1 引言
低壓斷路器作為箱式變壓器低壓開關(guān)控制設(shè)備的重要組件，其能否正常工作直接影響箱式變壓器的運(yùn)行。 在新能源領(lǐng)域，低壓斷路器的工作狀態(tài)經(jīng)常處于接近滿負(fù)荷運(yùn)行，這是對(duì)其運(yùn)行可靠性的極大考驗(yàn)。 溫升試驗(yàn)是驗(yàn)證斷路器主要性能指標(biāo)和運(yùn)行可靠性的重要檢驗(yàn)項(xiàng)目。 GB/T 14048.2-2020《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)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(yàn)為型式試驗(yàn)，該試驗(yàn)所需試驗(yàn)電流大，部分?jǐn)嗦菲髦圃鞆S由于缺乏能生成大電流的設(shè)備而忽略該試驗(yàn)項(xiàng)目。 溫升試驗(yàn)手段的缺失使斷路器的質(zhì)量隱患只能依靠箱變廠來(lái)篩查，而市場(chǎng)上制造廠家眾多，質(zhì)量參差不齊，對(duì)用戶造成很大的困擾。
GB/T 14048.1-2012《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第 1 部分：總則》中 8.3.3.3.4 條對(duì)主電路的溫升試驗(yàn)規(guī)定為：對(duì)多相電流試驗(yàn)，各相電流應(yīng)平衡，每相
電流在±5%的允差范圍內(nèi)， 多相電流的平均值應(yīng)不小于相應(yīng)的試驗(yàn)電流值。 目前行業(yè)內(nèi)廠家的試驗(yàn)方法普遍存在兩方面的問(wèn)題。 其一，由于試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)
構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致試驗(yàn)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(jí)電器用交流電流進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，如果電磁效應(yīng)能夠忽略，經(jīng)制造商同意，可以將所有極串聯(lián)起來(lái)通以單相交流電流進(jìn)行試驗(yàn)。 該方法不能完全模擬通以三相電流時(shí)三相互感的影響，特別是對(duì)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(shí)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(guò)的電流分配不均勻，引起各極發(fā)熱量不同。 而當(dāng)三極串聯(lián)通以交流單相電流時(shí)，A、C 兩極電流對(duì) B 極并聯(lián)回路生成的環(huán)流正好相互抵消，對(duì)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(shí)的更加嚴(yán)重，導(dǎo)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(duì)有并聯(lián)支路的三極斷路器，溫升試驗(yàn)需采用三相交流電流進(jìn)行，才能符合實(shí)際運(yùn)行工況。本文中筆者針對(duì)三極斷路器的溫升試驗(yàn)，研制了一套三相大電流發(fā)生器， 以滿足其溫升試驗(yàn)需要。
2 大電流發(fā)生器設(shè)計(jì)方案及工作原理
2.1 設(shè)計(jì)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(tái)單相調(diào)壓器，分別為變壓器分相供電。以萬(wàn)能式斷路器 HNW3-63H3 （Ur=690V；Ir=6300A）為例，若溫升試驗(yàn)在額定工況下進(jìn)行，需要的電源容量約為 7.6MW，這個(gè)條件是絕大部分制造廠達(dá)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(yàn)可在任何合適的電壓下進(jìn)行。 因此，為了在試驗(yàn)中既獲得大電流又降低電能消耗，宜采用降壓升流技術(shù)。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量采用間接測(cè)量法比直接測(cè)量法更準(zhǔn)確、穩(wěn)定地測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 本套試驗(yàn)設(shè)備擬選用精密電流互感器進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量。
