Tiêu chuẩn Bắc Mỹ: So sánh giữa IEEE và Tiêu chuẩn thiết bị đóng cắt Trung Quốc

Tiêu chuẩn IEEE Std C37.20.9™ định nghĩa các yêu cầu về thiết kế, kiểm tra và lắp đặt cho tủ điện khí đóng kín bằng khí (MEGIS) sử dụng khí ở áp suất cao hơn môi trường xung quanh làm chất cách điện chính cho hệ thống điện xoay chiều có điện áp từ 1 kV đến 52 kV. Điều này bao gồm, nhưng không giới hạn ở, các công tắc cắt, công tắc, đầu nối, thanh cái, biến áp đo lường, đầu cáp, đồng hồ đo và rơ le điều khiển/bảo vệ. Trong các bộ tủ điện này, các ngăn dọc - một số hoặc tất cả các phần điện áp trung bình - được cách điện chủ yếu bằng khí nén. Tiêu chuẩn áp dụng cho cả lắp đặt trong nhà và ngoài trời.

Trong lịch sử, loại tủ điện chiếm ưu thế trên thị trường Hoa Kỳ là tủ điện cách điện bằng không khí, vỏ kim loại. Đối với các ứng dụng phân phối vòng, các biến áp kiểu Mỹ gắn trên đế đã được sử dụng phổ biến, trong đó các thành phần điện áp cao như công tắc tải và cầu chì điện áp cao được chứa cùng với lõi và cuộn dây của biến áp bên trong một thùng chứa đầy dầu có điểm cháy cao, hoặc thay vào đó, các công tắc tải cách điện bằng không khí được sử dụng. Do đó, việc chấp nhận và sử dụng tủ điện cách điện bằng khí ở Hoa Kỳ diễn ra tương đối muộn.

Với sự giới thiệu của tủ điện cách điện bằng khí từ các nhà sản xuất châu Âu như ABB và Schneider Electric vào thị trường Hoa Kỳ, khách hàng bắt đầu chấp nhận và áp dụng công nghệ này. Kết quả là, tiêu chuẩn IEEE cho tủ điện cách điện bằng khí được phát triển sau và chỉ được công bố chính thức vào năm 2019. Tiêu chuẩn này dựa chủ yếu trên các tiêu chuẩn IEC nhưng đã được sửa đổi về các thông số, cấu trúc và yêu cầu thử nghiệm để phù hợp với IEEE C37.20.2 và các tiêu chuẩn IEEE khác, đặc biệt là để đáp ứng các yêu cầu an toàn của thiết bị theo IEEE.

1.Điều kiện Môi trường Sử dụng

a) Nhiệt độ hoạt động: tối đa +40 °C; trung bình trong 24 giờ không vượt quá +35 °C; tối thiểu –5 °C.
b) Độ cao: không vượt quá 3,300 feet (1,000 mét).
c) Đánh giá bảo vệ vỏ: NEMA 250 Loại 1 (IP20) cho sử dụng trong nhà; Loại 3R (IP24) cho sử dụng ngoài trời.

Theo GB/T 11022, tủ điện trong nhà ở Trung Quốc được phân loại thành ba hạng mục nhiệt độ môi trường tối thiểu: –5 °C, –15 °C, và –25 °C. Nhiệt độ hoạt động tối thiểu được quy định trong IEEE C37.20.9 cho tủ điện cách điện bằng khí (–5 °C) cao hơn so với nhiệt độ được quy định trong IEEE C37.20.2 cho tủ điện cách điện bằng không khí (–30 °C). Do đó, tủ điện cách điện bằng khí tuân thủ các tiêu chuẩn Trung Quốc có thể hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu môi trường của IEEE C37.20.9.

Bảng 1 dưới đây hiển thị các yêu cầu về điện áp định mức, điện áp chịu đựng tần số công suất và điện áp chịu đựng xung sét cho tủ điện cách điện bằng khí theo IEEE C37.20.9.

