電氣設備動熱穩(wěn)定試驗淺議
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摘要：動熱穩(wěn)定試驗是高低壓電氣設備的一項重要的型式試驗，本文通過研究高低壓電氣設備的動熱穩(wěn)定試驗要求及試驗回路，提出試驗注意事項，以期能為相關(guān)高低壓電器設備生產(chǎn)廠家及檢驗檢測機構(gòu)進行動熱穩(wěn)定試驗提供參考。
關(guān)鍵詞：動熱穩(wěn)定；短路；短時耐受；峰值耐受；峰值系數(shù)
當電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，出現(xiàn)大容量的短路電流會導致電氣線路中的電氣設備因電動力的機械效應或者電流熱效應導致其結(jié)構(gòu)變形或損毀，如果線路中的保護電器（斷路器或熔斷器）在繼電保護所設定的時間范圍內(nèi)動作而斷開電路，可在一定程度上緩解事故，而保護電器的失靈（拒動或延遲動作）將會進一步加劇事故，因此電氣設備必須加強其短路耐受電流能力的考核，而動熱穩(wěn)定試驗正是考核在規(guī)定的使用條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)電路在閉合位置上的電氣設備所能承載的電流情況。
1試驗要求
由于動熱穩(wěn)定試驗是對電氣設備流過短路電流的考核，沒有被試品的關(guān)合或開斷，所以沒有關(guān)合電壓或開斷瞬態(tài)恢復電壓的考核，對于試驗電壓沒有要求，無論高壓電氣設備或低壓電氣設備均是如此。對于動熱穩(wěn)定來說，電動力造成的機械應力主要體現(xiàn)在峰值電流流過電氣設備而發(fā)生的狀況（峰值耐受電流），而熱應力體現(xiàn)了一個相對穩(wěn)定的電流在一段時間內(nèi)在電氣設備上熱量累積而產(chǎn)生的效果（短時耐受電流）。如果試驗系統(tǒng)峰值系數(shù)（電流峰值/電流有效值）滿足要求，兩個試驗可以合并實施，如果試驗系統(tǒng)峰值系數(shù)不能滿足要求，兩個試驗則分開實施。由于高低壓系統(tǒng)特性及繼電保護特性不同，所以高低壓電氣設備峰值系數(shù)（依據(jù)標準GB∕T11022-2020《高壓交流開關(guān)設備和控制設備標準的共用技術(shù)要求》以及GB14048.1-2012《低壓開關(guān)設備和控制設備第1部分：總則》）也不盡相同，具體要求如表1、表2所示。對于峰值耐受電流的時間，高壓電氣設備一般按照0.3s實施，低壓電氣設備要求持續(xù)時間不應該小于0.3s。而短時耐受電流時間，高壓電氣設備額定短路持續(xù)時間的優(yōu)選值為2s，也可以選取大于2s的值，如3s和4s，低壓電氣設備一般按照1s實施。動熱穩(wěn)定頻率允差為±25％，電流應是額定值的±5％。
2試驗回路
由于動熱穩(wěn)定試驗對于試驗電壓沒有要求，所以無論是低壓還是高壓電氣設備的該試驗，基于考慮試驗的易于實現(xiàn)性及節(jié)約試驗設備、運行成本，動熱穩(wěn)定試驗都會采用低壓回路實施，一般采用低壓大容量短路試驗回路。其試驗原理如圖1所示。S：電源QF：斷路器HK：合閘開關(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原理圖低壓電器試驗系統(tǒng)一般采用電網(wǎng)作為試驗電源，因為電網(wǎng)提供的試驗容量一般能夠滿足試驗要求。近年來，也有部分檢測機構(gòu)采用短路發(fā)電機實施高端大容量電器的短路相關(guān)試驗。回路控制采用斷路器與合閘開關(guān)的配合，一方面是兩個開關(guān)可以解決試驗時間較短（比如低壓電器設備動穩(wěn)定試驗0.1s）、不能精準控制的問題，另一方面是利用合閘開關(guān)解決了關(guān)合過程精準控制合閘角度而保證了電流峰值的問題。調(diào)節(jié)電抗器與調(diào)節(jié)電阻器的配合可使回路達到要求的阻抗以及功率因數(shù)而達到調(diào)節(jié)回路穩(wěn)定電流及峰值電流的目的。試驗變壓器是為了降低試驗電壓而達到降低功耗的目的，從理論上來說，試驗電壓越低，試驗功耗就越小，但試驗電壓也不宜太低，因為開關(guān)本身具有一定阻抗，尤其電壓越高，電氣設備體積就越大，勢必導致其本體阻抗越大，所以電壓等級越高的電氣設備試驗電壓也越高。
