配網(wǎng)一二次融合柱上開關(guān)抽檢典型問題分析

由凱，陳偉，王歡，胡加瑞，鄧穩(wěn)星，陳小容

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2.陸軍裝備部駐長沙地區(qū)軍事代表室，湖南 長沙 410000；3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410004；4.湖南省湘電試驗研究院有限公司，湖南長沙 410004)

0 引言

電力設(shè)備質(zhì)量是影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素，設(shè)備抽檢作為物資質(zhì)量監(jiān)督的重要手段，在保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行中發(fā)揮了重要的作用[1]。國網(wǎng)湖南省電力有限公司物資質(zhì)量檢測中心近年來大力開展物資檢測能力建設(shè)，在物資質(zhì)量監(jiān)督方面取得了顯著成效[2]。本文針對配網(wǎng)一二次融合柱上開關(guān)設(shè)備抽檢發(fā)現(xiàn)的兩起典型設(shè)備質(zhì)量問題，結(jié)合一二次融合開關(guān)在配電網(wǎng)應(yīng)用中暴露的問題[3-4]，對現(xiàn)階段一二次融合柱上開關(guān)設(shè)備存在的關(guān)鍵問題進行分析并提出改進措施。

1 設(shè)備抽檢情況

兩起抽檢問題中開關(guān)設(shè)備型號為ZW32-32/630-20，相電流互感器變比為600∶5，零序電流互感器變比為20∶1。不合格試驗項目均為溫升試驗不合格，溫升異常位置都在電流互感器外殼處。試驗時，測溫元件布置在三相接線引出端子，互感器位置采用紅外成像儀進行觀測。典型試品溫升試驗數(shù)據(jù)見表1，異常位置溫度分布情況如圖1所示。

表1 溫升試驗數(shù)據(jù) K

圖1 溫升異常處溫度分布情況

從試驗結(jié)果來看，兩臺試品觸頭部位穩(wěn)定溫升均未超過標準規(guī)定，但三相電流互感器外殼處溫升明顯異常，最高達100 K以上，其中試品1溫升最高點為互感器二次出線套管，如圖1(a)所示，試品2溫升最高點為中間相互感器外殼邊緣處，如圖1(b)所示。另外從升溫速度來看，在額定電流下試驗進行至15～30 min時，互感器溫度便劇烈上升。

依據(jù)GB/T 11022—2020《高壓交流開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標準的共用技術(shù)要求》，開關(guān)鍍銀或鍍鎳的觸頭部分溫升不應(yīng)超過65 K，正常操作中可觸及的部件溫升不超過30 K[5]，但對互感器部分的溫升未做明確要求。由于國標未作明確要求，針對柱上開關(guān)溫升試驗，目前國內(nèi)檢測機構(gòu)通常在觸頭部位進行溫度測量布點，而未測量互感器部分的溫度，難以發(fā)現(xiàn)此類互感器問題。對同一臺斷路器送至第三方權(quán)威檢測機構(gòu)進行檢測比對，由于未測量互感器溫升，檢測結(jié)果判定為合格。

針對此問題，發(fā)現(xiàn)的斷路器電流互感器部分溫升過高問題如何判定，以及針對一二次融合柱上斷路器的溫升標準化測試流程，均有待進一步研究[6-7]。

2 結(jié)構(gòu)及工作原理分析

2.1 一二次融合柱上開關(guān)電流互感器結(jié)構(gòu)形式

目前一二次成套斷路器互感器部分多采用三相一體式設(shè)計，零序電流互感器和相電流互感器澆筑成整體，互感器的外殼包括三個中空部，其中相電流互感器A、B、C二次繞組分別纏繞在放置于中空部位的鐵芯上。零序電流互感器通常有兩種設(shè)計方式，一種是采用零序電流互感器整體穿過三相出線，互感器二次側(cè)輸出零序電流；另一種是采用3個單相互感器分別穿過每相，二次側(cè)并聯(lián)輸出零序電流，如圖2所示[8]。圖中，AS、BS、CS為相電流互感器，OS為零序電流互感器。

圖2 一二次融合柱上開關(guān)互感器一次原理

2.2 電流互感器工作原理

電流互感器運行時一次側(cè)等值電路如圖3所示[9]。其中I1、I2′、I0分別為一次電流、二次等值電流、勵磁電流；Z0、R0、X0分別為勵磁回路阻抗、電阻和電抗，Z2′、R2′、X2′為二次繞組等值阻抗、電阻和電抗，Zz′、Rz′、Xz′為二次負載等值阻抗、電阻和電抗。

圖3 電流互感器一次側(cè)等值電路

根據(jù)等值電路圖，有:

式(3)中，I2為二次電流；Kn為互感器變比。

正常運行時，電流互感器二次側(cè)處于短路狀態(tài)[10]，由于二次繞組電阻很小，理想情況下，可認為Z2′+ZZ′=0；因此勵磁電流I0≈0，I1=-I2′=-Kn×I2。實際應(yīng)用中，由于互感器內(nèi)部損耗和負載損耗的存在，勵磁電流不等于0，勵磁電流的存在導(dǎo)致互感器存在變比誤差[11-12]。

