高壓開關(guān)溫升試驗(yàn)方法的研究

孫蕊 高楊 周忠杰

[摘? ? 要]? 隨著人們對電力越來越高的要求，我國的電力建設(shè)目前備受關(guān)注。近年來，我國大力進(jìn)行電力建設(shè)，在進(jìn)行電力建設(shè)的過程中，需要通過高壓電進(jìn)行電力輸送，因此電力的安全十分重要，而高壓開關(guān)作為電力基礎(chǔ)設(shè)施中十分重要的設(shè)備，對于其安全系數(shù)，也有著極高的要求。要檢測高壓開關(guān)的各項(xiàng)指標(biāo)，就需要通過高壓開關(guān)溫升試驗(yàn)來進(jìn)行。本文對高壓開關(guān)溫升試驗(yàn)進(jìn)行研究，進(jìn)一步獲得滿足高壓電路工程需要的開關(guān)設(shè)備。

[關(guān)鍵詞]高壓開關(guān);溫升試驗(yàn);仿真實(shí)驗(yàn)

[中圖分類號]TM564 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）03–00–03

[Abstract]With the increasing demand of the people for electric power， my country's electric power construction is currently attracting attention. In recent years， my country has vigorously carried out power construction. In the process of power construction， it is necessary to transmit power through high-voltage power， so the safety of power is very important. As a very important device in the power infrastructure， high-voltage switches also have extremely high requirements for their safety factors. To detect the various indicators of the high-voltage switch， it is necessary to pass the high-voltage switch temperature rise test. This article studies the temperature rise test of high-voltage switches， and further obtains switchgear that meets the needs of high-voltage circuit engineering.

[Keywords]high voltage switch; temperature rise test; simulation experiment

在電力系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，發(fā)熱是一個十分重要的問題。電力系統(tǒng)溫度過高會導(dǎo)致很多設(shè)備和元件的運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)問題，造成設(shè)備甚至是整個電力系統(tǒng)的故障，嚴(yán)重的可能會引發(fā)安全問題。因此，溫升試驗(yàn)成為了設(shè)備和元件在投入使用前需要經(jīng)過的檢驗(yàn)。高壓開關(guān)作為保障整個電力系統(tǒng)安全和控制電力系統(tǒng)通斷的重要環(huán)節(jié)，自然也需要進(jìn)行溫升試驗(yàn)。

1 高壓開關(guān)溫升試驗(yàn)概念簡述

1.1 高壓開關(guān)概念

高壓開關(guān)是指額定電壓3kV以上，主要用于開端和關(guān)合導(dǎo)電回路的電器。高壓開關(guān)主要分為高壓斷路器、隔離開關(guān)和高壓負(fù)荷開關(guān)三種。高壓斷路器主要是用于控制一部分電力設(shè)備或線路拖入或退出運(yùn)行，以及在電力設(shè)備發(fā)生故障時，通過幾點(diǎn)保護(hù)裝置將故障部分切除，從而保護(hù)整個電力系統(tǒng)的作用。高壓斷路器按照其所采用的滅弧介質(zhì)，主要分為油斷路器、六氟化硫斷路器和真空斷路器三種。為了降低開關(guān)的溫升，改善接觸狀態(tài)和減少熱量是非常重要的。這是問題的主要方面，但另一方面是當(dāng)熱保持恒定時，冷卻條件對溫度上升起著決定性的作用。在本文中，從散熱的觀點(diǎn)出發(fā)，將焦點(diǎn)放在了開關(guān)溫度上，為了簡化掃描，開關(guān)僅限于等距截面桿。研究無限棒的溫度上升，在集中熱源的桿端和集中散熱器的另一端研究了有限的桿。因此，可以在不損害問題性質(zhì)的情況下得到解析，通過分析溶液，明確了各種因素對溫度上升的影響，找到了降低溫度上升的途徑。希望這項(xiàng)工作能對新開關(guān)的設(shè)計(jì)和舊開關(guān)的改良有所幫助，隔離開關(guān)主要起到在檢修時用于隔離高壓電源的作用，主要由導(dǎo)電、絕緣、傳動和底座組成。高壓負(fù)荷開關(guān)包含了高壓斷路器和高壓隔離開關(guān)的作用，具有較綜合的用途。

