戴建卓, 賈勇勇, 張思聰, 趙 恒, 宋思齊, 儲昭杰

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 電力科學研究院, 江蘇 南京 211103)

0 引 言

開關設備的質量對于保障電網(wǎng)安全、可靠運行十分重要。開關設備在運行時,流過開關設備的交變電流會在回路導體電阻、觸頭接觸電阻等產(chǎn)生熱損耗。同時,交變電流產(chǎn)生的交變磁場也會作用于主回路的鐵磁物體和絕緣介質,產(chǎn)生鐵損耗和介質損耗。上述損耗會導致開關設備的溫度升高,嚴重時甚至導致設備損壞,危及電網(wǎng)供配電安全[1-3]。

溫升試驗是驗證開關設備載流能力的重要試驗,用于考核導電回路通以電流后的發(fā)熱情況。當開關設備通過電流時,由于電阻損耗、渦流損耗和磁滯損耗,使電能轉變?yōu)闊崮?其中一部分散失到周圍介質中去,一部分使載流導體溫度升高[4]。溫度升高的多少由發(fā)熱和散熱兩方面因素決定,當導體的發(fā)熱和散熱平衡時,導體溫升將達到穩(wěn)定值。大量事實證明,開關類設備溫升試驗全過程至少需要3 h,試驗效率低下,因此縮短溫升試驗時間頗具工程實際意義。目前已有不少學者針對開關設備溫升特性開展了研究,葛瀚明等[5]研究了不同情況小型斷路器的溫升情況,說明電流大小和觸頭接觸壓力對溫升有一定影響;矯財東[6]通過試驗研究了不同頻率電流對開關設備溫升情況的影響,說明電流頻率與溫升時間存在一定聯(lián)系;屈建宇等[7]利用多物理場耦合方法建立斷路器仿真模型,可準確預測電力設備的溫升特性。

上述研究表明開關設備溫升時間與電源電流幅值、頻率有一定關系,但并未提出一種提高開關設備溫升試驗效率的可靠方法。本文提出了一種開關設備快速溫升試驗方法,并通過試驗結果證明可有效提高溫升試驗效率,且保證試驗結果的可靠性。

1 開關設備溫升理論分析

開關設備的溫升主要由導體回路的發(fā)熱和散熱情況決定。本文首先分析電流幅值、頻率對導體發(fā)熱的影響。接著,對試驗中導體的散熱情況進行分析。最后,綜合導體的發(fā)熱和散熱情況分析導體的熱穩(wěn)定性。

1.1 開關設備的發(fā)熱分析

開關設備額定工作狀態(tài)下的發(fā)熱主要為阻性損耗、磁滯損耗和渦流損耗,阻性損耗由設備導體回路本身的電阻熱效應產(chǎn)生,磁滯損耗和渦流損耗則主要由設備中的鐵磁部件產(chǎn)生[8]。

載流導體的阻性損耗為

(1)

(2)

式中:Pj,f——載流導體在頻率f時的損耗功率;

kj——考慮交流趨膚效應的附加損耗系數(shù);

ke——考慮鄰近效應的附加損耗系數(shù);

J——電流密度;

G——導體質量;

ρ——導體的電阻系數(shù);

I——電流值;

S——導體截面積;

γ——導體材料密度。

鐵磁零件的磁性損耗功率為

(3)

式中:Pmd,f——在頻率f時零件單位重量的功率損耗;

B——磁感應強度;

σh、σf——不同材質的系數(shù)[9]。

由式(1)～式(3)可知,導體的阻性損耗與電流幅值I的2次方成正比,導體磁性損耗與電流頻率f的1次方和2次方之和成正比。當電源電流頻率一定時,電流幅值越高,導體損耗越大;當電流幅值一定時,電流頻率越高,導體損耗越大[10-11]。

1.2 開關設備的散熱分析

開關設備工作中除了由自身阻性和磁性損耗造成發(fā)熱外,同時也伴隨散熱。熱力學中物體的散熱一般包括熱傳導、熱對流和熱輻射三種方式[12]。

(1)熱傳導:發(fā)生在固體、液體和氣體中,是空間中分子熱運動,由高溫向低溫區(qū)域轉移的過程,所以溫差的存在是熱傳導的必要條件。熱傳導過程為

(4)

