浅析风电专用箱变低压铜排对断路器温升的影响

引言

我国风资源非常丰富,特别是东北、西北、华北地区,发展风力发电有着得天独厚的气候条件,随着上述地区风机装机容量的饱和,风力发电逐步向南方沿海及内陆地区转移。某些地区的夏季温度会比较高,极端最高温度可能高达＋40C,高温问题是这些地区风电场所面临的一个共同问题。

作为风力发电系统重要组成部分的风电专用箱变能否安全稳定运行,其在高温条件下的可靠性显得尤为重要。而风电箱变低压侧的核心部件低压断路器的运行温度能否控制在正常范围内,是风电专用箱变安全稳定运行的决定性因素之一。

大多数安装在高温地区的风电专用箱变的低压断路器是在其标准产品基础上设计制造的,采取了一些辅助的专项技术改进措施,提高断路器的运行可靠性,期望能保证风电专用箱变的正常安全运行。

本文在总结明珠电气股份有限公司近年来用于高温风电场风电专用箱变低压断路器的问题及改进经验的基础上,通过分析低压铜排对断路器温升的影响,提出了高温环境下风电专用箱变低压铜排的设计与选型要点,以期为今后风电专用箱变的设计提供参考。

1高温对风电专用箱变断路器的影响

我国最高户外气温为40C,在盛夏高温季节,太阳辐射作用下箱体内温度可高达60C以上。高温对电气元件有明显的影响,温度升高会加剧断路器中电接触连接表面与周围大气中某些气体的化学反应,使接触面上生成氧化膜及其他膜层,增大接触电阻,并进一步使接触面温度再升高,形成恶性循环,从而造成断路器误动作及内部触头烧蚀事故,如图1所示。

图1 内部触头烧蚀

2断路器温升试验

低压电器中,用于各元件的电气连接方式有很多,包括电线电缆连接、铜排连接等。在实验室内的温升试验中,对大电流采用铜排连接,对小电流采用电线电缆连接。对于断路器的温升试验,一般情况下使用铜排连接。下面以常见的配套2MW风机的风电专用箱变断路器为例,对额定电流相同的同型号断路器施加2MW风机满载电流1674A进行温升试验。

(1)作为风电专用箱变低压侧一次回路电流的载体,又是实现与断路器接线端子可靠搭接的桥梁和纽带,铜排一般由T2纯铜加工制造,其结构的合理性对断路器温升的高低有着重要影响。与断路器进行单排搭接主要有两个缺陷:

1)搭接平面只有1个,根据电流的集肤效应原理,单位面积上的电流密度较大,导致温升偏高。

2)通过紧固螺栓的方式连接,理论上是面与面的接触,但因平面度误差等因素的存在,实际上总是多点或小平面的接触,而不是大平面的完全接触,导致电流密度偏大,温升偏高。

鉴于上述缺陷,与断路器接线端子的搭接采用双铜排,具有以下优点:

1)搭接平面由1个增加到2个,降低了单位面积上的电流密度,有效降低了系统温升,延长了使用寿命。

2)通过单位面积上电流密度的计算,优化后的双铜排搭接比单铜排搭接的总铜排截面积减小,可节约铜材。

对分别采用双铜排和单铜排搭接的同一断路器进行温升摸底试验,断路器的接线端子温升对比如下:单铜排搭接的接线端子温升分别为A相63.8K、B相70.4K、C相58.9K,双铜排搭接的接线端子温升分别为A相53.7K、B相60.6K、C相54K,温升分别下降A相10.1K、B相9.8K、C相4.9K,如表1所示。

(2)在采用单、双铜排对断路器进行温升试验的基础上,又将上述试验用到的断路器装在风电专用箱变低压柜内模拟实际安装和运行状态下的温升试验,结果表明同为80x6的双铜排在低压柜内的温升比表1裸露在空气中的温升高3K左右,这主要是因为低压柜内的散热条件变差及铜排长度减小。

将低压柜内80×6的双铜排换成截面积相同的60×8的双铜排,在同等条件下进行温升试验。60×8双铜排搭接的接线端子温升分别为A相58.9K、B相67.7K、C相59.6K,80×6双铜排搭接的接线端子温升分别为A相56.3K、B相63.8K、C相57.1K,温升分别下降A相2.6K、B相2.9K、C相2.5K,如表2所示。结果表明,在铜材用量不变(两种规格的铜排截面均为480mm2)的情况下,周长越大的铜排越利于断路器接线端子的散热,60×8的铜排周长为136mm,80×6的铜排周长为172mm。

3结语

断路器温升是影响其可靠性和寿命的一个主要因素,通过对其发热原理的解析,经过试验摸底,对与断路器接线端子搭接的铜排进行了优化改进,在保证经济性的基础上,能够有效降低温升,提高断路器的可靠性指标,从而为风电专用箱变的安全稳定运行提供有力保障。