開關(guān)設(shè)備快速溫升試驗(yàn)方法研究*

戴建卓, 賈勇勇, 張思聰, 趙 恒, 宋思齊, 儲(chǔ)昭杰

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

0 引 言

開關(guān)設(shè)備的質(zhì)量對(duì)于保障電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行十分重要。開關(guān)設(shè)備在運(yùn)行時(shí),流過開關(guān)設(shè)備的交變電流會(huì)在回路導(dǎo)體電阻、觸頭接觸電阻等產(chǎn)生熱損耗。同時(shí),交變電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)也會(huì)作用于主回路的鐵磁物體和絕緣介質(zhì),產(chǎn)生鐵損耗和介質(zhì)損耗。上述損耗會(huì)導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備的溫度升高,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞,危及電網(wǎng)供配電安全[1-3]。

溫升試驗(yàn)是驗(yàn)證開關(guān)設(shè)備載流能力的重要試驗(yàn),用于考核導(dǎo)電回路通以電流后的發(fā)熱情況。當(dāng)開關(guān)設(shè)備通過電流時(shí),由于電阻損耗、渦流損耗和磁滯損耗,使電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?其中一部分散失到周圍介質(zhì)中去,一部分使載流導(dǎo)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(dāng)導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱平衡時(shí),導(dǎo)體溫升將達(dá)到穩(wěn)定值。大量事實(shí)證明,開關(guān)類設(shè)備溫升試驗(yàn)全過程至少需要3 h,試驗(yàn)效率低下,因此縮短溫升試驗(yàn)時(shí)間頗具工程實(shí)際意義。目前已有不少學(xué)者針對(duì)開關(guān)設(shè)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(duì)溫升有一定影響;矯財(cái)東[6]通過試驗(yàn)研究了不同頻率電流對(duì)開關(guān)設(shè)備溫升情況的影響,說明電流頻率與溫升時(shí)間存在一定聯(lián)系;屈建宇等[7]利用多物理場(chǎng)耦合方法建立斷路器仿真模型,可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電力設(shè)備的溫升特性。

上述研究表明開關(guān)設(shè)備溫升時(shí)間與電源電流幅值、頻率有一定關(guān)系,但并未提出一種提高開關(guān)設(shè)備溫升試驗(yàn)效率的可靠方法。本文提出了一種開關(guān)設(shè)備快速溫升試驗(yàn)方法,并通過試驗(yàn)結(jié)果證明可有效提高溫升試驗(yàn)效率,且保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

1 開關(guān)設(shè)備溫升理論分析

開關(guān)設(shè)備的溫升主要由導(dǎo)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(duì)導(dǎo)體發(fā)熱的影響。接著,對(duì)試驗(yàn)中導(dǎo)體的散熱情況進(jìn)行分析。最后,綜合導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱情況分析導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性。

1.1 開關(guān)設(shè)備的發(fā)熱分析

開關(guān)設(shè)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(shè)備導(dǎo)體回路本身的電阻熱效應(yīng)產(chǎn)生,磁滯損耗和渦流損耗則主要由設(shè)備中的鐵磁部件產(chǎn)生[8]。

載流導(dǎo)體的阻性損耗為

(1)

(2)

式中:Pj,f——載流導(dǎo)體在頻率f時(shí)的損耗功率;

kj——考慮交流趨膚效應(yīng)的附加損耗系數(shù);

ke——考慮鄰近效應(yīng)的附加損耗系數(shù);

J——電流密度;

G——導(dǎo)體質(zhì)量;

ρ——導(dǎo)體的電阻系數(shù);

I——電流值;

S——導(dǎo)體截面積;

γ——導(dǎo)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(shí)零件單位重量的功率損耗;

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度;

σh、σf——不同材質(zhì)的系數(shù)[9]。

由式(1)～式(3)可知,導(dǎo)體的阻性損耗與電流幅值I的2次方成正比,導(dǎo)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(dāng)電源電流頻率一定時(shí),電流幅值越高,導(dǎo)體損耗越大;當(dāng)電流幅值一定時(shí),電流頻率越高,導(dǎo)體損耗越大[10-11]。

1.2 開關(guān)設(shè)備的散熱分析

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

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

(4)

式中:q——導(dǎo)體單位體積內(nèi)的生成熱;