式中:q——導體單位體積內(nèi)的生成熱;

λ——導熱系數(shù);

dQ/dX——導體單位長度內(nèi)的溫度變化。

幻想是人類的天性，在史前的蒙昧時期神話傳說已經(jīng)誕生，思維的最初形式就是將認知修辭化，這也正是兒童文學最本源的能量。然而兒童文學始于18世紀，顯示出一個漫長的歷史缺位，原因在于文學話語主體的缺位。當神話探索逐漸轉向事件記載，再到故事的虛構，成人因素成為文學發(fā)展的主宰，兒童的聲音淹沒在話語時空中，兒童接受層面的經(jīng)驗和需求不被納入文學話語的建構過程。在這個歷史空檔中，兒童的閱讀接受是成人話語的附庸，或是被說教準則束縛的被動接受。這種表達的缺陷導致了話語信息傳輸?shù)臄鄬?，除了教條式的話語復制外，難以得到應有的行為回報。當人們能夠主動全面地考察文學活動的接受主體時，兒童文學才真正產(chǎn)生了能量。

(2)熱對流:空間中具有流動性的微粒傳播熱能的過程,表現(xiàn)為氣體或液體分子由于溫差作用而循環(huán)流動,從而使空間溫度趨于均勻,通常熱對流伴隨著熱傳導同時發(fā)生。熱對流的影響因素主要包括溫差、導熱系數(shù)、導熱物體的厚度與截面積。熱對流過程為

Q=αA0(T0-Tf)

(5)

式中:Q——熱流量;

α——對流散熱系數(shù);

A0——對流散熱面積;

T0——發(fā)熱體溫度;

Tf——周圍空氣溫度。

(3)熱輻射:有溫度的物體輻射電磁波的現(xiàn)象,一切高于絕對零度的物體都具有熱輻射現(xiàn)象,溫度越高熱輻射總能量越大,由于電磁波的傳播無需任何介質,因此熱輻射是真空中唯一的傳熱方式。熱輻射過程為

(6)

式中:φ——熱量;

由式(4)～式(6)可知,熱傳導與導體單位長度內(nèi)的溫度變化成正比,熱對流與導體溫度和周圍空氣溫度之差成正比,熱輻射與導體溫度4次方和周圍空氣溫度4次方之差成正比。當周圍空氣溫度不變時,導體溫度越高,其散熱功率越大。

1.3 開關設備熱穩(wěn)定性分析

試驗中的開關設備主要因損耗而發(fā)熱,其溫度升高后通過熱輻射和熱傳導的方式向空氣進行傳熱;開關設備周圍的高溫空氣與遠處的常溫空氣存在一定溫差,因而發(fā)生熱對流現(xiàn)象。由于發(fā)熱功率不變,溫度上升導致散熱過程加劇,一段時間后發(fā)熱和散熱功率持平,設備溫度逐漸保持穩(wěn)定,達到熱穩(wěn)定狀態(tài)。此時,開關設備溫度與周圍環(huán)境溫度之差即為開關設備的穩(wěn)定溫升值。

2 快速溫升試驗方法

根據(jù)理論分析可知,增大試驗電流的幅值和頻率均可導致開關設備的發(fā)熱增加,從而使其溫度快速升高。為保證溫升試驗的可靠性,本節(jié)首先通過對開關設備的歷史試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,得到其快速溫升限值。然后,結合工程實際應用的可行性,提出一種快速溫升試驗方法。

2.1 快速溫升限值

由開關設備溫升理論分析可知,增大試驗電流的幅值和頻率將導致設備發(fā)熱功率增大,若不及時將其降為額定值,可能導致開關設備的溫升超過其額定電流下的穩(wěn)定溫升值,使設備性能受損。因此,需合理控制施加大電流的時間,設置快速溫升限值,當設備溫升達到該值時降低電流至額定值。

