電氣設(shè)備動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)淺議
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摘要：動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)是高低壓電氣設(shè)備的一項(xiàng)重要的型式試驗(yàn)，本文通過(guò)研究高低壓電氣設(shè)備的動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)要求及試驗(yàn)回路，提出試驗(yàn)注意事項(xiàng)，以期能為相關(guān)高低壓電器設(shè)備生產(chǎn)廠家及檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)提供參考。
關(guān)鍵詞：動(dòng)熱穩(wěn)定；短路；短時(shí)耐受；峰值耐受；峰值系數(shù)
當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，出現(xiàn)大容量的短路電流會(huì)導(dǎo)致電氣線路中的電氣設(shè)備因電動(dòng)力的機(jī)械效應(yīng)或者電流熱效應(yīng)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)變形或損毀，如果線路中的保護(hù)電器（斷路器或熔斷器）在繼電保護(hù)所設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)動(dòng)作而斷開(kāi)電路，可在一定程度上緩解事故，而保護(hù)電器的失靈（拒動(dòng)或延遲動(dòng)作）將會(huì)進(jìn)一步加劇事故，因此電氣設(shè)備必須加強(qiáng)其短路耐受電流能力的考核，而動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)正是考核在規(guī)定的使用條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)電路在閉合位置上的電氣設(shè)備所能承載的電流情況。
1試驗(yàn)要求
由于動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)是對(duì)電氣設(shè)備流過(guò)短路電流的考核，沒(méi)有被試品的關(guān)合或開(kāi)斷，所以沒(méi)有關(guān)合電壓或開(kāi)斷瞬態(tài)恢復(fù)電壓的考核，對(duì)于試驗(yàn)電壓沒(méi)有要求，無(wú)論高壓電氣設(shè)備或低壓電氣設(shè)備均是如此。對(duì)于動(dòng)熱穩(wěn)定來(lái)說(shuō)，電動(dòng)力造成的機(jī)械應(yīng)力主要體現(xiàn)在峰值電流流過(guò)電氣設(shè)備而發(fā)生的狀況（峰值耐受電流），而熱應(yīng)力體現(xiàn)了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的電流在一段時(shí)間內(nèi)在電氣設(shè)備上熱量累積而產(chǎn)生的效果（短時(shí)耐受電流）。如果試驗(yàn)系統(tǒng)峰值系數(shù)（電流峰值/電流有效值）滿足要求，兩個(gè)試驗(yàn)可以合并實(shí)施，如果試驗(yàn)系統(tǒng)峰值系數(shù)不能滿足要求，兩個(gè)試驗(yàn)則分開(kāi)實(shí)施。由于高低壓系統(tǒng)特性及繼電保護(hù)特性不同，所以高低壓電氣設(shè)備峰值系數(shù)（依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB∕T11022-2020《高壓交流開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》以及GB14048.1-2012《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1部分：總則》）也不盡相同，具體要求如表1、表2所示。對(duì)于峰值耐受電流的時(shí)間，高壓電氣設(shè)備一般按照0.3s實(shí)施，低壓電氣設(shè)備要求持續(xù)時(shí)間不應(yīng)該小于0.3s。而短時(shí)耐受電流時(shí)間，高壓電氣設(shè)備額定短路持續(xù)時(shí)間的優(yōu)選值為2s，也可以選取大于2s的值，如3s和4s，低壓電氣設(shè)備一般按照1s實(shí)施。動(dòng)熱穩(wěn)定頻率允差為±25％，電流應(yīng)是額定值的±5％。
2試驗(yàn)回路
由于動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)對(duì)于試驗(yàn)電壓沒(méi)有要求，所以無(wú)論是低壓還是高壓電氣設(shè)備的該試驗(yàn)，基于考慮試驗(yàn)的易于實(shí)現(xiàn)性及節(jié)約試驗(yàn)設(shè)備、運(yùn)行成本，動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)都會(huì)采用低壓回路實(shí)施，一般采用低壓大容量短路試驗(yàn)回路。其試驗(yàn)原理如圖1所示。S：電源QF：斷路器HK：合閘開(kāi)關(guān)R：調(diào)節(jié)電阻器L：調(diào)節(jié)電抗器T：短路變壓器Z：試品圖1低壓大容量短路試驗(yàn)原理圖低壓電器試驗(yàn)系統(tǒng)一般采用電網(wǎng)作為試驗(yàn)電源，因?yàn)殡娋W(wǎng)提供的試驗(yàn)容量一般能夠滿足試驗(yàn)要求。近年來(lái)，也有部分檢測(cè)機(jī)構(gòu)采用短路發(fā)電機(jī)實(shí)施高端大容量電器的短路相關(guān)試驗(yàn)?；芈房刂撇捎脭嗦菲髋c合閘開(kāi)關(guān)的配合，一方面是兩個(gè)開(kāi)關(guān)可以解決試驗(yàn)時(shí)間較短（比如低壓電器設(shè)備動(dòng)穩(wěn)定試驗(yàn)0.1s）、不能精準(zhǔn)控制的問(wèn)題，另一方面是利用合閘開(kāi)關(guān)解決了關(guān)合過(guò)程精準(zhǔn)控制合閘角度而保證了電流峰值的問(wèn)題。調(diào)節(jié)電抗器與調(diào)節(jié)電阻器的配合可使回路達(dá)到要求的阻抗以及功率因數(shù)而達(dá)到調(diào)節(jié)回路穩(wěn)定電流及峰值電流的目的。試驗(yàn)變壓器是為了降低試驗(yàn)電壓而達(dá)到降低功耗的目的，從理論上來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)電壓越低，試驗(yàn)功耗就越小，但試驗(yàn)電壓也不宜太低，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)本身具有一定阻抗，尤其電壓越高，電氣設(shè)備體積就越大，勢(shì)必導(dǎo)致其本體阻抗越大，所以電壓等級(jí)越高的電氣設(shè)備試驗(yàn)電壓也越高。
