1 引言
低壓斷路器作為箱式變壓器低壓開關控制設備的重要組件，其能否正常工作直接影響箱式變壓器的運行。 在新能源領域，低壓斷路器的工作狀態(tài)經(jīng)常處于接近滿負荷運行，這是對其運行可靠性的極大考驗。 溫升試驗是驗證斷路器主要性能指標和運行可靠性的重要檢驗項目。 GB/T 14048.2-2020《低壓開關設備和控制設備 第 2 部分： 斷路器》中8.1.2 條規(guī)定了斷路器的溫升試驗為型式試驗，該試驗所需試驗電流大，部分斷路器制造廠由于缺乏能生成大電流的設備而忽略該試驗項目。 溫升試驗手段的缺失使斷路器的質(zhì)量隱患只能依靠箱變廠來篩查，而市場上制造廠家眾多，質(zhì)量參差不齊，對用戶造成很大的困擾。
GB/T 14048.1-2012《低壓開關設備和控制設備第 1 部分：總則》中 8.3.3.3.4 條對主電路的溫升試驗規(guī)定為：對多相電流試驗，各相電流應平衡，每相
電流在±5%的允差范圍內(nèi)， 多相電流的平均值應不小于相應的試驗電流值。 目前行業(yè)內(nèi)廠家的試驗方法普遍存在兩方面的問題。 其一，由于試驗系統(tǒng)結
構的原因，使中間相比旁邊兩相電流大，某些情況下有可能不滿足標準規(guī)定的每相電流±5%的允差范圍要求。 若采用三相調(diào)壓器和三相三柱變壓器配合
給斷路器供電方式，將無法進行調(diào)節(jié)，導致試驗失敗。 其二，GB/T 14048.1-2012 中 8.3.3.3.4 條規(guī)定：具有各極相同的多級電器用交流電流進行試驗時，如果電磁效應能夠忽略，經(jīng)制造商同意，可以將所有極串聯(lián)起來通以單相交流電流進行試驗。 該方法不能完全模擬通以三相電流時三相互感的影響，特別是對具有并聯(lián)支路的三極交流斷路器，三極通以三相交流電流時每極的并聯(lián)支路均與另外兩極的并聯(lián)支路產(chǎn)生互感， 而互感系數(shù)隨距離減小而增大，在各極并聯(lián)支路的相互作用下，造成各極并聯(lián)支路中流過的電流分配不均勻，引起各極發(fā)熱量不同。 而當三極串聯(lián)通以交流單相電流時，A、C 兩極電流對 B 極并聯(lián)回路生成的環(huán)流正好相互抵消，對A、C 兩極則不然。 此種情況下并聯(lián)支路電流分配呈現(xiàn)不均勻性，三極通以三相交流電流要比三極串聯(lián)通以單相交流電流時的更加嚴重，導致通三相交流電流的溫升比三極串聯(lián)通單相交流電流的高。 因此，對有并聯(lián)支路的三極斷路器，溫升試驗需采用三相交流電流進行，才能符合實際運行工況。本文中筆者針對三極斷路器的溫升試驗，研制了一套三相大電流發(fā)生器， 以滿足其溫升試驗需要。
2 大電流發(fā)生器設計方案及工作原理
2.1 設計方案
為滿足 GB/T 14048.1-2012 中 8.3.3.3.4 條規(guī)定的“每相電流在±5%的允差范圍”要求，在電源配置方面需要選擇三臺單相調(diào)壓器，分別為變壓器分相供電。以萬能式斷路器 HNW3-63H3 （Ur=690V；Ir=6300A）為例，若溫升試驗在額定工況下進行，需要的電源容量約為 7.6MW，這個條件是絕大部分制造廠達不到的，且電能消耗頗大。 根據(jù) GB/T 14048.1-2012 中 8.3.3.3.4 條規(guī)定，主電路的溫升試驗可在任何合適的電壓下進行。 因此，為了在試驗中既獲得大電流又降低電能消耗，宜采用降壓升流技術。 試驗數(shù)據(jù)測量采用間接測量法比直接測量法更準確、穩(wěn)定地測量試驗數(shù)據(jù)。 本套試驗設備擬選用精密電流互感器進行試驗數(shù)據(jù)的測量。
根據(jù)以上考慮，設計一套大電流發(fā)生器，試驗電流不低于 6300A， 輸出電流三相不平衡率不大于1%，全套試驗設備由三臺單相調(diào)壓器、三相升流變壓器、電流互感器、控制系統(tǒng)組成。 大電流發(fā)生器輸出三相交流電流，試驗電流可以三相統(tǒng)調(diào)或單相獨立電動連續(xù)調(diào)節(jié)，采用高精度的電流互感器和多功