針對額定電流為400 A和630 A的兩種斷路器,對其歷史溫升試驗的穩(wěn)定溫升值分別進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)兩種斷路器的穩(wěn)定溫升值均近似滿足正態(tài)分布,其概率密度函數(shù)可以表示為

(7)

式中:x——穩(wěn)定溫升值變量;

μ——穩(wěn)定溫升值的均值;

σ——穩(wěn)定溫升值的標準差。

正態(tài)分布曲線任意兩個定值間的概率,完全由其均值μ和方差σ決定,如μ-2σ～μ+2σ的概率為95.45%,也就是說x>(μ-2σ)的概率超過97%。

對于額定電流為400 A的斷路器,其溫升均值為36.65 K,標準差為8.28 K,其穩(wěn)定溫升值大于20 K的概率超過97%,因此考慮其快速溫升限值為20 K。對于額定電流為630 A的斷路器,其溫升均值為57.86 K,標準差為6.37 K,其穩(wěn)定溫升值大于45 K的概率超過97%,因此考慮其快速溫升限值為45 K。

2.2 快速溫升試驗方法

根據(jù)GB 7251.1—2013《低壓成套開關設備和控制設備》[13]的要求,并考慮快速溫升限值,提出一種開關設備快速溫升試驗流程。溫升試驗回路示意圖如圖1所示。

圖1 溫升試驗回路示意圖

(1)搭建溫升試驗回路。

(2)根據(jù)被試品的額定電流,統(tǒng)計分析該類開關設備的歷史溫升試驗數(shù)據(jù),確定被試品的快速溫升限值。

(3)設定初始試驗電流的幅值為額定電流的1.2～1.5倍,并設定電流頻率為工頻的2～3倍,以現(xiàn)場試驗條件為準。

(4)對開關設備施加初始試驗電流,并在線監(jiān)測開關設備端口的溫度。

(5)合理控制施加初始試驗電流的時間,當溫升達到快速溫升限值時,及時降低電流幅值和頻率至額定狀態(tài)。

(6)當1 h內(nèi)溫升變化量小于1 K時,結束試驗,此時溫升值即為該開關設備的穩(wěn)定溫升值。

3 算例分析

3.1 試驗準備

試驗對象為2臺額定電流分別為400 A和630 A的斷路器。試驗設備包括大電流發(fā)生器、變頻電源、穿心式電流表及溫度巡檢儀。

試驗過程中,保證斷路器結構完整,成套試驗設備按正常使用時放置;柜門保持閉合,電纜接口處按使用狀態(tài)予以封閉,確保溫升試驗期間其外殼防護等級不降低;在常溫、封閉且寬敞的實驗室內(nèi)進行試驗,保證試驗區(qū)域不會受到熱輻射、熱對流的影響。此外,試驗前后均對儀器的狀態(tài)進行檢查與校準。溫升試驗現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 溫升試驗現(xiàn)場

3.2 試驗過程

不同情況下兩種斷路器溫升試驗情況如表1所示。對額定電流為400 A的斷路器進行變電流和變電流頻率試驗1～試驗9,試驗中每3 min記錄一次斷路器進線端的溫度,在溫升達到快速溫升限值(20 K)時,將試驗電流恢復為額定幅值和頻率,直至進線端在1 h內(nèi)的溫度變化不超過1 K時結束試驗,記錄被試品達到快速溫升限值的時間以及被試品的穩(wěn)定溫升時間和熱穩(wěn)定溫度。

表1 不同情況下兩種斷路器溫升試驗情況

同樣,對額定電流為630 A的斷路器進行變電流和變電流頻率試驗10～試驗18,在溫升達到快速溫升限值(45 K)時,將試驗電流恢復為額定幅值和頻率,直至溫升穩(wěn)定,記錄被試品的穩(wěn)定溫升時間及熱穩(wěn)定溫度。考慮到其額定電流較大,因此將對額定電流為630 A的斷路器施加的1.5倍額定電流減小到1.3倍額定電流。

