基于10kV開關(guān)柜發(fā)熱故障的研究與分析

藍(lán)鵬昊

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000）

基于10kV開關(guān)柜發(fā)熱故障的研究與分析

藍(lán)鵬昊

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000）

本文針對(duì)一起10kV開關(guān)柜在運(yùn)行中發(fā)熱故障的問題，結(jié)合小車開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)對(duì)其發(fā)熱根源進(jìn)行分析，并對(duì)開關(guān)柜內(nèi)導(dǎo)體電阻發(fā)熱和渦流損耗提出相應(yīng)的控制措施，隨后通過對(duì)10kV開關(guān)柜運(yùn)行實(shí)測(cè)電流、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，推導(dǎo)出10kV開關(guān)柜外測(cè)溫度與內(nèi)測(cè)溫度的相關(guān)性，對(duì)預(yù)防及分析處理同類型開關(guān)柜發(fā)熱故障起到了一定的指導(dǎo)意義，有利于保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

10kV開關(guān)柜；發(fā)熱故障；電阻發(fā)熱；渦流損耗；電力系統(tǒng)

1. 10kV開關(guān)柜發(fā)熱事件概述

2015年4月以來，珠海電網(wǎng)220kV斗門變電站10kV負(fù)荷增長(zhǎng)迅猛，其中主變變低502斷路器負(fù)荷電流長(zhǎng)期保持了2700A以上，導(dǎo)致502斷路器持續(xù)高溫告警，嚴(yán)重影響電網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行。其后經(jīng)遷移改造，502斷路器負(fù)荷得到了分流，當(dāng)斷路器負(fù)荷電流到達(dá)2350A時(shí)，502斷路器觸頭溫度保持在78℃～80℃；而當(dāng)斷路器負(fù)荷電流到達(dá)2450A時(shí)，502斷路器觸頭溫度則上升至86℃～88℃，超過斷路器正常運(yùn)行的溫度告警值85℃，有可能導(dǎo)致502開關(guān)柜柜體發(fā)生爆炸，嚴(yán)重影響10kV開關(guān)柜的安全運(yùn)行。本文通過對(duì)開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，尋找發(fā)熱故障的根源并通過實(shí)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證。

2. 故障開關(guān)柜基本情況

220kV斗門變電站主變變低502開關(guān)柜整體投產(chǎn)于2002年4月，其中502斷路器生產(chǎn)廠家為常州森源電氣，型號(hào)為VS1（ZN63A），斷路器最大額定電流為3150A，上下觸頭處為鍍銀結(jié)構(gòu)。開關(guān)柜柜體生產(chǎn)廠家為珠海廣達(dá)電器設(shè)備有限公司，開關(guān)柜采用中置式結(jié)構(gòu)，柜體采用鍍鋁鋅鋼板加工連接而成，柜體防護(hù)等級(jí)為IP4X，主要由外殼、隔室、隔板、活門等幾大部分組成。隔室分為母線室、斷路器室、電纜室、繼電儀表室，其斷路器室位于柜體中部，如圖1所示。

其中A是母線室，B是斷路器室，C是電纜室，D是繼電儀表室，各個(gè)隔室間的隔板及柜體的面板所留的縫隙≤1mm，在運(yùn)行過程中不利于開關(guān)柜內(nèi)空氣對(duì)流，容易引起開關(guān)柜體內(nèi)溫度積聚升高。

3.故障分析及應(yīng)對(duì)措施

通過對(duì)小車開關(guān)柜體結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，本文認(rèn)為引起小車開關(guān)柜體發(fā)熱的原因主要為電流通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的電阻損耗發(fā)熱及開關(guān)柜內(nèi)鐵磁體產(chǎn)生的渦流損耗導(dǎo)致的發(fā)熱。

3.1電阻損耗發(fā)熱

3.1.1銅排導(dǎo)體發(fā)熱

銅排導(dǎo)體發(fā)熱主要指母線排發(fā)熱，由于導(dǎo)體發(fā)熱量與電流的平方成正比，故當(dāng)母排長(zhǎng)期通過較高的負(fù)荷電流時(shí)，開關(guān)柜發(fā)熱愈發(fā)明顯，同時(shí)由于目前生產(chǎn)制造的母排中含有一定的雜質(zhì)，使得其電阻率偏高，增加了發(fā)熱效應(yīng)，在負(fù)荷電流上升到2350A，開關(guān)柜溫度有一定的躍升。