能數(shù)字表測量試驗數(shù)據(jù)， 能滿足 6700kVA （低壓690V）及以下的預裝式變壓站所用的斷路器溫升試驗。 全套試驗設備的主要技術參數(shù)見表 1。
2.2 工作原理
大電流發(fā)生器的電源由三臺單相調(diào)壓器提供，升流變壓器是由三臺單相變壓器按 YNy0 聯(lián)結組成，電流互感器測量升流變壓器的輸出電流。 每一臺調(diào)壓器輸入端 A 端分別接入電網(wǎng)三根相線，三臺調(diào)壓器輸入端 X 端子短接起來接入電網(wǎng)的 N 線，調(diào)壓器的輸出端 a 端分別接入升流變壓器 A、B、C 端，調(diào)壓器輸出端 n 端與升流變壓器 N 端連接，升流變壓器輸出通過銅編織帶和連接銅排連接斷路器，如圖 1 所示 （GA、GB 和 GC 為單相調(diào)壓器；TA、TB 和TC 為升流變壓器）。 通過操作控制系統(tǒng)實現(xiàn)三臺調(diào)壓器同時調(diào)節(jié)或每臺調(diào)壓器單獨調(diào)節(jié)， 使試驗電流至要求值。
3 主要技術問題和解決方案
3.1 升流變壓器的選擇
考慮試驗電流的允差范圍， 升流變壓器需要輸出電流為 6300×（1+5%）＝6615A，小于 6662A。依據(jù)設備的阻抗數(shù)據(jù)， 推算出交流三相電流6300A 時，試驗線路的電壓降為 3.3V，考慮運行中銅排溫升上升，電阻增大，電壓降增大，再加上連接銅排增多接觸電阻增加， 升流變壓器的輸出電壓為姨3 ×3.3×（1＋10%）＝6.29V,小于 10.4V。升流變壓器由三臺額定容量為 40kVA 單相變壓器按 YNy0 聯(lián)結組成，單相組合有利于熱量散發(fā)。單相變壓器采用殼式鐵心，中間心柱套繞組，兩側旁柱形成磁回路，兩邊磁場均衡，磁路短，有利于降低空載電流和空載損耗， 同時起到漏磁場的磁屏蔽作用，有利于降低漏磁場引起的附加損耗；此種結構兩邊對稱，利用夾件夾緊，提高機械強度。 低壓繞組采用銅排加工， 保留必要的散熱氣道， 又盡量增強耦合，保證變壓器阻抗在合適范圍。 繞組通過高強度絕緣板和軟膠固定，既保證了結構強度也具有一定的抗沖擊能力。 升流變壓器的主要技術參數(shù)見表 2。
3.2 柱式調(diào)壓器的選擇
調(diào)壓器為試驗系統(tǒng)提供電源，選用三臺單相調(diào)壓器，一臺調(diào)壓器為升流變壓器一相供電，單臺調(diào)壓器的輸出電壓即為升流變壓器的相電壓，實現(xiàn)對升流變壓器輸出電流分相調(diào)節(jié)。 選用如表 3 技術參數(shù)的柱式調(diào)壓器，其具有輸出電壓波形正弦性好，輸出電壓下限可以為零，調(diào)壓特性平滑、連續(xù)、線性，運行
噪聲小的特點。
3.3 測量回路的設計
大電流發(fā)生器是在試驗室使用的非移動設備，在測量儀器方面，選用 HL23 系列精密電流互感器，貫穿升流變壓器輸出端銅排，其二次側連接多功能數(shù)字表電流測量端。 電流互感器具有 3 組擋位：3000/5、5000/5 和 7000/5， 可切換大小電流量程，提高顯示精度，便于更準確讀數(shù)。 互感器和數(shù)字表的
測量準確級均為 0.2 級， 能準確、 穩(wěn)定測量試驗數(shù)據(jù)。多功能數(shù)字表的電壓測量限值為 1000V，而試驗電壓為 10.4V。 因此，試驗電壓測量回路一端接在變壓器輸出接線端子上，另一端直接接入數(shù)字表的電壓測量端。
3.4 控制系統(tǒng)的功能選擇
為更方便觀察試驗過程的溫度變化， 將控制方式設計為就地控制，通過操作選擇開關與按鈕鍵，令相應的接觸器、 繼電器上電控制回路接通實現(xiàn)對試驗設備的控制。 調(diào)壓器的控制是通過選擇開關實現(xiàn)三相統(tǒng)調(diào)或單相分調(diào)。面板上有兩塊多功能數(shù)字表，用于實時監(jiān)測設備輸入、輸出的電壓和電流?？刂葡?
