万能式断路器TA N W 1（D W 45）在新能源领域中的可靠性应用探索

宋立国，白亚军，胡海志

（1.宁波天安（集团）股份有限公司，浙江宁波315700；2.宁波诚慧电气有限公司，浙江宁波315700）

1 引言

宁波天安（集团）股份有限公司是新能源箱式变电站市场占有率比较大的企业之一，TANW1（DW45）万能式断路器是上海电科所吸收国内外先进技术开发的，经过长期的运行和试验证明万能式断路器本身不存在设计缺陷。多年运行结果也表明，在普通配电系统中，TANW1万能式断路器能安全正常运行，质量呈稳定状态。但TANW1万能式断路器配在新能源（光伏、风电系统）的美式、欧式箱变中，由于环境的特殊性，已出现了多次质量事故，表现为动静触头、软连接，抽屉式断路器的桥形触头变色及烧坏等质量事故现象。

2 万能式断路器应用于新能源中存在的问题、原因、危害及应对措施

2.1 存在的主要问题

万能式断路器改进以前，从常规配电的角度看，使用在新能源的万能式断路器的设计、使用安全裕度都是比较大的，不会发生质量问题；但在新能源领域中断路器会发生动静触头接触部分异常，断路器动触头的软连接有发热变色现象，抽屉式断路器的桥形触头发生发热变色或烧坏现象，绝缘件烧坏等质量现象，具体见下表1。

使断路器发生不正常的分断（图1-图6）。

2.2 原因分析

2.2.1 电能质量

由于大容量电力和用电整流或交直流换流设备，以及其他非线性负荷，使线路中产生可以分解为基波和一系列谐波电流分量的畸变电流，这些大量存在的不稳定的高次谐波（非正弦周期信号按傅里叶级数展开为原信号频率(50Hz)、两倍及以上的正弦分量），使新能源系统的电磁场环境十分恶劣，严重影响元器件的正常运行。

高次谐波引起集肤效应（又叫趋肤效应，是电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时,会聚集于总导体表层,而非平均分布于整个导体的截面积中）。当导线流过交变电流时，根据楞次定律会在导线内部产生涡流,与导线中心电流方向相反，由于导线中心较导线表面的磁链大，在导线中心处产生的电动势就比在导线表面附近处产生的电动势大。这样作用的结果使电流在表面流动，中心则无电流；频率较高的电子在导体中传导时,会聚集于总导体表层,而非平均分布于整个导体的截面积中，这样就相对减少了有效导电面积，以常规的配电系统来设计，会存在质量隐患。

表1

图1 动静触头烧坏

图2 断路器内的软连接变色

图3 抽屉桥形触头发热变色

图4 单个烧坏的 桥形触头

图5 断路器本体母排

图6 发热烧坏绝缘件

2.2.2 断路器使用温度、海拔超过正常的使用范围

断路器实际使用环境温度较高，有的达到70℃。在温度变化范围不大时，铜在不同温度下的电阻率计算公式是ρ=ρ0(1+αt)，ρ0为 0℃铜的电阻率:1.69*10^(-8)Ωm，α 为铜的平均温度系数:3.9*10^(-3)，t为温度。若变压器内的温度升到60℃（实际情况可能还要大），电阻率从0℃铜的电阻率:1.69*10^(-8)Ωm增大到1.69*10^(-8)*(1+3.9*10^(-3)*60)=2.085*10^(-8)Ωm,即增加了23.37%。所以随着环境温度的提高，整个回路的电阻将增大，温升会超标。

铜在不同温度时的电阻率数据：

表2

2.2.3 环境原因

低压ACB断路器生产合格后至箱式变电站投入使用，至少有好几个月间隔时间，在这期间，由于气候变化，特别是温度变化，会引起凝露，导致动静触头氧化，接触电阻增大，引起温升增大风险；同时在正常运行后，箱变内有时会满负荷发电，有时负荷为0，如光伏，白天发电，晚上休息，昼夜温差大，箱变内极易形成较大的凝露，存在严重的质量隐患。

2.2.4 断路器的设计适用性

TANW1万能式断路器原使用范围为配电系统，在配电系统中能安全运行。但在新能源系统中，如2000A壳架电流的弹簧合闸力为47.2N，3200A壳架电流的弹簧合闸力仅为40.5N（从目前了解情况看，其他企业也存在该种现象），由于有些光伏场、风电场存在不同的高次谐波、电源波形畸变大、脉冲电流、各种电磁波，在系统中会产生过电压、过电动力，且比常规配电项目发热量大，在新能源系统中，这种设计参数不能完全满足使用要求，易引起质量事故。