針對(duì)在特定的時(shí)間、空間內(nèi)，導(dǎo)體的發(fā)熱量與輻射量相對(duì)平衡，在設(shè)計(jì)安裝母排或連接導(dǎo)體時(shí)，可以考慮將母排或連接導(dǎo)體的面積留有一定的裕度，減少溫度升高的可能。如通過增大母排的寬度來增大了鋁排的載流量和散熱效果。文獻(xiàn)［2］中提到黑色物質(zhì)的吸熱性能和熱輻射能力是最強(qiáng)的，可以考慮將開關(guān)柜體內(nèi)母線室、電纜室及斷路器室的隔板噴涂成黑色來增強(qiáng)熱量的吸收和散發(fā)。

3.1.2電氣設(shè)備連接點(diǎn)發(fā)熱

開關(guān)柜體內(nèi)電氣設(shè)備連接點(diǎn)發(fā)熱效應(yīng)，主要包括連接螺栓的發(fā)熱效應(yīng)和柜內(nèi)電流互感器發(fā)熱效應(yīng)。由于鋁質(zhì)母線排，彈性系數(shù)小，在電氣設(shè)備連接點(diǎn)上擰連接螺栓時(shí)，若螺母的壓力達(dá)到某個(gè)臨界壓力值再繼續(xù)增加不當(dāng)?shù)膲毫?，將?huì)造成接觸面部分變形隆起，降低接觸面積，使接觸電阻增大，從而影響導(dǎo)體接觸效果。

柜內(nèi)電流互感器發(fā)熱主要由全密封環(huán)氧樹脂澆注式結(jié)構(gòu)CT引起，由于其一次繞組及鐵芯散熱效果較差，相當(dāng)于在大電流回路中增加了兩個(gè)連接接頭發(fā)熱源，導(dǎo)致CT發(fā)熱問題嚴(yán)重。針對(duì)這種結(jié)構(gòu)的開關(guān)柜，可考慮穿心式電流互感器，通過減少連接點(diǎn)，降低內(nèi)部發(fā)熱。

3.1.3斷路器觸頭發(fā)熱

斷路器觸頭發(fā)熱主要由以下3方面構(gòu)成：一是動(dòng)靜觸頭經(jīng)歷長(zhǎng)期運(yùn)行后其接觸面的鍍銀層逐步脫落并形成相應(yīng)的氧化膜，嚴(yán)重影響了斷路器觸頭的導(dǎo)電性能，造成觸頭接觸不良引起過熱。二是經(jīng)歷長(zhǎng)期運(yùn)行，灰塵經(jīng)開關(guān)柜縫隙或接觸面逐步進(jìn)入到斷路器觸頭部位，在斷路器觸頭面上形成一層臟污面，降低了斷路器的接觸性，引發(fā)發(fā)熱效應(yīng)；三是在開關(guān)柜運(yùn)行中斷路器動(dòng)靜觸頭間沒有完全接觸，兩者間存在放電空隙，在大電流運(yùn)行條件下發(fā)生局部放電現(xiàn)象，導(dǎo)致溫度急劇升高，甚至造成開關(guān)器件損壞。

表1　各相觸頭溫度與負(fù)荷電流相關(guān)性

表2　各相觸頭溫度與柜體溫度相關(guān)性

前兩種發(fā)熱故障可在開關(guān)停電時(shí)對(duì)觸頭進(jìn)行更換或清灰處理，觸頭未完全接觸引起的發(fā)熱故障則需要在開關(guān)運(yùn)行過程中定期進(jìn)行局放監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)采取控制措施。

3.2渦流損耗發(fā)熱

3.2.1渦流損耗原理

10kV開關(guān)柜柜體、隔室間的隔板及固定金屬擋板等磁導(dǎo)率高的零部件在交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的損耗稱為鐵損，在開關(guān)柜中主要變現(xiàn)為渦流損耗。

開關(guān)柜在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的發(fā)熱效應(yīng)中，渦流損耗發(fā)熱占有較大比例，當(dāng)導(dǎo)體通過電流時(shí)母線室內(nèi)橫向的主母排與豎向的分支排共同作用產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在主母排穿墻套管金屬板及柜體內(nèi)隔板感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生大量的雜散渦流，由于這些金屬板都屬于導(dǎo)磁材料且電阻小，在其中產(chǎn)生的環(huán)流較大，導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重。

3.2.2渦流發(fā)熱位置

通常10kV開關(guān)柜內(nèi)渦流發(fā)生的主要部位有開關(guān)柜主母排間隔板、主母排穿斷路器室間隔板、斷路器動(dòng)靜觸頭隔板及主變進(jìn)線隔板，同時(shí)渦流發(fā)熱位置也隨開關(guān)柜結(jié)構(gòu)調(diào)整而變化。文獻(xiàn)［2］中提到當(dāng)電流小于2000A時(shí)，渦流的作用并不大，但是當(dāng)電流大于2000A時(shí)，渦流的熱效應(yīng)就會(huì)很明顯，因此為了減少渦流的熱效應(yīng)可以把母線套管和觸頭的固定板改為非導(dǎo)磁的316不銹鋼板，能有效避免渦流引起的發(fā)熱。