λ——導(dǎo)熱系數(shù);

dQ/dX——導(dǎo)體單位長(zhǎng)度內(nèi)的溫度變化。

幻想是人類的天性，在史前的蒙昧?xí)r期神話傳說已經(jīng)誕生，思維的最初形式就是將認(rèn)知修辭化，這也正是兒童文學(xué)最本源的能量。然而兒童文學(xué)始于18世紀(jì)，顯示出一個(gè)漫長(zhǎng)的歷史缺位，原因在于文學(xué)話語主體的缺位。當(dāng)神話探索逐漸轉(zhuǎn)向事件記載，再到故事的虛構(gòu)，成人因素成為文學(xué)發(fā)展的主宰，兒童的聲音淹沒在話語時(shí)空中，兒童接受層面的經(jīng)驗(yàn)和需求不被納入文學(xué)話語的建構(gòu)過程。在這個(gè)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(zhǔn)則束縛的被動(dòng)接受。這種表達(dá)的缺陷導(dǎo)致了話語信息傳輸?shù)臄鄬?，除了教條式的話語復(fù)制外，難以得到應(yīng)有的行為回報(bào)。當(dāng)人們能夠主動(dòng)全面地考察文學(xué)活動(dòng)的接受主體時(shí)，兒童文學(xué)才真正產(chǎn)生了能量。

(2)熱對(duì)流:空間中具有流動(dòng)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(dòng),從而使空間溫度趨于均勻,通常熱對(duì)流伴隨著熱傳導(dǎo)同時(shí)發(fā)生。熱對(duì)流的影響因素主要包括溫差、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱物體的厚度與截面積。熱對(duì)流過程為

Q=αA0(T0-Tf)

(5)

式中:Q——熱流量;

α——對(duì)流散熱系數(shù);

A0——對(duì)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(duì)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(zhì),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(dǎo)與導(dǎo)體單位長(zhǎng)度內(nèi)的溫度變化成正比,熱對(duì)流與導(dǎo)體溫度和周圍空氣溫度之差成正比,熱輻射與導(dǎo)體溫度4次方和周圍空氣溫度4次方之差成正比。當(dāng)周圍空氣溫度不變時(shí),導(dǎo)體溫度越高,其散熱功率越大。

1.3 開關(guān)設(shè)備熱穩(wěn)定性分析

試驗(yàn)中的開關(guān)設(shè)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(dǎo)的方式向空氣進(jìn)行傳熱;開關(guān)設(shè)備周圍的高溫空氣與遠(yuǎn)處的常溫空氣存在一定溫差,因而發(fā)生熱對(duì)流現(xiàn)象。由于發(fā)熱功率不變,溫度上升導(dǎo)致散熱過程加劇,一段時(shí)間后發(fā)熱和散熱功率持平,設(shè)備溫度逐漸保持穩(wěn)定,達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí),開關(guān)設(shè)備溫度與周圍環(huán)境溫度之差即為開關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定溫升值。

2 快速溫升試驗(yàn)方法

根據(jù)理論分析可知,增大試驗(yàn)電流的幅值和頻率均可導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備的發(fā)熱增加,從而使其溫度快速升高。為保證溫升試驗(yàn)的可靠性,本節(jié)首先通過對(duì)開關(guān)設(shè)備的歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到其快速溫升限值。然后,結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用的可行性,提出一種快速溫升試驗(yàn)方法。

2.1 快速溫升限值

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

針對(duì)額定電流為400 A和630 A的兩種斷路器,對(duì)其歷史溫升試驗(yàn)的穩(wěn)定溫升值分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)差。

正態(tài)分布曲線任意兩個(gè)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(duì)于額定電流為400 A的斷路器,其溫升均值為36.65 K,標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于額定電流為630 A的斷路器,其溫升均值為57.86 K,標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)方法

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

圖1 溫升試驗(yàn)回路示意圖

(1)搭建溫升試驗(yàn)回路。

(2)根據(jù)被試品的額定電流,統(tǒng)計(jì)分析該類開關(guān)設(shè)備的歷史溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù),確定被試品的快速溫升限值。

(3)設(shè)定初始試驗(yàn)電流的幅值為額定電流的1.2～1.5倍,并設(shè)定電流頻率為工頻的2～3倍,以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件為準(zhǔn)。

