)

本文重點(diǎn)對(duì)被試開關(guān)柜主回路部分的動(dòng)熱穩(wěn)定性能進(jìn)行考核，試驗(yàn)開始前測(cè)量開關(guān)柜內(nèi)主回路的回路電阻，并進(jìn)行空載分合操作3次。

3.2 動(dòng)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)的實(shí)施

3.2.1 真空斷路器動(dòng)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)

正式試驗(yàn)前開展預(yù)實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)試驗(yàn)回路及儲(chǔ)能式智能電源參數(shù)，使得正式試驗(yàn)時(shí)輸出電流能夠滿足要求。圖5為試驗(yàn)過(guò)程中采集到的真空開關(guān)試驗(yàn)電流波形圖。

圖5 真空斷路器動(dòng)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)電流波形

從圖5可以看出，試驗(yàn)電流最大值為37.5 kA，與理論標(biāo)稱值偏差0.8%。交流分量有效值為20.5 kA，與理論標(biāo)稱值偏差2.5%，持續(xù)時(shí)間為4 s。滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)電流和持續(xù)時(shí)間的要求。

試驗(yàn)結(jié)束后，立即對(duì)真空斷路器進(jìn)行分合閘操作3次，測(cè)量回路電阻并檢查設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。表4為真空斷路器短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)的試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果。

表4 真空斷路器動(dòng)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

試驗(yàn)后，聯(lián)接點(diǎn)無(wú)熔焊、自動(dòng)彈開或不允許的位移，機(jī)械部件或絕緣件無(wú)損傷，開關(guān)設(shè)備正常分合閘操作3次，試驗(yàn)前后A相回路電阻由57.6 mW增到61.1 mW，試驗(yàn)內(nèi)容符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，被試真空斷路器的短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)定。

3.2.2 12 kV開關(guān)柜動(dòng)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)

正式試驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)試驗(yàn)回路及儲(chǔ)能式智能電源參數(shù)，使得正式試驗(yàn)時(shí)輸出電流能夠滿足要求。試驗(yàn)過(guò)程中采集到的開關(guān)柜主回路試驗(yàn)電流波形如圖6所示。

圖6 開關(guān)柜動(dòng)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)電流波形

從圖6可以看出，試驗(yàn)電流最大值為80.2 kA，交流分量有效值為32.3 kA，持續(xù)時(shí)間為2 s，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)電流和持續(xù)時(shí)間的要求，證明了本項(xiàng)目提出的基于儲(chǔ)能式智能電源的開關(guān)設(shè)備動(dòng)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)方案具有一定的可行性和有效性，能夠開展開關(guān)柜動(dòng)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)。

表5所示為開關(guān)柜短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)的試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果。

表5 開關(guān)柜短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)的試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

試驗(yàn)后，聯(lián)接點(diǎn)無(wú)熔焊、自動(dòng)彈開或不允許的位移，機(jī)械部件或絕緣件無(wú)損傷，真空斷路器未正常分閘，機(jī)構(gòu)出現(xiàn)卡澀，試驗(yàn)前后B相回路電阻由65.7mW增到68.4mW，C相回路電阻由67.4 mW增加到82.4 mW。試驗(yàn)內(nèi)容符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但試驗(yàn)后C相回路電阻數(shù)值較試驗(yàn)前增加20.5%，超出標(biāo)準(zhǔn)要求值（20%）。

為了進(jìn)一步確認(rèn)開關(guān)柜試驗(yàn)后的性能，立即對(duì)開關(guān)柜內(nèi)的開關(guān)設(shè)備進(jìn)行分合閘操作，發(fā)現(xiàn)開關(guān)無(wú)法分閘，檢查開關(guān)柜的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)操作機(jī)構(gòu)卡澀，組件出現(xiàn)位移。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，該被試開關(guān)柜未能通過(guò)短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

本文提出了基于儲(chǔ)能式智能電源的開關(guān)設(shè)備短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)技術(shù)方案，并以開關(guān)柜為對(duì)象開展試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的開關(guān)設(shè)備短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)技術(shù)方案具有參數(shù)控制準(zhǔn)確和試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單便捷等特點(diǎn)，能夠滿足目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)電流及裝置的各項(xiàng)要求，具有一定的可行性。