高壓開關柜動熱穩定試驗方法的研究

尹奎龍，任 煒，任社宜，王 磊

（1.國網山東省電力公司物資公司，山東 濟南 250001；2.蘇州工業園區海沃科技有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引 言

電流通過能力是開關設備的基本性能之一，通常由設備的額定電流、額定短時耐受電流以及額定峰值耐受電流3個參數來進行衡量[1]。

額定短時耐受電流又稱為額定熱穩定電流，是指在規定的使用條件下，開關設備和控制設備在合閘位置能夠承受的電流有效值[2]。當電力系統發生短路故障時，并非所有的開關設備都要同時進行動作，只有靠近短路故障點的開關設備開斷動作，其他設備仍處于閉合狀態。考慮到相關設備繼電保護動作之間的配合，要求開關設備在規定的額定短路持續時間內要持續承受很大的短路電流，同時不發生異常現象。額定短時耐受電流試驗是對觸頭的材料、接觸面的優劣以及結構機械強度性能的綜合考量[3]。若觸頭材料的選用或相關結構設計不合理，溫升過高或瞬時觸頭分離引發的電弧會導致接觸面劣化而熔焊，造成開關設備開斷失敗，導致電力系統故障進一步蔓延。額定峰值耐受電流也被稱為額定動穩定電流，是指在規定的條件下開關設備和控制設備在合閘位置能夠承載的額定短時耐受電流第一個大半波的電流峰值[4]。額定峰值耐受電流等于額定短路關合電流，一般為其額定短時耐受電流的2.5倍。

優良的動熱穩定性能是保證電力設備安全可靠運行的基礎[5]。開展開關柜動熱穩定性試驗抽檢工作能夠有效檢驗相應設備的動熱穩定性能，保障設備和電力系統的安全穩定運行。目前常用的電源系統都存在著試驗裝置要求高、投資規模大、占地面積大以及建設審批難度大等問題，試驗開展難度較大。而儲能式智能電源系統能夠有效規避上述難點，利用長時儲能和短時釋放的原理開展對開關設備的大容量試驗。

1 動熱穩定性試驗標準及相關要求

開關柜動熱穩定性試驗的主要標準為《3.6 kV～40.5 kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》（GB3906-2006）和《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》（GB/T11022-2011）。上述兩項標準規定了開關柜動熱穩定性試驗中開關設備的布置、控制設備的布置、試驗回路的布置、試驗電流和持續時間、試驗過程中設備的表現以及試驗后設備的狀態等內容，主要試驗原則及技術要求共有6點。一是金屬封閉開關設備和控制設備的額定短時耐受電流和峰值耐受電流試驗包括主回路試驗和接地回路試驗兩部分。二是被試設備的布置應能獲得最嚴酷的條件，應安裝在自身的支架或等效支架上，并且裝上自身的操動機構。三是每次試驗前，機械開關裝置要做一次空載操作，除接地開關外還要測量主回路接地電阻。四是試驗電流的交流分量原則上應該等于開關設備和控制設備的額定短時耐受電流的交流分量。峰值電流應該不小于額定峰值耐受電流，未經制造廠同意不應超過該值的5%。五是所有的開關設備和控制設備應該能承載額定峰值耐受電流及其額定短時耐受電流，不得引起任何部件的機械損傷或觸頭分離。六是試驗后開關設備和控制設備不應該有明顯的損壞，應該能正常操作，連續承載其額定電流而不超過規定的溫升限值，并在絕緣試驗時能承受規定的電壓。

2 開關柜動熱穩定性試驗裝置及回路

開關柜短時耐受電流及峰值耐受電流試驗對試驗電源的容量要求較高，要在試品回路持續流過幾秒鐘高達幾十千安的大電流。利用儲能式智能電源的短時大容量輸出能力，并配以高變比試驗變壓器，滿足開關柜短時耐受電流和峰值耐受電流試驗的要求。試驗接線示意圖如圖1所示。

圖1 開關柜短時耐受電流和峰值耐受電流試驗接線示意圖

儲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。進行短時耐受電流和峰值耐受電流試驗時，儲存在功率單元模塊上的電能經逆變器變換輸出至特種中間變壓器（高變比試驗變壓器），中間變壓器將智能電源的高電壓小電流輸出轉換為低電壓大電流輸出，從而滿足相關國家標準中對開關柜動熱穩定性試驗中試驗電流的各項要求。圖2為配套的特種中間試驗變壓器，其實現了將儲能式智能電源的高壓輸出轉換為動熱穩定性試驗所需要的大電流輸入。