(4)對(duì)開關(guān)設(shè)備施加初始試驗(yàn)電流,并在線監(jiān)測(cè)開關(guān)設(shè)備端口的溫度。

(5)合理控制施加初始試驗(yàn)電流的時(shí)間,當(dāng)溫升達(dá)到快速溫升限值時(shí),及時(shí)降低電流幅值和頻率至額定狀態(tài)。

(6)當(dāng)1 h內(nèi)溫升變化量小于1 K時(shí),結(jié)束試驗(yàn),此時(shí)溫升值即為該開關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定溫升值。

3 算例分析

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)對(duì)象為2臺(tái)額定電流分別為400 A和630 A的斷路器。試驗(yàn)設(shè)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(yàn)過程中,保證斷路器結(jié)構(gòu)完整,成套試驗(yàn)設(shè)備按正常使用時(shí)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(yàn)期間其外殼防護(hù)等級(jí)不降低;在常溫、封閉且寬敞的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn),保證試驗(yàn)區(qū)域不會(huì)受到熱輻射、熱對(duì)流的影響。此外,試驗(yàn)前后均對(duì)儀器的狀態(tài)進(jìn)行檢查與校準(zhǔn)。溫升試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 溫升試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.2 試驗(yàn)過程

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

表1 不同情況下兩種斷路器溫升試驗(yàn)情況

同樣,對(duì)額定電流為630 A的斷路器進(jìn)行變電流和變電流頻率試驗(yàn)10～試驗(yàn)18,在溫升達(dá)到快速溫升限值(45 K)時(shí),將試驗(yàn)電流恢復(fù)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(shí)間及熱穩(wěn)定溫度。考慮到其額定電流較大,因此將對(duì)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(yàn)結(jié)果分析

由表1可見,試驗(yàn)前后開關(guān)設(shè)備的回路電阻變化率均小于15%,表明試驗(yàn)中施加的大電流未對(duì)開關(guān)設(shè)備性能造成明顯影響,試驗(yàn)結(jié)果是可靠有效的。

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

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

通過比較試驗(yàn)1、試驗(yàn)9可知,對(duì)于額定電流為400 A的斷路器,提高試驗(yàn)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(yàn)時(shí)間達(dá)21.31%;通過比較試驗(yàn)10、試驗(yàn)18可知,對(duì)于額定電流為630 A的斷路器,提高試驗(yàn)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(yàn)時(shí)間達(dá)9.09%。

不同情況下額定電流為400 A的斷路器溫升隨時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間變化曲線

由圖3(a)和4(a)可知,在試驗(yàn)電流頻率相同的情況下,提高試驗(yàn)電流的幅值能夠使該斷路器更快達(dá)到穩(wěn)定溫升值附近。由圖3(b)和4(b)可知,在試驗(yàn)電流幅值相同的情況下,提高試驗(yàn)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(yàn)電流的幅值。

4 結(jié) 語

本文通過對(duì)開關(guān)設(shè)備溫升特性進(jìn)行理論分析,并結(jié)合開關(guān)設(shè)備歷史的溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù),提出一種開關(guān)設(shè)備快速溫升試驗(yàn)方法。通過改變?cè)囼?yàn)電流的幅值或頻率,在實(shí)際斷路器上進(jìn)行了多項(xiàng)溫升試驗(yàn),驗(yàn)證了所提方法的有效性。

(1)電流幅值與開關(guān)設(shè)備的溫升速度關(guān)系較大。理論分析表明電流幅值越大導(dǎo)體阻性損耗越大,導(dǎo)體發(fā)熱越多,從而導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備的溫升速度越快。文中的試驗(yàn)結(jié)果表明,提高試驗(yàn)電流的幅值至額定值的1.5倍,可縮短溫升時(shí)間15.79%。

(2)電流頻率與開關(guān)設(shè)備的溫升速度關(guān)系較小。理論分析表明電流頻率越高導(dǎo)體的鐵磁損耗越大,從而導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備的溫升速度越快。試驗(yàn)結(jié)果表明,提高電流的頻率至額定值的3倍,可縮短溫升時(shí)間7.41%。

(3)文中提出的一種開關(guān)設(shè)備快速溫升試驗(yàn)平臺(tái)及其測(cè)試方法,通過提高試驗(yàn)電流幅值及頻率并合理控制通電時(shí)間,可有效縮短抽檢開關(guān)設(shè)備的溫升試驗(yàn)時(shí)間。