宋立國，白亞軍，胡海志

（1.寧波天安（集團(tuán)）股份有限公司，浙江寧波315700；2.寧波誠慧電氣有限公司，浙江寧波315700）

1 引言

寧波天安（集團(tuán)）股份有限公司是新能源箱式變電站市場(chǎng)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(jìn)技術(shù)開發(fā)的，經(jīng)過長期的運(yùn)行和試驗(yàn)證明萬能式斷路器本身不存在設(shè)計(jì)缺陷。多年運(yùn)行結(jié)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(yùn)行，質(zhì)量呈穩(wěn)定狀態(tài)。但TANW1萬能式斷路器配在新能源（光伏、風(fēng)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(zhì)量事故，表現(xiàn)為動(dòng)靜觸頭、軟連接，抽屜式斷路器的橋形觸頭變色及燒壞等質(zhì)量事故現(xiàn)象。

2 萬能式斷路器應(yīng)用于新能源中存在的問題、原因、危害及應(yīng)對(duì)措施

2.1 存在的主要問題

萬能式斷路器改進(jìn)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(shè)計(jì)、使用安全裕度都是比較大的，不會(huì)發(fā)生質(zhì)量問題；但在新能源領(lǐng)域中斷路器會(huì)發(fā)生動(dòng)靜觸頭接觸部分異常，斷路器動(dòng)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(zhì)量現(xiàn)象，具體見下表1。

使斷路器發(fā)生不正常的分?jǐn)啵▓D1-圖6）。

2.2 原因分析

2.2.1 電能質(zhì)量

由于大容量電力和用電整流或交直流換流設(shè)備，以及其他非線性負(fù)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(hào)按傅里葉級(jí)數(shù)展開為原信號(hào)頻率(50Hz)、兩倍及以上的正弦分量），使新能源系統(tǒng)的電磁場(chǎng)環(huán)境十分惡劣，嚴(yán)重影響元器件的正常運(yùn)行。

高次諧波引起集膚效應(yīng)（又叫趨膚效應(yīng)，是電流或電壓以頻率較高的電子在導(dǎo)體中傳導(dǎo)時(shí),會(huì)聚集于總導(dǎo)體表層,而非平均分布于整個(gè)導(dǎo)體的截面積中）。當(dāng)導(dǎo)線流過交變電流時(shí)，根據(jù)楞次定律會(huì)在導(dǎo)線內(nèi)部產(chǎn)生渦流,與導(dǎo)線中心電流方向相反，由于導(dǎo)線中心較導(dǎo)線表面的磁鏈大，在導(dǎo)線中心處產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)就比在導(dǎo)線表面附近處產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)大。這樣作用的結(jié)果使電流在表面流動(dòng)，中心則無電流；頻率較高的電子在導(dǎo)體中傳導(dǎo)時(shí),會(huì)聚集于總導(dǎo)體表層,而非平均分布于整個(gè)導(dǎo)體的截面積中，這樣就相對(duì)減少了有效導(dǎo)電面積，以常規(guī)的配電系統(tǒng)來設(shè)計(jì)，會(huì)存在質(zhì)量隱患。

表1

圖1 動(dòng)靜觸頭燒壞

圖2 斷路器內(nèi)的軟連接變色

圖3 抽屜橋形觸頭發(fā)熱變色

圖4 單個(gè)燒壞的 橋形觸頭

圖5 斷路器本體母排

圖6 發(fā)熱燒壞絕緣件

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(shí)際使用環(huán)境溫度較高，有的達(dá)到70℃。在溫度變化范圍不大時(shí)，銅在不同溫度下的電阻率計(jì)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(shí)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(gè)回路的電阻將增大，溫升會(huì)超標(biāo)。