3試驗(yàn)注意事項(xiàng)及試驗(yàn)判據(jù)
為了盡可能地模擬系統(tǒng)事故工況，試品應(yīng)安裝于本體或等體支架上，觸頭壓力應(yīng)調(diào)節(jié)至產(chǎn)品規(guī)定的下限值，對(duì)于帶有電流互感器的電氣設(shè)備，如果電流互感器一次側(cè)接入試驗(yàn)回路，應(yīng)將電流互感器二次側(cè)短接并可靠接地以防止試驗(yàn)過(guò)程中過(guò)電壓的產(chǎn)生；如果電氣設(shè)備具有過(guò)電流保護(hù)斷開(kāi)的功能，需采取保證回路通流不斷開(kāi)的措施。試品接入回路應(yīng)模擬正常使用工況的機(jī)械應(yīng)力，但不能超過(guò)實(shí)際使用的情況。如果檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)備不能滿足試驗(yàn)要求，允許作以下變更，但應(yīng)滿足如下要求：t10∫i12dt≥I2×t（1）式中：t1為實(shí)際試驗(yàn)的通電時(shí)間，t為規(guī)定的通電時(shí)間，I1為實(shí)際試驗(yàn)電流，I為試驗(yàn)電流要求值。試驗(yàn)后，需做試品和觸頭的外觀檢查；電氣設(shè)備用正常操動(dòng)方式操作應(yīng)能正常動(dòng)作，并能夠承載相關(guān)額定連續(xù)電流；檢查電氣設(shè)備回路電阻的變化，應(yīng)不超過(guò)20%，同時(shí)要求接地導(dǎo)體和元件保持連續(xù)性。
4試驗(yàn)實(shí)例
某箱變型號(hào)YBM-12/0.4-630,其主回路同時(shí)包含高壓與低壓，高壓試驗(yàn)要求值分別為50kA（峰值）與20kA/4s（有效值）,低壓試驗(yàn)要求值分別為63kA（峰值）與30kA/1s（有效值）。高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備為兩臺(tái)高壓環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)柜（分別為C柜和F柜），根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求兩臺(tái)高壓柜都做，所以將其串聯(lián)實(shí)施，F(xiàn)柜中有熔斷器作為保護(hù)電器，為了保證試驗(yàn)電路連續(xù)性，采用與熔斷器外形與尺寸近視的模擬熔體（銅導(dǎo)體）替代熔斷器。由于高壓試驗(yàn)要求的峰值系數(shù)為2.5，這樣要求其功率因數(shù)約為0.08，阻抗比達(dá)到了13，而一般低壓回路阻抗比小于7（回路功率因數(shù)大于0.15），所以一次試驗(yàn)不能滿足要求，需要兩次試驗(yàn)來(lái)實(shí)施，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)其波形圖分別如圖2和圖3所示。在峰值耐受電流試驗(yàn)中，三相峰值分別為51.96kA(A相)，40.11kA(B相),44.75kA(C相)，A相電流滿足要求（不在中相），通電時(shí)間為0.3s，參數(shù)符合要求，試后無(wú)損傷、無(wú)變形、接頭無(wú)熔焊，接地導(dǎo)體和元件保持連續(xù)性，回路電阻變化符合要求。在短時(shí)耐受電流試驗(yàn)，三相有效值分別為20.15kA(A相)，20.65kA(B相),19.92kA(C相)，其三相平均值為20.24kA，通電時(shí)間為4s。參數(shù)符合要求，試后無(wú)損傷、無(wú)變形、接頭無(wú)熔焊，接地導(dǎo)體和元件保持連續(xù)性，回路電阻變化符合要求。高壓回路動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)合格。低壓回路主開(kāi)關(guān)為保護(hù)電器萬(wàn)能斷路器承擔(dān)，在試驗(yàn)中切除斷路器控制器電源以保證萬(wàn)能斷路器不會(huì)因?yàn)檫^(guò)流或短路而誤動(dòng)作。低壓試驗(yàn)要求的峰值系數(shù)為2.1，這樣要求其功率因數(shù)約為0.2，低壓大容量試驗(yàn)回路滿足要求，所以一次試驗(yàn)即可，試驗(yàn)波形圖如圖4所示。三相有效值/峰值分別為30.21/44.73kA（A相），30.55/63.08kA（B相）,30.26/64.36kA（C相），最大峰值電流為64.36kA（C相），峰值電流試驗(yàn)參數(shù)符合要求。三相電流平均值30.31kA，通電時(shí)間為1s，短時(shí)耐受電流試驗(yàn)參數(shù)符合要求，根據(jù)客戶(hù)要求計(jì)算三相焦耳積分各為（A相907.37×106A2s）、（B相941.97×106A2s）、（C相924.21×10A2s6）。試后無(wú)損傷、無(wú)變形、接頭無(wú)熔焊，接地導(dǎo)體和元件保持連續(xù)性，回路電阻變化符合要求。低壓回路動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)合格。
5結(jié)論
動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)由于試驗(yàn)電流大，回路及接線電阻無(wú)法準(zhǔn)確推算，通電時(shí)間長(zhǎng)，所以試驗(yàn)難度大。本文通過(guò)對(duì)高低壓電氣設(shè)備動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)的要求及試驗(yàn)回路、注意事項(xiàng)、判據(jù)做了詳盡的闡述，并通過(guò)極具特征的具體事例分析，希望對(duì)于實(shí)施相關(guān)試驗(yàn)的檢測(cè)人員及開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)制造人員以借鑒。
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作者:楊興 康志林 李濤 單位:甘肅電器科學(xué)研究院