圖2 配套的特種中間試驗變壓器

特種中間試驗變壓器的主要性能指標如表1所示。

表1 特種中間試驗變壓器的主要性能指標

3 開關柜動熱穩定性試驗方案及實施

基于所設計的開關柜動熱穩定性試驗裝置及回路，開展10 kV開關柜短時耐受電流和峰值耐受電流試驗，采集試驗過程中相應設備輸出的電流信號和電壓信號，并按照標準要求對試驗結果進行分析。

3.1 試品的主要參數

先后對真空斷路器和開關柜等不同開關設備進行短時耐受電流和峰值耐受電流試驗，以充分驗證試驗技術方案的可行性和普適性。被試真空斷路器為某公司生產的單相真空斷路器，該產品運行至今，未出現過重大事故，運行情況狀態良好，各項出廠試驗和例行試驗指標均處于正常水平。被測試的真空斷路器主要性能參數如表2所示。

表2 真空斷路器的主要性能參數

被試開關柜為某公司生產的10 kV金屬鎧裝抽出式金屬開關設備，該產品運行至今，未經歷過重大事故，運行狀態良好，各項出廠試驗和例行試驗指標均處于正常水平。被試開關柜外形如圖3所示。

圖3 被試開關柜外形圖

被試開關柜內配置的斷路器為某公司生產的戶內高壓真空斷路器，斷路器采用彈簧操動機構，操動機構與本體一體化設計。圖4為真空斷路器結構示意圖。

圖4 真空斷路器結構示意圖

真空斷路器的主要性能參數如表3所示。

表3 真空斷路器的主要性能參數

本文重點對被試開關柜主回路部分的動熱穩定性能進行考核，試驗開始前測量開關柜內主回路的回路電阻，并進行空載分合操作3次。

3.2 動熱穩定性試驗的實施

3.2.1 真空斷路器動熱穩定性試驗

正式試驗前開展預實驗，調節試驗回路及儲能式智能電源參數，使得正式試驗時輸出電流能夠滿足要求。圖5為試驗過程中采集到的真空開關試驗電流波形圖。

圖5 真空斷路器動熱穩定性試驗電流波形

從圖5可以看出，試驗電流最大值為37.5 kA，與理論標稱值偏差0.8%。交流分量有效值為20.5 kA，與理論標稱值偏差2.5%，持續時間為4 s。滿足國家標準對試驗電流和持續時間的要求。

試驗結束后，立即對真空斷路器進行分合閘操作3次，測量回路電阻并檢查設備運行狀態。表4為真空斷路器短時耐受電流和峰值耐受電流試驗的試驗內容及結果。

表4 真空斷路器動熱穩定性試驗試驗內容及結果

試驗后，聯接點無熔焊、自動彈開或不允許的位移，機械部件或絕緣件無損傷，開關設備正常分合閘操作3次，試驗前后A相回路電阻由57.6 mW增到61.1 mW，試驗內容符合相關標準要求，被試真空斷路器的短時耐受電流和峰值耐受電流試驗結果滿足相關規定。

3.2.2 12 kV開關柜動熱穩定性試驗

正式試驗前進行預實驗，調節試驗回路及儲能式智能電源參數，使得正式試驗時輸出電流能夠滿足要求。試驗過程中采集到的開關柜主回路試驗電流波形如圖6所示。

圖6 開關柜動熱穩定性試驗電流波形

從圖6可以看出，試驗電流最大值為80.2 kA，交流分量有效值為32.3 kA，持續時間為2 s，滿足國家標準對試驗電流和持續時間的要求，證明了本項目提出的基于儲能式智能電源的開關設備動熱穩定性試驗方案具有一定的可行性和有效性，能夠開展開關柜動熱穩定性試驗。

表5所示為開關柜短時耐受電流和峰值耐受電流試驗的試驗內容及結果。

表5 開關柜短時耐受電流和峰值耐受電流試驗的試驗內容及結果

試驗后，聯接點無熔焊、自動彈開或不允許的位移，機械部件或絕緣件無損傷，真空斷路器未正常分閘，機構出現卡澀，試驗前后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。試驗內容符合相關標準要求，但試驗后C相回路電阻數值較試驗前增加20.5%，超出標準要求值（20%）。

為了進一步確認開關柜試驗后的性能，立即對開關柜內的開關設備進行分合閘操作，發現開關無法分閘，檢查開關柜的狀態，發現操作機構卡澀，組件出現位移。根據相關標準要求，該被試開關柜未能通過短時耐受電流和峰值耐受電流試驗。

4 結 論

本文提出了基于儲能式智能電源的開關設備短時耐受電流和峰值耐受電流試驗技術方案，并以開關柜為對象開展試驗驗證。試驗結果表明本文提出的開關設備短時耐受電流和峰值耐受電流試驗技術方案具有參數控制準確和試驗過程簡單便捷等特點，能夠滿足目前國家標準對試驗電流及裝置的各項要求，具有一定的可行性。