2.3 電流互感器發(fā)熱常見原因

1)二次繞組開路運行。電流互感器二次回路閉環(huán)運行時，二次電流對一次電流產(chǎn)生去磁作用，勵磁電流接近為0，鐵芯中總磁通很小。當二次繞組開路后，二次電流I2′=0，由式(1) 可知，I0=I1，一次電流全部用來勵磁，使得鐵芯內(nèi)部磁通密度巨幅增加，鐵芯磁飽和導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)熱[13]。

2)二次負載電阻接線錯誤或接觸不良。根據(jù)式(2)，當二次負載電阻接線錯誤或接觸不良導(dǎo)致負載電阻增大時，會引起勵磁電流增加；當二次負載電壓超過電流互感器拐點電壓時，鐵芯內(nèi)部磁飽和而發(fā)熱[14]。

3 試驗情況及故障原因分析

3.1 試驗情況

為判斷互感器內(nèi)部是否存在開路或接觸不良問題，對開關(guān)相電流互感器和零序電流互感器進行常規(guī)試驗檢查，以試品1為例，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 互感器試驗檢查結(jié)果

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，三相電流互感器變比和銘牌值一致；二次繞組直流電阻正常，內(nèi)部無開路問題；拐點電壓和和其他同類型合格產(chǎn)品相比，基本無偏差。零序電流互感器常規(guī)試驗整體數(shù)據(jù)無異常，可排除互感器內(nèi)部存在開路或接觸不良的問題，為進一步確定問題所在，需進行解體檢查。

3.2 解體檢查情況

對不合格典型試品進行解體，其互感器部分內(nèi)部情況如圖4所示。其中零序電流互感器是采用3個單相互感器分別穿過每相并聯(lián)輸出零序電流，零序電流二次出線位置為B相套管。

圖4 互感器內(nèi)部燒損后解體情況

通過解體發(fā)現(xiàn)，試品1零序電流互感器B相線圈、鐵芯因溫度過熱已損壞，二次出線燒斷；溫升試驗時發(fā)熱點位置位于B相二次出線套管，正好為零序電流互感器二次出線側(cè)并聯(lián)處。試品2零序電流互感器燒損，同時二次繞組纏繞工藝存在問題，未均勻分布。

3.3 解體后試驗情況

對解體后的開關(guān)再次進行溫升試驗，在施加額定電流時，在極短時間內(nèi)零序互感器二次繞組溫度劇烈上升，如圖5所示?？梢钥闯霭l(fā)熱部位為互感器二次繞組導(dǎo)體部分，二次繞組在承受額定電流時發(fā)熱是問題根本原因所在，同時試品2(圖5(b))和試品1(圖5(a))相比，繞組纏繞密集的部位發(fā)熱尤其嚴重，制造工藝存在較大缺陷。

圖5 解體后的溫升試驗情況

3.4 原因分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析及解體檢查情況，以上一二次融合柱上開關(guān)抽檢溫升不合格問題均是內(nèi)部零序電流互感器質(zhì)量問題導(dǎo)致。由于采用了3個單相互感器并聯(lián)輸出零序電流的設(shè)計方式，20∶1的變比下單相互感器二次電流達30 A(三相電流合成后的零序二次電流趨近于0 A)，而此單相互感器二次繞組線徑過小，經(jīng)測量不足1 mm2，通流能力嚴重不足是導(dǎo)致互感器發(fā)熱的主要原因。另外試品2的零序互感器繞組纏繞工藝存在極大缺陷，加劇了繞組內(nèi)部的發(fā)熱問題。

4 結(jié)語

一二次融合柱上開關(guān)零序電流互感器質(zhì)量問題出現(xiàn)頻度高、影響范圍廣，對配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來極大隱患，且受抽檢試驗方法和標準影響，在以往基本未發(fā)現(xiàn)此類問題。

為提升物資質(zhì)量監(jiān)督成效，提出如下建議:

1)在制造環(huán)節(jié)加強零序電流互感器設(shè)計選型，應(yīng)仔細校驗三相合成式結(jié)構(gòu)二次額定電流，確保滿足設(shè)計要求。

2)完善一二次融合柱上開關(guān)招標技術(shù)規(guī)范要求，明確互感器部分的溫升極限，將互感器部分的溫升與開關(guān)殼體其他部分比對情況作為評判依據(jù)。

3)強化對一二次融合柱上開關(guān)的抽檢，加強對內(nèi)部互感器性能的試驗驗證，特別是提升溫升試驗覆蓋率。

4)優(yōu)化試驗流程及方法，開展一二次融合柱上開關(guān)溫升試驗時，必須在互感器部分布置溫度探頭，或者采用紅外測溫方法進行測量。