引言

我國風資源非常豐富,特別是東北、西北、華北地區(qū),發(fā)展風力發(fā)電有著得天獨厚的氣候條件,隨著上述地區(qū)風機裝機容量的飽和,風力發(fā)電逐步向南方沿海及內(nèi)陸地區(qū)轉(zhuǎn)移。某些地區(qū)的夏季溫度會比較高,極端最高溫度可能高達＋40C,高溫問題是這些地區(qū)風電場所面臨的一個共同問題。

作為風力發(fā)電系統(tǒng)重要組成部分的風電專用箱變能否安全穩(wěn)定運行,其在高溫條件下的可靠性顯得尤為重要。而風電箱變低壓側的核心部件低壓斷路器的運行溫度能否控制在正常范圍內(nèi),是風電專用箱變安全穩(wěn)定運行的決定性因素之一。

大多數(shù)安裝在高溫地區(qū)的風電專用箱變的低壓斷路器是在其標準產(chǎn)品基礎上設計制造的,采取了一些輔助的專項技術改進措施,提高斷路器的運行可靠性,期望能保證風電專用箱變的正常安全運行。

本文在總結明珠電氣股份有限公司近年來用于高溫風電場風電專用箱變低壓斷路器的問題及改進經(jīng)驗的基礎上,通過分析低壓銅排對斷路器溫升的影響,提出了高溫環(huán)境下風電專用箱變低壓銅排的設計與選型要點,以期為今后風電專用箱變的設計提供參考。

1高溫對風電專用箱變斷路器的影響

我國最高戶外氣溫為40C,在盛夏高溫季節(jié),太陽輻射作用下箱體內(nèi)溫度可高達60C以上。高溫對電氣元件有明顯的影響,溫度升高會加劇斷路器中電接觸連接表面與周圍大氣中某些氣體的化學反應,使接觸面上生成氧化膜及其他膜層,增大接觸電阻,并進一步使接觸面溫度再升高,形成惡性循環(huán),從而造成斷路器誤動作及內(nèi)部觸頭燒蝕事故,如圖1所示。

圖1 內(nèi)部觸頭燒蝕

2斷路器溫升試驗

低壓電器中,用于各元件的電氣連接方式有很多,包括電線電纜連接、銅排連接等。在實驗室內(nèi)的溫升試驗中,對大電流采用銅排連接,對小電流采用電線電纜連接。對于斷路器的溫升試驗,一般情況下使用銅排連接。下面以常見的配套2MW風機的風電專用箱變斷路器為例,對額定電流相同的同型號斷路器施加2MW風機滿載電流1674A進行溫升試驗。

(1)作為風電專用箱變低壓側一次回路電流的載體,又是實現(xiàn)與斷路器接線端子可靠搭接的橋梁和紐帶,銅排一般由T2純銅加工制造,其結構的合理性對斷路器溫升的高低有著重要影響。與斷路器進行單排搭接主要有兩個缺陷:

1)搭接平面只有1個,根據(jù)電流的集膚效應原理,單位面積上的電流密度較大,導致溫升偏高。

2)通過緊固螺栓的方式連接,理論上是面與面的接觸,但因平面度誤差等因素的存在,實際上總是多點或小平面的接觸,而不是大平面的完全接觸,導致電流密度偏大,溫升偏高。

鑒于上述缺陷,與斷路器接線端子的搭接采用雙銅排,具有以下優(yōu)點:

1)搭接平面由1個增加到2個,降低了單位面積上的電流密度,有效降低了系統(tǒng)溫升,延長了使用壽命。

2)通過單位面積上電流密度的計算,優(yōu)化后的雙銅排搭接比單銅排搭接的總銅排截面積減小,可節(jié)約銅材。

對分別采用雙銅排和單銅排搭接的同一斷路器進行溫升摸底試驗,斷路器的接線端子溫升對比如下:單銅排搭接的接線端子溫升分別為A相63.8K、B相70.4K、C相58.9K,雙銅排搭接的接線端子溫升分別為A相53.7K、B相60.6K、C相54K,溫升分別下降A相10.1K、B相9.8K、C相4.9K,如表1所示。

(2)在采用單、雙銅排對斷路器進行溫升試驗的基礎上,又將上述試驗用到的斷路器裝在風電專用箱變低壓柜內(nèi)模擬實際安裝和運行狀態(tài)下的溫升試驗,結果表明同為80x6的雙銅排在低壓柜內(nèi)的溫升比表1裸露在空氣中的溫升高3K左右,這主要是因為低壓柜內(nèi)的散熱條件變差及銅排長度減小。

將低壓柜內(nèi)80×6的雙銅排換成截面積相同的60×8的雙銅排,在同等條件下進行溫升試驗。60×8雙銅排搭接的接線端子溫升分別為A相58.9K、B相67.7K、C相59.6K,80×6雙銅排搭接的接線端子溫升分別為A相56.3K、B相63.8K、C相57.1K,溫升分別下降A相2.6K、B相2.9K、C相2.5K,如表2所示。結果表明,在銅材用量不變(兩種規(guī)格的銅排截面均為480mm2)的情況下,周長越大的銅排越利于斷路器接線端子的散熱,60×8的銅排周長為136mm,80×6的銅排周長為172mm。

3結語

斷路器溫升是影響其可靠性和壽命的一個主要因素,通過對其發(fā)熱原理的解析,經(jīng)過試驗摸底,對與斷路器接線端子搭接的銅排進行了優(yōu)化改進,在保證經(jīng)濟性的基礎上,能夠有效降低溫升,提高斷路器的可靠性指標,從而為風電專用箱變的安全穩(wěn)定運行提供有力保障。