統(tǒng)還具有缺相、過壓、過流自檢保護功能。
3.5 操作安全性設計
為避免人為誤操作，在二次控制回路設計時，采用多種聯(lián)鎖保護線路。
1）切換電流互感器擋位的聯(lián)鎖保護。
大電流發(fā)生器的輸出電流通過貫穿式電流互感器測量，通過二次側切換擋位。系統(tǒng)在運行過程中為防止人為誤操作切換擋位， 使電流互感器二次側開路，造成設備損害或人員傷害，在設計二次控制回路時，令主回路通斷與電流互感器擋位具有聯(lián)鎖保護，當主回路上電后，互感器擋位切換回路失效。
2）零位合閘保護。
為防止調(diào)壓器不在輸出電壓零位時合閘， 引起沖擊電流，造成設備損壞，令調(diào)壓器的下限位開關與調(diào)壓器合閘線路形成聯(lián)鎖， 當其中一臺的調(diào)壓器不在零電位，合閘回路失效。
3）調(diào)壓器上或下限位保護。
為防止調(diào)壓器到達上或下限位時電機仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動，使齒輪打滑，令調(diào)壓器的上或下限位開關與升壓或降壓按鈕形成聯(lián)鎖， 當其中某一臺調(diào)壓器達到上限位或下限位時， 此臺調(diào)壓器的電機將停止該方向的轉(zhuǎn)動。
4）升壓與降壓回路聯(lián)鎖。
為防止操作時同時按下升壓按鈕和降壓按鈕，造成二次控制回路短路，令兩回路形成聯(lián)鎖，即同時按下兩個按鈕時只能使*早接合的回路上電。
4 試驗驗證及分析
以配套 6700kVA 箱式變壓器的萬能式斷路器HNW3-63H3（額定電流 6300A，且三極均具有兩個并聯(lián)支路）為試品，對設備進行試驗驗證。
4.1 試驗方法
采用交流三相 電流試驗 ， 試驗方法 按 GB/T14048.1-2012 中 8.3.3.3.4 條的規(guī)定。 選用的連接銅排 經(jīng) 與 斷 路 器 制 造 廠 商 定 采 用 10mm ×100mm ×2000mm 銅排，每個接線端子 10 根，銅排涂黑色無光漆，每極銅排分兩組，每組隔開 100mm，每極每根并聯(lián)銅排用環(huán)氧母線夾隔開 10mm 并夾緊， 采用有利于銅排散熱的布置方式。 銅排的另一端采用銅編織帶與升流變壓器輸出端連接，如圖 2 所示。斷路器三極下端連接在一起組成星形。
合閘后首先進行三相統(tǒng)調(diào)，AC 相 2200A 時，B相已接近 3000A,此時轉(zhuǎn)為分相細調(diào)。 重點是對 AC相升流，同時觀察 B 相電流變化，三相電流接近后，逐相升流到額定值， *終三相調(diào)到 6350A， 細調(diào)結束。 對試品施加試驗電流，試驗時間持續(xù) 8h。
4.2 試驗結果及分析
4.2.1 6300A 斷路器溫升試驗情況試驗時， 同一出線端子并聯(lián)的銅編織帶布置應采用連續(xù)換位或完全換位， 否則并聯(lián)銅編織帶的電流分布不均勻，可能導致部分載流導體過載運行，存在安全隱患。 表 4 為四條與升流變壓器輸出端 a 端連接的銅編織帶不換位和連續(xù)換位時電流分布的對比數(shù)據(jù)。輸出試驗電壓 Uac 為 5.56V， 由于 ac 引線長度要比 ab 和 bc 稍長，因此前者電壓比后兩者要高，輸出試驗電流為 6350A， 輸出的電壓和電流均符合設計參數(shù)，滿足試驗需求。三相輸出電流不平衡率*大值為 0.22%，優(yōu)于不平衡率 1%的要求。 表 5 為試驗結束前 2h 內(nèi)輸出電壓和電流的數(shù)據(jù)。
試驗持續(xù) 8h，期間每 30min 用紅外熱成像儀監(jiān)測試驗設備各部件溫升情況， 試驗過程中各部件沒有產(chǎn)生明顯的過熱點，溫升值均處于可接受的范圍。表 6 為溫升試驗結束前 2h 內(nèi)試驗設備各部件溫升數(shù)據(jù)。
4.2.2 試驗結果
試 驗 結 束 時 ， 斷 路 器 接 線 端 子 * 大 溫 升 為73.9K，產(chǎn)品溫升合格。 對比斷路器廠家測試該型號斷 路 器 接 線 端 子 * 大 溫 升 結 果 73.1K， 偏 差 為1.09%，測試結果并無明顯差異。全套試驗設備操作方便，功能配置合理，輸出電流連續(xù)可調(diào)、調(diào)節(jié)精度高，滿足斷路器 HNW3-63H3（額定電流 6300A）溫升試驗要求，試驗過程較順利，各部件的溫升滿足要求，且電能消耗低。
4.2.3 注意事項
所有電氣聯(lián)結螺栓應緊固， 避免由于接觸**而引起局部過熱； 實時監(jiān)測試驗設備各部件的溫升情況， 特別是變壓器出線銅排、 互感器支撐架等部位，避免由于大電流可能出現(xiàn)的渦流引起局部過熱；同一出線端子并聯(lián)的銅編織帶的布置應采用連續(xù)換位或完全換位，避免并聯(lián)的銅編織帶電流分布不均。
5 結論
本文筆者所研制的大電流發(fā)生器實現(xiàn)了既定目標，經(jīng)試驗驗證輸出電流可達到 6350A，試驗容量滿足試驗需求，具有輸出電流連續(xù)可調(diào)、調(diào)節(jié)精度高、輸出三相電流不平衡率不大于 1%、 電能消耗低等特點。 大電流發(fā)生器的成功研制大大提升了對斷路器、低壓柜等產(chǎn)品的溫升試驗篩查能力，對變壓器、預裝式變壓站的大電流試驗也是適用的。