根據(jù)以上考慮，設(shè)計(jì)一套大電流發(fā)生器，試驗(yàn)電流不低于 6300A， 輸出電流三相不平衡率不大于1%，全套試驗(yàn)設(shè)備由三臺(tái)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(yàn)電流可以三相統(tǒng)調(diào)或單相獨(dú)立電動(dòng)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(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 能滿足 6700kVA （低壓690V）及以下的預(yù)裝式變壓站所用的斷路器溫升試驗(yàn)。 全套試驗(yàn)設(shè)備的主要技術(shù)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(tái)單相調(diào)壓器提供，升流變壓器是由三臺(tái)單相變壓器按 YNy0 聯(lián)結(jié)組成，電流互感器測(cè)量升流變壓器的輸出電流。 每一臺(tái)調(diào)壓器輸入端 A 端分別接入電網(wǎng)三根相線，三臺(tái)調(diào)壓器輸入端 X 端子短接起來(lái)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(guò)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(guò)操作控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三臺(tái)調(diào)壓器同時(shí)調(diào)節(jié)或每臺(tái)調(diào)壓器單獨(dú)調(diào)節(jié)， 使試驗(yàn)電流至要求值。
3 主要技術(shù)問(wèn)題和解決方案
3.1 升流變壓器的選擇
考慮試驗(yàn)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(shè)備的阻抗數(shù)據(jù)， 推算出交流三相電流6300A 時(shí)，試驗(yàn)線路的電壓降為 3.3V，考慮運(yùn)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(tái)額定容量為 40kVA 單相變壓器按 YNy0 聯(lián)結(jié)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(cè)旁柱形成磁回路，兩邊磁場(chǎng)均衡，磁路短，有利于降低空載電流和空載損耗， 同時(shí)起到漏磁場(chǎng)的磁屏蔽作用，有利于降低漏磁場(chǎng)引起的附加損耗；此種結(jié)構(gòu)兩邊對(duì)稱，利用夾件夾緊，提高機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)耦合，保證變壓器阻抗在合適范圍。 繞組通過(guò)高強(qiáng)度絕緣板和軟膠固定，既保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也具有一定的抗沖擊能力。 升流變壓器的主要技術(shù)參數(shù)見表 2。
3.2 柱式調(diào)壓器的選擇
調(diào)壓器為試驗(yàn)系統(tǒng)提供電源，選用三臺(tái)單相調(diào)壓器，一臺(tái)調(diào)壓器為升流變壓器一相供電，單臺(tái)調(diào)壓器的輸出電壓即為升流變壓器的相電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)升流變壓器輸出電流分相調(diào)節(jié)。 選用如表 3 技術(shù)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(yùn)行
噪聲小的特點(diǎn)。
3.3 測(cè)量回路的設(shè)計(jì)
大電流發(fā)生器是在試驗(yàn)室使用的非移動(dòng)設(shè)備，在測(cè)量?jī)x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(cè)連接多功能數(shù)字表電流測(cè)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(zhǔn)確讀數(shù)。 互感器和數(shù)字表的
測(cè)量準(zhǔn)確級(jí)均為 0.2 級(jí)， 能準(zhǔn)確、 穩(wěn)定測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。多功能數(shù)字表的電壓測(cè)量限值為 1000V，而試驗(yàn)電壓為 10.4V。 因此，試驗(yàn)電壓測(cè)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(cè)量端。
3.4 控制系統(tǒng)的功能選擇
為更方便觀察試驗(yàn)過(guò)程的溫度變化， 將控制方式設(shè)計(jì)為就地控制，通過(guò)操作選擇開關(guān)與按鈕鍵，令相應(yīng)的接觸器、 繼電器上電控制回路接通實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的控制。 調(diào)壓器的控制是通過(guò)選擇開關(guān)實(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備輸入、輸出的電壓和電流?？刂葡?