1.2 溫升試驗(yàn)概念

溫升試驗(yàn)是型式試驗(yàn)。在以往的溫度上升試驗(yàn)中，如果繞組的平均溫度上升（用電阻法測量）和油的最上層溫度上升，這2個溫度上升的實(shí)測值不超過基準(zhǔn)規(guī)定的容許溫度上升限度值，則可以認(rèn)為變壓器通過了溫度上升試驗(yàn)的型式試驗(yàn)。但隨著變壓器電壓水平的提高，大容量變壓器損耗的降低，光纖式測溫裝置的出現(xiàn)，油氣相色譜和液相色譜的發(fā)展，溫度上升試驗(yàn)作用型試驗(yàn)項(xiàng)目之一也有所增加。

2 高壓開關(guān)溫升試驗(yàn)流程

2.1 溫升試驗(yàn)回路

根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行等效溫升試驗(yàn)。該電路由穩(wěn)壓變壓器，上向電流互感器和一系列測量設(shè)備及控制設(shè)備和測試開關(guān)元件組成。母線電路接線時的等效溫升試驗(yàn)、主電路、電纜室輸出直接短路。試驗(yàn)用接線母排參數(shù)為2000 mm×80 mm×10 mm。對于雙層結(jié)構(gòu)的開關(guān)柜，其溫升試驗(yàn)可以存在兩種不同的通流回路。一種主母線室使用寬2000 mm×100 mm×10 mm的銅排連接試驗(yàn)設(shè)備，上回路末端通過截面積300 mm2、長3m的兩根電纜短接，下回路末端通過截面積300 mm2、長3m的兩根電纜短接，此種通流方式情況下，兩臺斷路器相當(dāng)于并聯(lián)運(yùn)行模式，與實(shí)際運(yùn)行工況一致。另一種上進(jìn)線端直接短接，下出線端通過截面積300 mm2、長3 m的兩根電纜連接試驗(yàn)設(shè)備，此種通流方式與實(shí)際運(yùn)行工況略有不同。為了將開關(guān)柜和設(shè)備及所有相同型號的溫升試驗(yàn)轉(zhuǎn)換為出廠，應(yīng)對試驗(yàn)裝置和控制裝置進(jìn)行主回路電阻測量。每個子對象之間必須使用直流測量壓降和電阻線。溫升試驗(yàn)是一項(xiàng)重要的試驗(yàn)，高壓開關(guān)可以驗(yàn)證載波容量，以證明導(dǎo)電電路在正常工作電流加熱后會引起溫升。高壓電氣產(chǎn)品通過正常工作電流轉(zhuǎn)化為電阻損耗、渦流損耗、磁滯損耗和熱能，部分周圍介質(zhì)損耗，部分熱介質(zhì)導(dǎo)體溫度。溫升程度是從兩個方面決定熱量和散熱的因素，同時承載液體通過電流大小，承載電路零件和材料、機(jī)械結(jié)構(gòu)、元件焊接質(zhì)量和產(chǎn)品裝配質(zhì)量等因素。但在實(shí)際的應(yīng)用中，不能完全接觸到面。在工程中通常是線接觸的形式，由于相同壓力下接觸點(diǎn)的壓力和實(shí)際接觸面積適當(dāng)結(jié)合，因此線接觸的接觸電阻低于點(diǎn)接觸和面接觸，此時散熱面和熱容量也較大，因此使用效果較高。為了減小接觸電阻，結(jié)構(gòu)形式也需要同樣考慮，一般通過對接觸面施加鍍銀來改善接觸面的膜電阻。由于銀具有高導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定、氧化速度慢等特點(diǎn)，但氧化膜容易被破壞，因此為了減小接觸電阻，在施工中經(jīng)常使用鍍銀方式。但由于銀硬度不高，電鍍?nèi)菀啄p，采用鍍銀合金即硬質(zhì)鍍銀可以很好地解決這一問題。對于實(shí)際導(dǎo)電電路中一些電接觸較弱的部位，如鋁導(dǎo)電棒之間的電連接，銅銀結(jié)合的過渡形式，接觸面的固定緊密接觸，表面接觸面較多，但通過材質(zhì)的合理組合，可以大幅度降低多種接觸形式的科學(xué)組合，降低整個接觸面。實(shí)驗(yàn)除單獨(dú)封閉在1個金屬外殼內(nèi)的情況外，從母線端開始以額定相位進(jìn)行。如果允許進(jìn)行單相測試，則必須對穿過外殼的電流進(jìn)行額定值。對三相產(chǎn)品進(jìn)行三相試驗(yàn)，從三相分別加載電流，可以理解為一段短路。在單相產(chǎn)品的單相溫度上升試驗(yàn)中，一般為殼體回流，電流從主電路的一端被引入，后部連接到殼體，電流從流入側(cè)的殼體被引出，形成電路。