3.3 試驗結果分析

由表1可見,試驗前后開關設備的回路電阻變化率均小于15%,表明試驗中施加的大電流未對開關設備性能造成明顯影響,試驗結果是可靠有效的。

通過比較表1中試驗1～試驗3,試驗4～試驗6,試驗7～試驗9,試驗10～試驗12,試驗13～試驗15和試驗16～試驗18可知,在試驗電流頻率相同的情況下,提高試驗電流的幅值能夠顯著縮短斷路器溫升至快速溫升限值的時間,并提高其溫升試驗的效率。對于額定電流為400 A的斷路器,當試驗電流幅值分別為額定值的1.2倍和1.5倍時,相對于額定值,溫升至快速溫升限值的時間分別縮短了約1/3和2/3,穩(wěn)定溫升時間分別縮短了7.02%～12.07%和14.75%～15.79%。對于額定電流為630 A的斷路器,當試驗電流幅值分別為額定值的1.2倍和1.3倍時,相對于額定值,溫升至快速溫升限值的時間均縮短了約1/3,穩(wěn)定溫升時間分別縮短了5.45%～5.56%和7.27%～7.41%。

通過比較試驗1、試驗4、試驗7,試驗2、試驗5、試驗8,試驗3、試驗6、試驗9,試驗10、試驗13、試驗16,試驗11、試驗14、試驗17以及試驗12、試驗15、試驗18可知,在試驗電流幅值相同的情況下,提高試驗電流的頻率也能縮短斷路器溫升至快速溫升時間,提高斷路器溫升試驗效率。對于額定電流為400 A的斷路器,當試驗電流頻率分別為額定值的2倍和3倍時,相對于額定值,該斷路器溫升至快速溫升限值的時間縮短了不到1/10,穩(wěn)定溫升時間分別縮短了4.92%～5.77%和1.85%～7.69%。對于額定電流為630 A的斷路器,當試驗電流頻率分別為額定值的2倍和3倍時,相對于額定值,穩(wěn)定溫升時間分別縮短了0%和1.82%～1.96%。

通過比較試驗1、試驗9可知,對于額定電流為400 A的斷路器,提高試驗電流幅值至額定值的1.5倍、頻率至額定值的3倍,可縮短溫升試驗時間達21.31%;通過比較試驗10、試驗18可知,對于額定電流為630 A的斷路器,提高試驗電流幅值至額定值的1.3倍、頻率至額定值的3倍,可縮短溫升試驗時間達9.09%。

不同情況下額定電流為400 A的斷路器溫升隨時間變化曲線如圖3所示;不同情況下額定電流為630 A的斷路器溫升隨時間變化曲線如圖4所示。

圖3 不同情況下額定電流為400 A的斷路器溫升隨時間變化曲線

圖4 不同情況下額定電流為630 A的斷路器溫升隨時間變化曲線

由圖3(a)和4(a)可知,在試驗電流頻率相同的情況下,提高試驗電流的幅值能夠使該斷路器更快達到穩(wěn)定溫升值附近。由圖3(b)和4(b)可知,在試驗電流幅值相同的情況下,提高試驗電流的頻率也能加快該斷路器溫升速度,但作用小于提高試驗電流的幅值。

4 結 語

本文通過對開關設備溫升特性進行理論分析,并結合開關設備歷史的溫升試驗數(shù)據(jù),提出一種開關設備快速溫升試驗方法。通過改變試驗電流的幅值或頻率,在實際斷路器上進行了多項溫升試驗,驗證了所提方法的有效性。

(1)電流幅值與開關設備的溫升速度關系較大。理論分析表明電流幅值越大導體阻性損耗越大,導體發(fā)熱越多,從而導致開關設備的溫升速度越快。文中的試驗結果表明,提高試驗電流的幅值至額定值的1.5倍,可縮短溫升時間15.79%。

(2)電流頻率與開關設備的溫升速度關系較小。理論分析表明電流頻率越高導體的鐵磁損耗越大,從而導致開關設備的溫升速度越快。試驗結果表明,提高電流的頻率至額定值的3倍,可縮短溫升時間7.41%。

(3)文中提出的一種開關設備快速溫升試驗平臺及其測試方法,通過提高試驗電流幅值及頻率并合理控制通電時間,可有效縮短抽檢開關設備的溫升試驗時間。