Noord-Amerikaanse normen: Een vergelijking tussen IEEE en Chinese schakelapparatuurnormen

IEEE Std C37.20.9™ stelt de ontwerpeisen, testvereisten en installatievereisten vast voor gasgeïsoleerde schakelkasten (MEGIS) in metalen behuizing, die gebruikmaken van gas onder druk boven de omgevingdruk als primaire isolatiemiddel voor wisselstroomsystemen met een spanning van 1 kV tot 52 kV. Dit omvat, maar is niet beperkt tot, circuitbrekers, schakelaars, bushings, busbars, meettransformatoren, kabelafsluitingen, meters en controle/beschermingrelais. In deze schakelkastensamenstellingen worden verticale compartimenten - sommige of alle medium-spanningssecties - voornamelijk geïsoleerd door gecomprimeerd gas. De norm geldt zowel voor binnen- als buitensituaties.

Historisch gezien was luchtgeïsoleerde, metalen beklede schakelkasten het dominante type in de Amerikaanse markt. Voor ringhoofdsverdelingsapplicaties werden Amerikaanse stijl pad-mounted transformatoren veel gebruikt, waarbij hoogspanningscomponenten zoals belastschakelaars en hoogspanningsveiligheidscontacten samen met de transformatorcore en windingen in een tank gevuld met olie met een hoge brandpunt of alternatief luchtgeïsoleerde belastschakelaars werden gehuisvest. Daarom vond de introductie van gasgeïsoleerde schakelkasten in de VS relatief laat plaats.

Met de introductie van gasgeïsoleerde schakelkasten van Europese fabrikanten zoals ABB en Schneider Electric op de Amerikaanse markt begonnen klanten deze technologie te accepteren en te adopteren. Als gevolg hiervan werd de IEEE-norm voor gasgeïsoleerde schakelkasten later ontwikkeld en pas officieel gepubliceerd in 2019. Deze norm is grotendeels gebaseerd op IEC-normen, maar is aangepast ten aanzien van parameters, constructie en testvereisten om in overeenstemming te zijn met IEEE C37.20.2 en andere relevante IEEE-normen, met name om aan de veiligheidseisen van IEEE voor apparatuur te voldoen.

1.Omgevingsvoorwaarden voor gebruik

a) Werktemperatuur: maximaal +40 °C; gemiddeld over 24 uur niet meer dan +35 °C; minimum –5 °C.
b) Hoogte: niet meer dan 3,300 voet (1,000 meter).
c) Beveiligingsgraad van de behuizing: NEMA 250 Type 1 (IP20) voor binnengebruik; Type 3R (IP24) voor buitengebruik.

Volgens GB/T 11022 worden binnenschakelkasten in China ingedeeld in drie categorieën met minimaal omgevingstemperatuur: –5 °C, –15 °C en –25 °C. De minimale werktrempertuut die in IEEE C37.20.9 is gespecificeerd voor gasgeïsoleerde schakelkasten (–5 °C) is hoger dan die in IEEE C37.20.2 voor luchtgeïsoleerde schakelkasten (–30 °C). Daarom kunnen gasgeïsoleerde schakelkasten die voldoen aan Chinese normen volledig voldoen aan de omgevingsvereisten van IEEE C37.20.9.

Tabel 1 hieronder toont de eisen van IEEE C37.20.9 voor de genoemde spanning, de netspanning-weerstandsspanning en de blikseminslag-weerstandsspanning voor gasgeïsoleerde schakelkasten.

Tabel 1 – Isolatiespanningsclassificaties voor gasgeïsoleerde schakelkasten volgens IEEE C37.20.9

De spanningklasse van schakelkasten volgens Noord-Amerikaanse normen verschilt van die in China. Daarom moet gasgeïsoleerde schakelkasten (GIS) voldoen aan de vereisten voor de genoemde netspanningsdruksterkte en de blikseminslagdruksterkte zoals gespecificeerd in IEEE-normen. Bijvoorbeeld, een 12 kV GIS-kast ontworpen volgens Chinese normen kan slechts voldoen aan de isolatietestvereisten voor de 4,76 kV spanningklasse onder Amerikaanse normen, terwijl een 24 kV Chinese GIS-kast de isolatievereisten kan voldoen voor spanningklassen tot en met 27 kV.