3.2.3渦流損耗分析例證

在502開關(guān)柜發(fā)熱期間，運(yùn)行人員通過觸頭內(nèi)置溫度監(jiān)控裝置發(fā)現(xiàn)，斷路器動(dòng)靜觸頭中B相溫度較A、C兩相溫度要高出3℃～5℃，如圖2所示。

斷路器正常運(yùn)行時(shí)，帶三相對(duì)稱性負(fù)荷，忽略高次諧波的影響，A、B、C三相負(fù)荷電流瞬時(shí)值ia、ib、ic可表示為：

式中：im為電流的峰值。

從式（1）可知，A、B、C三相電流在相位上互差120°相位角，三相量角之和ima+imb+imc=0，即在任何時(shí)刻，必有一相電流方向與另兩相不同。當(dāng)負(fù)荷電流通過斷路器動(dòng)靜觸頭時(shí)，根據(jù)右手螺旋定則可知A、B、C三相電流形成的磁場(chǎng)恰好在AB相或BC相間形成正向疊加電磁場(chǎng)，故B相觸頭感應(yīng)出的雜散渦流最強(qiáng)，渦流發(fā)熱效應(yīng)最明顯。因此在10kV斷路器維護(hù)檢修時(shí)需對(duì)B相動(dòng)靜觸頭進(jìn)行額外的保護(hù)處理，防止觸頭鍍銀層較A、C相過早氧化。

4.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與分析

在502開關(guān)柜發(fā)熱運(yùn)行期間，針對(duì)502開關(guān)柜及同廠家生產(chǎn)的同類型共計(jì)10組開關(guān)柜，運(yùn)行人員用紅外測(cè)量技術(shù)對(duì)開關(guān)柜繼電儀表室溫度、開關(guān)柜本體前溫度、開關(guān)柜本體后溫度進(jìn)行測(cè)量并記錄相對(duì)應(yīng)的觸頭溫度及負(fù)荷電流數(shù)據(jù)共205組。本文采用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

斷路器各相觸頭溫度與負(fù)荷電流相關(guān)性見表1。

由表1可知，負(fù)荷電流與A、B、C三相觸頭溫度有強(qiáng)相關(guān)性，表現(xiàn)出負(fù)荷電流上升帶來的溫升效應(yīng)，驗(yàn)證了本文所提出的小車開關(guān)柜體發(fā)熱主要由電阻及渦流損耗導(dǎo)致。

斷路器各相觸頭溫度與柜體溫度相關(guān)性見表2。

由表2可知，繼電儀表室溫度、開關(guān)柜本體后溫度與三相觸頭溫度有強(qiáng)相關(guān)性，開關(guān)柜本體前溫度與三相觸頭溫度無相關(guān)性。以A相觸頭溫度為例，繼電儀表室溫度每提高1℃，A相觸頭溫度會(huì)提高0.285℃，開關(guān)柜本體后溫度每提高1℃，A相觸頭溫度會(huì)提高0.527℃。根據(jù)表2可得以下關(guān)系：

式中：Y為指定相觸頭溫度，β0為相關(guān)常數(shù)項(xiàng)，β1為繼電儀表室溫度相關(guān)系數(shù)，β3為開關(guān)柜后溫度相關(guān)系數(shù)，X1、X3分別為繼電儀表室及開關(guān)柜后溫度。

針對(duì)沒有安裝觸頭溫度監(jiān)控裝置的同類型VS1斷路器，可利用紅外測(cè)量?jī)x獲取開關(guān)柜繼電儀表室溫度及開關(guān)柜本體后溫度，并通過式（2）求取斷路器各相觸頭溫度，提高對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行人員對(duì)10kV斷路器的監(jiān)控能力，避免更嚴(yán)重故障的發(fā)生。

結(jié)語

在對(duì)10kV開關(guān)柜結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，研究引起開關(guān)柜發(fā)熱的主要原因，通過實(shí)例數(shù)據(jù)驗(yàn)證了柜體發(fā)熱的原因并提出了預(yù)測(cè)斷路器觸頭溫度的數(shù)據(jù)模型，對(duì)預(yù)防及分析處理同類型開關(guān)柜發(fā)熱故障起到了一定的指導(dǎo)意義，有利于確保10kV供電的可靠性。

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TM591

A

中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：GDKJQQ20152088）。