2.2 溫升試驗(yàn)設(shè)置

載體溫升實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證高壓開關(guān)流量能量的重要實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)火電路正常工作后，檢查加熱狀態(tài)。當(dāng)高壓帶電材料通過通常的工作電流時，電阻損耗的能量部分轉(zhuǎn)換，當(dāng)高壓帶電材料通過正常的工作電流時，電阻損耗的能量部分轉(zhuǎn)換，可延遲損耗和補(bǔ)充邊緣介質(zhì)的消耗，通過導(dǎo)體的加熱介質(zhì)的溫度升高。作為實(shí)驗(yàn)方法研究了溫度上升、發(fā)熱、放熱、流經(jīng)流體的電流、傳送電路的截面積、材料、機(jī)械構(gòu)造、接點(diǎn)接合部的質(zhì)量、組裝質(zhì)量等的關(guān)系、利用比溫度上升的電壓調(diào)整變壓器及大電流變壓器的實(shí)驗(yàn)電路構(gòu)成、必要的動作電流。為了降低接觸電阻，還需要注意結(jié)構(gòu)。通過銀接觸面提高接觸掩模的強(qiáng)度是一般的方法，由于銀硬度低，涂裝容易，采用銀合金，即硬銀可能是解決該問題的好方法。在實(shí)際的導(dǎo)電電路中，弱接觸部分、鋁導(dǎo)電棒間的電連接、銅和銀的接合部的遷移形態(tài)、接觸面采取固定接觸。增加接觸面的一般方法是使用強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)增加護(hù)套的冷卻面積，合理的匹配材料可以大大減少整個科學(xué)接觸形態(tài)。冷卻空間的增加會增加機(jī)箱的容量、復(fù)雜性和成本，使用具有優(yōu)良冷卻面積增加的計(jì)數(shù)器強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)。

電源線的示例配置是與系統(tǒng)同時測量的溫度。試驗(yàn)時周圍的空氣溫度應(yīng)該超過10 ℃并低于40 ℃，請勿在此環(huán)境的空氣溫度范圍內(nèi)修改溫度升高。溫度測量是銅-康銅電偶絲測試。銅-康銅電偶絲測試靈敏度高、穩(wěn)定可靠、耐震、防振、兼容性好、價格便宜，適合長距離測溫和自動控制，在農(nóng)業(yè)和制冷工程中起著重要作用。銅-康銅電偶絲測試測量溫度上升點(diǎn)時，測量端應(yīng)接觸（固定）被測點(diǎn)。一般情況下，通過將電線粘貼到被試驗(yàn)部位或開口固定，將電線粘貼到殼體表面等試驗(yàn)部位的情況較多，相對于粘貼鉆孔固定的方法更牢固，因此大多數(shù)埋設(shè)所采用鉆孔固定法。在陶瓷柱斷路器的情況下，導(dǎo)電電路由陶瓷上的法蘭支撐，陶瓷內(nèi)填充有一定氣壓的SF6氣體，陶瓷本身的導(dǎo)熱性能非常差，因此傳導(dǎo)和輻射是其熱傳播的主要方式。提高熱效率的一種常見方法是增加上、下劃線的表面積。線路插座暴露于空氣中，核心內(nèi)的發(fā)熱體與線路插座，特別是與上插座的接觸面積大，傳熱電路的熱阻小，線路插座的表面積（添加散熱器等）越大，產(chǎn)品的熱性能就越高。鑄造整個散，使底部沿圓環(huán)體均勻分布。熱管的概念已經(jīng)出現(xiàn)了幾十年，但該技術(shù)用于斷路器的冷卻是近幾年的事。由于熱源（蒸發(fā)器）和散熱器（電容器）之間存在很大的電位差，因此在技術(shù)上使用電絕緣的熱管是很困難的。該熱管技術(shù)可應(yīng)用于各種斷路器，尤其是發(fā)電機(jī)出口斷路器等大電流斷路器，實(shí)現(xiàn)更高效的熱傳導(dǎo)，從而提高額定通流能力。與仿真計(jì)算內(nèi)容相對應(yīng)，對1120 kV旁路開關(guān)進(jìn)行兩次主回路溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)電流分別為5500 A和6300 A，根據(jù)《高壓直流旁路開關(guān)》標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)內(nèi)容，通流時間各設(shè)定為30 min。