銅在不同溫度時(shí)的電阻率數(shù)據(jù)：

表2

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(gè)月間隔時(shí)間，在這期間，由于氣候變化，特別是溫度變化，會(huì)引起凝露，導(dǎo)致動(dòng)靜觸頭氧化，接觸電阻增大，引起溫升增大風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)在正常運(yùn)行后，箱變內(nèi)有時(shí)會(huì)滿負(fù)荷發(fā)電，有時(shí)負(fù)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(yán)重的質(zhì)量隱患。

2.2.4 斷路器的設(shè)計(jì)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(yùn)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(chǎng)、風(fēng)電場(chǎng)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(huì)產(chǎn)生過電壓、過電動(dòng)力，且比常規(guī)配電項(xiàng)目發(fā)熱量大，在新能源系統(tǒng)中，這種設(shè)計(jì)參數(shù)不能完全滿足使用要求，易引起質(zhì)量事故。

2.2.5 設(shè)計(jì)降容系數(shù)不夠

從配電角度看，有一定的設(shè)計(jì)裕度就能滿足安全可靠的運(yùn)行，但在箱變新能源領(lǐng)域中，必須要有足夠大的設(shè)計(jì)裕度，否則易產(chǎn)生質(zhì)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(zhì)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(duì)各種電氣設(shè)備都有不同程度的影響和危害。由于諧波電流使開關(guān)設(shè)備在啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率，使暫態(tài)恢復(fù)峰值電壓增大，破壞絕緣，還會(huì)引起斷路器誤動(dòng)作，導(dǎo)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(dāng)諧波引起系統(tǒng)諧振時(shí),諧波電壓升高,諧波電流增大,引起保護(hù)及安全自動(dòng)裝置誤動(dòng),損壞系統(tǒng)設(shè)備。

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

2.4 采取的主要應(yīng)對(duì)措施

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

增加動(dòng)靜觸頭系統(tǒng)的彈簧力，對(duì)TANW1-2000系列斷路器，動(dòng)靜觸頭間最終總接觸壓力增大約3%；對(duì)TANW1-3200系列斷路器，動(dòng)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(shí)在分合閘操作時(shí)，有利于動(dòng)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(zhì)、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(zhì)量。

加強(qiáng)關(guān)鍵零部件的進(jìn)貨質(zhì)量控制，保證導(dǎo)電回路、操作結(jié)構(gòu)的質(zhì)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(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)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(dá)40℃以上時(shí)，可參考溫度每升高5℃，應(yīng)降容至少0.5In左右。

表3

海拔增加對(duì)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(dāng)加大外接銅母排的截面，同時(shí)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(shè)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(yùn)行、維護(hù)。放置時(shí)間較長的斷路器，在投入運(yùn)行前進(jìn)行回路電阻的檢測(cè)，保證滿足合理要求的回路電阻，否則應(yīng)用百潔布對(duì)動(dòng)、靜觸頭進(jìn)行清擦，再用紗布沾酒精擦干凈，保證動(dòng)、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(yùn)行。

用戶應(yīng)對(duì)新能源中使用的斷路器加強(qiáng)定期/不定期的巡檢，特別是溫升檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量隱患。建議用戶對(duì)萬能式斷路器進(jìn)行必要的維護(hù)保養(yǎng)，具體做法是：若斷路器故障分?jǐn)啻螖?shù)超過3次（含3次），或在負(fù)荷較大時(shí)，在設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量斷路器外接銅排溫度，當(dāng)溫升超過60K時(shí)，建議停機(jī)，先采用百潔布對(duì)動(dòng)、靜觸頭進(jìn)行清擦，再用紗布沾酒精擦干凈，保證動(dòng)、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(yùn)行。

3 結(jié)語

改進(jìn)完善的萬能式斷路器經(jīng)過溫升、機(jī)械特性、機(jī)械壽命等對(duì)比試驗(yàn)及在長沙花明樓風(fēng)電、天津鑫達(dá)光伏多年運(yùn)行證明，以上的探索能保證斷路器及箱變的安全運(yùn)行，對(duì)此，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究，以提高萬能式斷路器在新能源領(lǐng)域的安全可靠運(yùn)行。