統(tǒng)還具有缺相、過(guò)壓、過(guò)流自檢保護(hù)功能。
3.5 操作安全性設(shè)計(jì)
為避免人為誤操作，在二次控制回路設(shè)計(jì)時(shí)，采用多種聯(lián)鎖保護(hù)線路。
1）切換電流互感器擋位的聯(lián)鎖保護(hù)。
大電流發(fā)生器的輸出電流通過(guò)貫穿式電流互感器測(cè)量，通過(guò)二次側(cè)切換擋位。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中為防止人為誤操作切換擋位， 使電流互感器二次側(cè)開路，造成設(shè)備損害或人員傷害，在設(shè)計(jì)二次控制回路時(shí)，令主回路通斷與電流互感器擋位具有聯(lián)鎖保護(hù)，當(dāng)主回路上電后，互感器擋位切換回路失效。
2）零位合閘保護(hù)。
為防止調(diào)壓器不在輸出電壓零位時(shí)合閘， 引起沖擊電流，造成設(shè)備損壞，令調(diào)壓器的下限位開關(guān)與調(diào)壓器合閘線路形成聯(lián)鎖， 當(dāng)其中一臺(tái)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(hù)。
為防止調(diào)壓器到達(dá)上或下限位時(shí)電機(jī)仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪打滑，令調(diào)壓器的上或下限位開關(guān)與升壓或降壓按鈕形成聯(lián)鎖， 當(dāng)其中某一臺(tái)調(diào)壓器達(dá)到上限位或下限位時(shí)， 此臺(tái)調(diào)壓器的電機(jī)將停止該方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。
4）升壓與降壓回路聯(lián)鎖。
為防止操作時(shí)同時(shí)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(shí)按下兩個(gè)按鈕時(shí)只能使*早接合的回路上電。
4 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析
以配套 6700kVA 箱式變壓器的萬(wàn)能式斷路器HNW3-63H3（額定電流 6300A，且三極均具有兩個(gè)并聯(lián)支路）為試品，對(duì)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
4.1 試驗(yàn)方法
采用交流三相 電流試驗(yàn) ， 試驗(yàn)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(gè)接線端子 10 根，銅排涂黑色無(wú)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(jìn)行三相統(tǒng)調(diào)，AC 相 2200A 時(shí)，B相已接近 3000A,此時(shí)轉(zhuǎn)為分相細(xì)調(diào)。 重點(diǎn)是對(duì) AC相升流，同時(shí)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(xì)調(diào)結(jié)束。 對(duì)試品施加試驗(yàn)電流，試驗(yàn)時(shí)間持續(xù) 8h。
4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
4.2.1 6300A 斷路器溫升試驗(yàn)情況試驗(yàn)時(shí)， 同一出線端子并聯(lián)的銅編織帶布置應(yīng)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(dǎo)致部分載流導(dǎo)體過(guò)載運(yùn)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(shí)電流分布的對(duì)比數(shù)據(jù)。輸出試驗(yàn)電壓 Uac 為 5.56V， 由于 ac 引線長(zhǎng)度要比 ab 和 bc 稍長(zhǎng)，因此前者電壓比后兩者要高，輸出試驗(yàn)電流為 6350A， 輸出的電壓和電流均符合設(shè)計(jì)參數(shù)，滿足試驗(yàn)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(yàn)結(jié)束前 2h 內(nèi)輸出電壓和電流的數(shù)據(jù)。
試驗(yàn)持續(xù) 8h，期間每 30min 用紅外熱成像儀監(jiān)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備各部件溫升情況， 試驗(yàn)過(guò)程中各部件沒有產(chǎn)生明顯的過(guò)熱點(diǎn)，溫升值均處于可接受的范圍。表 6 為溫升試驗(yàn)結(jié)束前 2h 內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備各部件溫升數(shù)據(jù)。
4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果
試 驗(yàn) 結(jié) 束 時(shí) ， 斷 路 器 接 線 端 子 * 大 溫 升 為73.9K，產(chǎn)品溫升合格。 對(duì)比斷路器廠家測(cè)試該型號(hào)斷 路 器 接 線 端 子 * 大 溫 升 結(jié) 果 73.1K， 偏 差 為1.09%，測(cè)試結(jié)果并無(wú)明顯差異。全套試驗(yàn)設(shè)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(yàn)要求，試驗(yàn)過(guò)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(xiàng)
所有電氣聯(lián)結(jié)螺栓應(yīng)緊固， 避免由于接觸**而引起局部過(guò)熱； 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)設(shè)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(guò)熱；同一出線端子并聯(lián)的銅編織帶的布置應(yīng)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(jié)論
本文筆者所研制的大電流發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了既定目標(biāo)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證輸出電流可達(dá)到 6350A，試驗(yàn)容量滿足試驗(yàn)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(diǎn)。 大電流發(fā)生器的成功研制大大提升了對(duì)斷路器、低壓柜等產(chǎn)品的溫升試驗(yàn)篩查能力，對(duì)變壓器、預(yù)裝式變壓站的大電流試驗(yàn)也是適用的。
