萬(wàn)能式斷路器TANW1（DW45）在新能源領(lǐng)域中的可靠性

應(yīng)用探索

【摘 要】論文介紹了在新能源領(lǐng)域中，TANW1（DW45）萬(wàn)能式斷路器在美式箱變運(yùn)行中可能存在的主要問(wèn)題、產(chǎn)生原因及主要應(yīng)對(duì)技術(shù)措施，以保證萬(wàn)能式斷路器在新能源領(lǐng)域的安全可靠運(yùn)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(guān)鍵詞】新能源領(lǐng)域；萬(wàn)能式斷路器；質(zhì)量隱患；技術(shù)措施

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

【中圖分類(lèi)號(hào)】TM56 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）04-0187-03

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(wàn)能式斷路器是上海電科所吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)的，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行和試驗(yàn)證明萬(wàn)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(wàn)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(wàn)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(wàn)能式斷路器應(yīng)用于新能源中存在的問(wèn)題、原因、危害及應(yīng)對(duì)措施

2.1 存在的主要問(wèn)題

萬(wàn)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(wàn)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(wèn)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(jiàn)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(xiàn)性負(fù)荷，使線(xiàn)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(kāi)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(xiàn)流過(guò)交變電流時(shí)，根據(jù)楞次定律會(huì)在導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)部產(chǎn)生渦流，與導(dǎo)線(xiàn)中心電流方向相反，由于導(dǎo)線(xiàn)中心較導(dǎo)線(xiàn)表面的磁鏈大，在導(dǎo)線(xiàn)中心處產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)就比在導(dǎo)線(xiàn)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(wú)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(lái)設(shè)計(jì)，會(huì)存在質(zhì)量隱患。

2.2.2 斷路器使用溫度、海拔超過(guò)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)：

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(mǎn)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(wàn)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(guò)電壓、過(guò)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(mǎn)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(mǎn)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(wèn)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(wàn)能式斷路器還可能引起質(zhì)量問(wèn)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(kāi)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(wèn)題，在新能源領(lǐng)域中，常規(guī)萬(wàn)能式斷路器易產(chǎn)生嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)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(wàn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhuān)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(wàn)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(wàn)能式斷路器周?chē)鷾囟冗_(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。

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(zhǎng)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(mǎn)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(hù)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(hù)對(duì)萬(wàn)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(guò)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(xiàn)測(cè)溫儀測(cè)量斷路器外接銅排溫度，當(dāng)溫升超過(guò)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(yǔ)

改進(jìn)完善的萬(wàn)能式斷路器經(jīng)過(guò)溫升、機(jī)械特性、機(jī)械壽命等對(duì)比試驗(yàn)及在長(zhǎng)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(wàn)能式斷路器在新能源領(lǐng)域的安全可靠運(yùn)行。