Bảng 1 – Đánh giá Điện áp Cách Điện cho Tủ Điện Cách Điện Bằng Khí theo IEEE C37.20.9

Các mức điện áp của thiết bị đóng cắt theo tiêu chuẩn Bắc Mỹ khác với các mức điện áp ở Trung Quốc. Do đó, thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí (GIS) phải tuân thủ yêu cầu về điện áp chịu đựng xoay chiều định mức và điện áp chịu đựng xung sét định mức được quy định trong các tiêu chuẩn IEE-Business. Ví dụ, một tủ GIS 12 kV được thiết kế theo tiêu chuẩn Trung Quốc chỉ có thể đáp ứng yêu cầu thử nghiệm điện môi cho mức điện áp 4,76 kV theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ, trong khi tủ GIS 24 kV của Trung Quốc có thể thỏa mãn yêu cầu cách điện cho các mức điện áp lên đến và bao gồm 27 kV.

Tiêu chuẩn IEE-Business Std 386™-2016 quy định yêu cầu cho các kết nối cách điện tách rời được sử dụng trong hệ thống phân phối có mức điện áp từ 2,5 kV đến 35 kV—thông thường được gọi là tiêu chuẩn "kết nối khuỷu tay kiểu Mỹ". Các kết nối này được sử dụng rộng rãi trong thiết bị theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ như biến áp gắn đế và hộp phân phối cáp. Ngược lại, thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí của Trung Quốc thường sử dụng các đầu cáp và phích cắm tuân theo EN 50181. Tiêu chuẩn IEE-Business cho thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí bao gồm các yêu cầu thử nghiệm điện môi cụ thể cho các loại phụ kiện kết thúc cáp khác nhau.

2 Điện áp định mức
Các giá trị đề xuất cho dòng điện liên tục định mức của thanh cái chính trong thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí IEE-Business (MEGIS) là 200 A, 600 A, 1200 A, 2000 A, 2500 A, 3000 A, và 4000 A—khác với các mức định mức thông thường ở Trung Quốc như 630 A, 1250 A, và 3150 A.

3 Tần số định mức
Tiêu chuẩn IEE-Business quy định tần số định mức là 60 Hz, trong khi tần số chuẩn ở Trung Quốc là 50 Hz. Tần số cao hơn 60 Hz có ảnh hưởng đáng kể đến sự tăng nhiệt độ và hiệu suất cắt ngắn mạch. Theo GB/T 11022, đối với thiết bị đóng cắt và điều khiển có tần số định mức 50 Hz hoặc 60 Hz—điều kiện không có thành phần từ sắt gần các bộ phận dẫn điện—if nhiệt độ tăng đo được trong quá trình thử nghiệm dòng điện liên tục tại 50 Hz không vượt quá 95% giới hạn tối đa cho phép, thiết bị được coi là phù hợp cho cả hai tần số, tức là cũng đáp ứng yêu cầu tăng nhiệt độ 60 Hz.

Tuy nhiên, do khả năng tỏa nhiệt hạn chế trong thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí và biên độ nhiệt tương đối nhỏ, cải tiến thiết kế thường cần thiết để đáp ứng yêu cầu 60 Hz. Sản phẩm đã qua kiểm tra tăng nhiệt 1,1× dòng điện định mức theo tiêu chuẩn Trung Quốc thường có thể đáp ứng yêu cầu 60 Hz.

4 Dòng điện chịu đựng ngắn hạn định mức và Dòng điện chịu đựng đỉnh định mức
Các giá trị đề xuất cho dòng điện chịu đựng ngắn hạn của thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí IEE-Business được hiển thị trong Bảng 3. Không giống như các tiêu chuẩn Trung Quốc, quy định thời gian ngắn mạch là 3 giây hoặc 4 giây, tiêu chuẩn IEE-Business định nghĩa thời gian ngắn mạch là 2 giây.

Ngoài ra, vì hệ thống IEE-Business hoạt động ở tần số 60 Hz (so với 50 Hz), dòng điện chịu đựng đỉnh định mức được định nghĩa là 2,6 lần dòng điện chịu đựng ngắn hạn định mức. Ví dụ, dòng điện chịu đựng ngắn hạn định mức 31,5 kA tương ứng với dòng điện chịu đựng đỉnh định mức 82 kA—cao hơn một chút so với mức 80 kA thường được sử dụng ở Trung Quốc. Để chịu đựng lực điện động do dòng ngắn mạch đỉnh tạo ra, áp suất tiếp xúc và cường độ cơ học của các bộ phận như tiếp điểm phải được tăng cường.

Bảng 2 – Các Mức Dòng Điện Chịu Đựng Ngắn Hạn Đề Xuất cho Thiết Bị Đóng Cắt Cách Điện Bằng Khí IEE-Business