2.3 溫升試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)果采用兩種不同的布線方式分析了A，B，C三相溫度升高點(diǎn)的溫度升高和測量點(diǎn)的位置。在采用布線方式1的溫度上升試驗(yàn)中，A，B，C都顯示出了比采用布線方式2的試驗(yàn)更高的值。配線方式1與配線方式2相比，A相溫度上升測量結(jié)果，最大偏差值出現(xiàn)在第9個測量點(diǎn)，偏差量為18.9 K。B相溫度上升測量的結(jié)果，最大偏差值出現(xiàn)在第9個測量點(diǎn)，偏差量為23.4 K。C相溫度上升測量的結(jié)果，最大偏差值出現(xiàn)在第13個測量點(diǎn)，偏差量為22.9 K。由此可知，在布線方式1的情況下，開關(guān)的點(diǎn)檢比簡化的布線方式即布線方式2更嚴(yán)格。GB/T11022根據(jù)2011的規(guī)定，在進(jìn)行開關(guān)的溫度上升試驗(yàn)點(diǎn)檢時，不應(yīng)該采用像配線方式2那樣單純的配線方式，而是應(yīng)該采用像配線方式1那樣模擬實(shí)際動作的配線方式。

2.4 仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果對比

比較實(shí)際溫度上升試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)，用直角坐標(biāo)系繪制圖，通過兩者的比較圖以上的比較研究得到了以下結(jié)論。實(shí)際溫度上升試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和模擬試驗(yàn)的數(shù)據(jù)有微小的差異，作為其結(jié)果的原因可以認(rèn)為是在實(shí)際溫度上升試驗(yàn)時的某一時間點(diǎn)環(huán)境溫度發(fā)生了急劇變化，在消弧室內(nèi)部為了散熱需要緩慢的變化過程，通過從消弧室溫度減去室溫的溫度上升，在某一時間段產(chǎn)生了異常的溫度上升。另一種是由于5500 A和6300 A溫升值過高，當(dāng)溫度上升到一定值時，銀層電導(dǎo)的變化會影響接觸面電導(dǎo)，從而引起溫度的異常變化。與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，由于模擬結(jié)果處于理想狀態(tài)，因此兩者的結(jié)果并不完全相同，但溫度的上升趨勢基本相同。結(jié)果驗(yàn)證了仿真方法的可行性和有效性，對驗(yàn)證直流旁路開關(guān)試驗(yàn)具有重要的指導(dǎo)意義，能夠基于溫度上升仿真優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語

通過分析高壓開關(guān)溫升試驗(yàn)的概念以及試驗(yàn)過程，對整個高壓開關(guān)試驗(yàn)有了更深的了解，有利于保障整個高壓開關(guān)設(shè)備的耐高溫能力和安全性，使我國的電力系統(tǒng)能夠應(yīng)用質(zhì)量更有保障的高壓開關(guān)設(shè)備，讓我國的電力能夠更加安全高效的運(yùn)輸和使用。這樣有助于保障國家的正常供電，確保我國電力各項(xiàng)活動的正常進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢紅濤，秦俊嶺.淺談高壓開關(guān)柜發(fā)熱原因分析及改進(jìn)措施[C].廣州：2011年亞太智能電網(wǎng)與信息工程學(xué)術(shù)會議論文集.2011.

[2] 周巖，高揚(yáng)，楊寧，等.高壓開關(guān)柜觸頭溫度在線監(jiān)測技術(shù)綜述[C].合肥：中國儀器儀表學(xué)會第九屆青年學(xué)術(shù)會議論文集.2007.

[3] 白國斌.高壓開關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)原理及問題探析[J].裝備維修技術(shù)，2019（3）：20-24.

[4] 賀小瑞，何創(chuàng)偉，張震鋒，等.高壓開關(guān)設(shè)備用環(huán)保氣體的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J].電氣時代，2019（8）：11-12.

[5] 閆站正，程麗華，張煜烽.智能高壓開關(guān)設(shè)備的在線監(jiān)測技術(shù)探討[J].通信電源技術(shù)，2020（8）：50-52.

[6] 王偉，張熙杰，李貞，等.基于互聯(lián)網(wǎng)+的智能高壓開關(guān)設(shè)備[J].科技風(fēng)，2017（6）：100-102.

[7] 譚展.淺析高壓開關(guān)設(shè)備檢修的發(fā)展[J].農(nóng)村電氣化，2013（S1）：55-60.

[8] 魏義利.智能高壓開關(guān)設(shè)備小電流信號測量的干擾消除方法[J].科技與創(chuàng)新，2015（6）：33-35.

[9] 楊東喜.分析紫外成像技術(shù)在高壓開關(guān)設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)中的運(yùn)用[J].黑龍江科技信息，2015（27）：65-67.