2.2.5 设计降容系数不够

从配电角度看，有一定的设计裕度就能满足安全可靠的运行，但在箱变新能源领域中，必须要有足够大的设计裕度，否则易产生质量问题。如变压器额定电流仅920A，采用常规的额定电流为1600A的万能式断路器还可能引起质量问题。

2.3 易产生的危害

谐波电流、谐波电压增加，其危害波及全网，对各种电气设备都有不同程度的影响和危害。由于谐波电流使开关设备在启动瞬间产生很高的电流变化率，使暂态恢复峰值电压增大，破坏绝缘，还会引起断路器误动作，导致意外跳闸；谐波可引起系统的电感、电容发生谐振,使谐波放大，当谐波引起系统谐振时,谐波电压升高,谐波电流增大,引起保护及安全自动装置误动,损坏系统设备。

正如前面介绍的断路器存在的主要问题，在新能源领域中，常规万能式断路器易产生严重的质量问题，影响设备的安全运行和正常的发电量。

2.4 采取的主要应对措施

第一，改进断路器的主要技术措施。增加万能式断路器内导电回路薄弱环节的截面，对TANW1-2000系列断路器，当实际长延时整定电流为1000A及以上时，内部每根软连接从20mm2加大到30mm2，保证在2000A电流时，电流密度从2000A/（20mm2*10）=10A/mm2降到2000A/（30mm2*10）=6.67A/mm2；对TANW1-3200系列断路器，当实际长延时整定电流为2500A及以上时，内部每根软连接从30mm2加大到35mm2。保证在3200A电流时，电流密度从3200A/（30mm2*14）=7.62A/mm2降到3200A/（35mm2*14）=6.53A/mm2，以保证导电回路有足够的导通能力。

增加动静触头系统的弹簧力，对TANW1-2000系列断路器，动静触头间最终总接触压力增大约3%；对TANW1-3200系列断路器，动静触头间最终总接触压力增大约10%；保证足够的接触压力，同时在分合闸操作时，有利于动静触头间氧化层的破坏，减少回路的接触电阻，减少发热量。

所有抽屉式断路器的桥型触头的触头弹簧采用优质、有一定规模的弹簧专业企业生产，以便保证弹簧的制造质量。

加强关键零部件的进货质量控制，保证导电回路、操作结构的质量可靠性。

第二，万能式断路器的选用。在新能源箱变的断路器选型时，设计应考虑一定的降容系数（可参考下表），如在万能式断路器周围温度达40℃以上时，可参考温度每升高5℃，应降容至少0.5In左右。

表3

海拔增加对温升的影响不大，温升递增率为海拔每升高100m，温升增加为0.1～0.5℃，但大多数产品均小于0.4℃；而高海拔气温随海拔增加而降低，其递减率为海拔每升高100m，气温降低0.5℃；

第三，外接铜排要考虑降容系数，根据使用环境及用电情况，适当加大外接铜母排的截面，同时保证连接母排的接触面积和足够的接触压力。

第四，加入抑制谐波的元器件，如装设由电容、电感及电阻组成的单调谐滤波器和高通滤波器。

第五，运行、维护。放置时间较长的断路器，在投入运行前进行回路电阻的检测，保证满足合理要求的回路电阻，否则应用百洁布对动、静触头进行清擦，再用纱布沾酒精擦干净，保证动、静触头的良好接触，减小接触电阻、减轻触头发热，保证断路器的正常运行。

用户应对新能源中使用的断路器加强定期/不定期的巡检，特别是温升检测，及时发现质量隐患。建议用户对万能式断路器进行必要的维护保养，具体做法是：若断路器故障分断次数超过3次（含3次），或在负荷较大时，在设备正常运行时，用红外线测温仪测量断路器外接铜排温度，当温升超过60K时，建议停机，先采用百洁布对动、静触头进行清擦，再用纱布沾酒精擦干净，保证动、静触头之间的良好接触，以减小接触电阻，减轻触头发热，利于断路器的正常运行。

3 结语

改进完善的万能式断路器经过温升、机械特性、机械寿命等对比试验及在长沙花明楼风电、天津鑫达光伏多年运行证明，以上的探索能保证断路器及箱变的安全运行，对此，还需要进一步加强研究，以提高万能式断路器在新能源领域的安全可靠运行。