萬能式斷路器TA N W 1（D W 45）在新能源領域中的可靠性應用探索

宋立國，白亞軍，胡海志

（1.寧波天安（集團）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）股份有限公司是新能源箱式變電站市場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外先進技術開發(fā)的，經過長期的運行和試驗證明萬能式斷路器本身不存在設計缺陷。多年運行結果也表明，在普通配電系統(tǒng)中，TANW1萬能式斷路器能安全正常運行，質量呈穩(wěn)定狀態(tài)。但TANW1萬能式斷路器配在新能源（光伏、風電系統(tǒng)）的美式、歐式箱變中，由于環(huán)境的特殊性，已出現(xiàn)了多次質量事故，表現(xiàn)為動靜觸頭、軟連接，抽屜式斷路器的橋形觸頭變色及燒壞等質量事故現(xiàn)象。

2 萬能式斷路器應用于新能源中存在的問題、原因、危害及應對措施

2.1 存在的主要問題

萬能式斷路器改進以前，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計、使用安全裕度都是比較大的，不會發(fā)生質量問題；但在新能源領域中斷路器會發(fā)生動靜觸頭接觸部分異常，斷路器動觸頭的軟連接有發(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，絕緣件燒壞等質量現(xiàn)象，具體見下表1。

使斷路器發(fā)生不正常的分斷（圖1-圖6）。

2.2 原因分析

2.2.1 電能質量

由于大容量電力和用電整流或交直流換流設備，以及其他非線性負荷，使線路中產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（非正弦周期信號按傅里葉級數(shù)展開為原信號頻率(50Hz)、兩倍及以上的正弦分量），使新能源系統(tǒng)的電磁場環(huán)境十分惡劣，嚴重影響元器件的正常運行。

高次諧波引起集膚效應（又叫趨膚效應，是電流或電壓以頻率較高的電子在導體中傳導時,會聚集于總導體表層,而非平均分布于整個導體的截面積中）。當導線流過交變電流時，根據(jù)楞次定律會在導線內部產生渦流,與導線中心電流方向相反，由于導線中心較導線表面的磁鏈大，在導線中心處產生的電動勢就比在導線表面附近處產生的電動勢大。這樣作用的結果使電流在表面流動，中心則無電流；頻率較高的電子在導體中傳導時,會聚集于總導體表層,而非平均分布于整個導體的截面積中，這樣就相對減少了有效導電面積，以常規(guī)的配電系統(tǒng)來設計，會存在質量隱患。

表1

圖1 動靜觸頭燒壞

圖2 斷路器內的軟連接變色

圖3 抽屜橋形觸頭發(fā)熱變色

圖4 單個燒壞的 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

斷路器實際使用環(huán)境溫度較高，有的達到70℃。在溫度變化范圍不大時，銅在不同溫度下的電阻率計算公式是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。若變壓器內的溫度升到60℃（實際情況可能還要大），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，整個回路的電阻將增大，溫升會超標。

銅在不同溫度時的電阻率數(shù)據(jù)：

表2

2.2.3 環(huán)境原因

低壓ACB斷路器生產合格后至箱式變電站投入使用，至少有好幾個月間隔時間，在這期間，由于氣候變化，特別是溫度變化，會引起凝露，導致動靜觸頭氧化，接觸電阻增大，引起溫升增大風險；同時在正常運行后，箱變內有時會滿負荷發(fā)電，有時負荷為0，如光伏，白天發(fā)電，晚上休息，晝夜溫差大，箱變內極易形成較大的凝露，存在嚴重的質量隱患。

2.2.4 斷路器的設計適用性

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、風電場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)中會產生過電壓、過電動力，且比常規(guī)配電項目發(fā)熱量大，在新能源系統(tǒng)中，這種設計參數(shù)不能完全滿足使用要求，易引起質量事故。

2.2.5 設計降容系數(shù)不夠

從配電角度看，有一定的設計裕度就能滿足安全可靠的運行，但在箱變新能源領域中，必須要有足夠大的設計裕度，否則易產生質量問題。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量問題。

2.3 易產生的危害

諧波電流、諧波電壓增加，其危害波及全網，對各種電氣設備都有不同程度的影響和危害。由于諧波電流使開關設備在啟動瞬間產生很高的電流變化率，使暫態(tài)恢復峰值電壓增大，破壞絕緣，還會引起斷路器誤動作，導致意外跳閘；諧波可引起系統(tǒng)的電感、電容發(fā)生諧振,使諧波放大，當諧波引起系統(tǒng)諧振時,諧波電壓升高,諧波電流增大,引起保護及安全自動裝置誤動,損壞系統(tǒng)設備。

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

2.4 采取的主要應對措施

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

增加動靜觸頭系統(tǒng)的彈簧力，對TANW1-2000系列斷路器，動靜觸頭間最終總接觸壓力增大約3%；對TANW1-3200系列斷路器，動靜觸頭間最終總接觸壓力增大約10%；保證足夠的接觸壓力，同時在分合閘操作時，有利于動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、有一定規(guī)模的彈簧專業(yè)企業(yè)生產，以便保證彈簧的制造質量。

加強關鍵零部件的進貨質量控制，保證導電回路、操作結構的質量可靠性。

第二，萬能式斷路器的選用。在新能源箱變的斷路器選型時，設計應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40℃以上時，可參考溫度每升高5℃，應降容至少0.5In左右。

表3

海拔增加對溫升的影響不大，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，適當加大外接銅母排的截面，同時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，如裝設由電容、電感及電阻組成的單調諧濾波器和高通濾波器。

第五，運行、維護。放置時間較長的斷路器，在投入運行前進行回路電阻的檢測，保證滿足合理要求的回路電阻，否則應用百潔布對動、靜觸頭進行清擦，再用紗布沾酒精擦干凈，保證動、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行。

用戶應對新能源中使用的斷路器加強定期/不定期的巡檢，特別是溫升檢測，及時發(fā)現(xiàn)質量隱患。建議用戶對萬能式斷路器進行必要的維護保養(yǎng)，具體做法是：若斷路器故障分斷次數(shù)超過3次（含3次），或在負荷較大時，在設備正常運行時，用紅外線測溫儀測量斷路器外接銅排溫度，當溫升超過60K時，建議停機，先采用百潔布對動、靜觸頭進行清擦，再用紗布沾酒精擦干凈，保證動、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行。

3 結語

改進完善的萬能式斷路器經過溫升、機械特性、機械壽命等對比試驗及在長沙花明樓風電、天津鑫達光伏多年運行證明，以上的探索能保證斷路器及箱變的安全運行，對此，還需要進一步加強研究，以提高萬能式斷路器在新能源領域的安全可靠運行。