IEEE Std 386™-2016 specificeert eisen voor losse geïsoleerde aansluitingen gebruikt in distributiesystemen met een spanning van 2,5 kV tot 35 kV—bekend als de "Amerikaanse elleboogconnector" standaard. Deze aansluitingen worden wijdverspreid gebruikt in Amerikaanse standaardequipment zoals pad-mounted transformatoren en kabelverdelingskasten. In tegenstelling daarmee gebruikt Chinese gasgeïsoleerde schakelkasten meestal kabelbussen en stekkers conform EN 50181. De IEEE-standaard voor gasgeïsoleerde schakelkasten bevat specifieke isolatietestvereisten voor verschillende soorten kabeleindelementen.

2 Nominale Stroom
Aanbevolen waarden voor de nominale continue stroom van hoofdbussen in IEEE-gasgeïsoleerde schakelkasten (MEGIS) zijn 200 A, 600 A, 1200 A, 2000 A, 2500 A, 3000 A en 4000 A—verschillend van de veelvoorkomende Chinese waarden zoals 630 A, 1250 A en 3150 A.

3 Nominele Frequentie
De IEEE-standaard specificeert een nominale frequentie van 60 Hz, terwijl de standaardfrequentie in China 50 Hz is. De hogere frequentie van 60 Hz heeft een significante invloed op temperatuurstijging en kortsluitingonderbreking. Volgens GB/T 11022, voor schakel- en regelapparatuur gerateerd voor zowel 50 Hz als 60 Hz—mits er geen ferromagnetische componenten in de buurt van stroomdragende delen zijn—als de gemeten temperatuurstijging tijdens een continu-stroomtest bij 50 Hz niet meer dan 95% van de maximale toegestane limiet overschrijdt, wordt het apparaat beschouwd als compatibel voor beide frequenties, d.w.z. het voldoet ook aan de 60 Hz temperatuurstijgingsvereiste.

Echter, vanwege de beperkte warmteafvoer in gasgeïsoleerde schakelkasten en de relatief kleine thermische marge, zijn vaak ontwerpwijzigingen nodig om aan de 60 Hz-eisen te voldoen. Producten die de 1,1× nominale stroom temperatuurstijgingstest hebben doorstaan volgens Chinese normen, kunnen over het algemeen aan de 60 Hz-eis voldoen.

4 Nominale Kortsluitstroom en Nominale Piekstroom
De aanbevolen waarden voor de nominale kortsluitstroom voor IEEE-gasgeïsoleerde schakelkasten staan weergegeven in Tabel 3. In tegenstelling tot Chinese normen, die een kortsluitduur van 3 s of 4 s specificeren, definieert de IEEE-standaard een kortsluitduur van 2 seconden.

Bovendien, omdat het IEEE-systeem werkt op 60 Hz (in tegenstelling tot 50 Hz), wordt de nominale piekstroom gedefinieerd als 2,6 keer de nominale kortsluitstroom. Bijvoorbeeld, een nominale kortsluitstroom van 31,5 kA komt overeen met een nominale piekstroom van 82 kA—iets hoger dan de typische 80 kA die in China wordt gebruikt. Om de elektrodynamische krachten te weerstaan die worden gegenereerd door dergelijke piekkortsluitstromen, moeten de contactdruk en mechanische sterkte van componenten zoals contacten worden verhoogd.

Tabel 2 – Aanbevolen Waarden voor de Nominale Kortsluitstroom voor IEEE-Gasgeïsoleerde Schakelkasten