3試驗注意事項及試驗判據(jù)
為了盡可能地模擬系統(tǒng)事故工況，試品應安裝于本體或等體支架上，觸頭壓力應調(diào)節(jié)至產(chǎn)品規(guī)定的下限值，對于帶有電流互感器的電氣設備，如果電流互感器一次側(cè)接入試驗回路，應將電流互感器二次側(cè)短接并可靠接地以防止試驗過程中過電壓的產(chǎn)生；如果電氣設備具有過電流保護斷開的功能，需采取保證回路通流不斷開的措施。試品接入回路應模擬正常使用工況的機械應力，但不能超過實際使用的情況。如果檢測機構(gòu)設備不能滿足試驗要求，允許作以下變更，但應滿足如下要求：t10∫i12dt≥I2×t（1）式中：t1為實際試驗的通電時間，t為規(guī)定的通電時間，I1為實際試驗電流，I為試驗電流要求值。試驗后，需做試品和觸頭的外觀檢查；電氣設備用正常操動方式操作應能正常動作，并能夠承載相關(guān)額定連續(xù)電流；檢查電氣設備回路電阻的變化，應不超過20%，同時要求接地導體和元件保持連續(xù)性。
4試驗實例
某箱變型號YBM-12/0.4-630,其主回路同時包含高壓與低壓，高壓試驗要求值分別為50kA（峰值）與20kA/4s（有效值）,低壓試驗要求值分別為63kA（峰值）與30kA/1s（有效值）。高壓開關(guān)設備為兩臺高壓環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜（分別為C柜和F柜），根據(jù)標準要求兩臺高壓柜都做，所以將其串聯(lián)實施，F(xiàn)柜中有熔斷器作為保護電器，為了保證試驗電路連續(xù)性，采用與熔斷器外形與尺寸近視的模擬熔體（銅導體）替代熔斷器。由于高壓試驗要求的峰值系數(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），所以一次試驗不能滿足要求，需要兩次試驗來實施，經(jīng)過試驗其波形圖分別如圖2和圖3所示。在峰值耐受電流試驗中，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），通電時間為0.3s，參數(shù)符合要求，試后無損傷、無變形、接頭無熔焊，接地導體和元件保持連續(xù)性，回路電阻變化符合要求。在短時耐受電流試驗，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，通電時間為4s。參數(shù)符合要求，試后無損傷、無變形、接頭無熔焊，接地導體和元件保持連續(xù)性，回路電阻變化符合要求。高壓回路動熱穩(wěn)定試驗合格。低壓回路主開關(guān)為保護電器萬能斷路器承擔，在試驗中切除斷路器控制器電源以保證萬能斷路器不會因為過流或短路而誤動作。低壓試驗要求的峰值系數(shù)為2.1，這樣要求其功率因數(shù)約為0.2，低壓大容量試驗回路滿足要求，所以一次試驗即可，試驗波形圖如圖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），峰值電流試驗參數(shù)符合要求。三相電流平均值30.31kA，通電時間為1s，短時耐受電流試驗參數(shù)符合要求，根據(jù)客戶要求計算三相焦耳積分各為（A相907.37×106A2s）、（B相941.97×106A2s）、（C相924.21×10A2s6）。試后無損傷、無變形、接頭無熔焊，接地導體和元件保持連續(xù)性，回路電阻變化符合要求。低壓回路動熱穩(wěn)定試驗合格。
5結(jié)論
動熱穩(wěn)定試驗由于試驗電流大，回路及接線電阻無法準確推算，通電時間長，所以試驗難度大。本文通過對高低壓電氣設備動熱穩(wěn)定試驗的要求及試驗回路、注意事項、判據(jù)做了詳盡的闡述，并通過極具特征的具體事例分析，希望對于實施相關(guān)試驗的檢測人員及開關(guān)設計制造人員以借鑒。
參考文獻：
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作者:楊興 康志林 李濤 單位:甘肅電器科學研究院