Comportament dels interruptors de circuit al aire lliure sota entorns simulats
Els interruptors de circuit amb buit al aire s'utilitzen principalment en el segment de mitja-alta tensió (MHV). Són un component crucial en el sector de distribució, especialment dins les xarxes de 11kV i 33kV. Diversos materials compostos es fan servir en la construcció d'aquests interruptors. Entre ells, l'interruptor de buit destaca com el component més vital. Per als interruptors al aire, l'interruptor de buit sol estar encastat en una caixa de porcellana.
Aquests interruptors estan connectats al mecanisme d'operació a través de varilles d'operació forjades en resina reforçada amb fibra de vidre, que, a la vegada, estan enllaçades a una varilla d'operació comuna feta de metall-acero. El mecanisme d'operació dels interruptors de circuit amb buit al aire generalment adopta un disseny de molla, allotjat dins d'una closca d'acer laminat. Donat l'ús de diversos materials, és essencial avaluar la compatibilitat d'aquests materials, així com el disseny i la feina, en diverses condicions ambientals on es preveu que funcionin els interruptors. Aquesta avaluació assegura un funcionament sense problemes i, en conseqüència, la estabilitat de la xarxa elèctrica de la qual formen part.
Els tests ambientals per a interruptors de circuit, específicament els tests de baixa i alta temperatura, estan coberts en la clàusula 6.101.3 de l'IEC 62271-100[1]. Per a climats fred-volt, el rang de temperatures preferit per a valors mínims i màxims és de -50°C a +40°C, mentre que per a climats molt calents, és de -5°C a +50°C. A alçades fins a 1000 metres, les temperatures ambientals preferides mínimes per al test de baixa temperatura són -10°C, -25°C, -30°C i -40°C. En aplicacions al aire, el disseny dels interruptors de circuit amb buit ha de tenir en compte canvis ràpids de temperatura. A Índia, nombrosos llocs en regions com Caxmir, Himachal Pradesh, Uttarakhand i Sikkim experimenten aquests canvis de temperatura.
Les temperatures poden descendir fins a -25°C. En aquests llocs, els problemes relacionats amb les condicions fredes són exacerbats per l'ocurrència freqüent de fenòmens com el refredament pel vent i les tempestes de neu. Durant l'estiu, en moltes parts d'Índia, les temperatures poden arribar a 50°C. Els fabricants que exporten interruptors de circuit a països que experimenten temperatures extremadament baixes o altes necessiten determinar el rendiment dels seus productes en aquestes condicions climàtiques extrems.
Aquest article s'endinsa en el rendiment dels interruptors de circuit amb buit al aire de classe 36 kV sota condicions ambientals simulades conformant-se a l'IEC 62271-100. Els tests discutits aquí inclouen (a) el test de baixa temperatura i (b) el test de alta temperatura. A més, l'article explora el temps d'operació, la diferència de temps entre pols i el temps de càrrega del mecanisme d'operació per a un interruptor de circuit amb buit al aire de classe 36 kV.
Test de baixa temperatura
Per a obtenir una comprensió del rendiment dels interruptors de circuit amb buit al aire en condicions de baixa temperatura, es va adoptar com a referència el procediment especificat en l'IEC-62271-100. Aquesta norma IEC estipula que, per als interruptors de circuit d'una sola closca amb un mecanisme d'operació comú, s'haurien de realitzar tests tri-fàsics. Per als interruptors de circuit multi-closca amb pols independents, es permet provar un pol complet. En casos on hi hagi limitacions en les instal·lacions de prova, els interruptors de circuit multi-closca poden ser provats utilitzant una o més de les següents alternatives, sempre que les condicions mecàniques d'operació de l'interruptor de circuit en la configuració de prova no siguin més favorables que les condicions normals:
Durant el test, qualsevol manteniment, substitució de peixes o readjustament de l'interruptor de circuit està prohibit. A menys que el disseny de l'interruptor de circuit requereixi una font de calor, els subministraments de líquid o gas per a l'interruptor de circuit haurien d'estar a la temperatura de l'aire de prova.
Les característiques d'operació següents de l'interruptor han de ser provades:
Temps de tancament
Temps d'obertura
Diferència de temps entre pols
Distribució de temps entre unitats d'un pol (si es prova un multi-pols)
Temps de recàrrega del dispositiu d'operació
Consum del circuit de control
Consum dels dispositius de desconnectar i registre de les liberacions paral·leles
Durada de les impulsions d'ordre de tancament i obertura
Prova d'estanquitat si s'aplica
Pressió de gas si s'aplica
Resistència del circuit principal
Gràfic de temps-recorregut
Aquestes característiques s'han de registrar a:
Els paràmetres canviats per pressió no són aplicables als VCBs ja que el contactador està allotjat en ampolles de buit i aquest conjunt d'interruptor de buit està encapsulat en un revestiment de porcellana aïllat per l'aire per a aplicacions al aire.
La seqüència de prova per al test de baixa temperatura es defineix en la clàusula 6.101.3.3 de l'IEC 62271-100. Les característiques d'operació inicials [1.4] es caracteritzen després d'exposar l'interruptor a 20 ± 5°C. Després de l'examen inicial amb l'interruptor en posició tancada, la temperatura es reduirà a la temperatura ambient mínima segons la categoria de temperatura. L'interruptor es mantindrà en posició tancada durant 24 hores amb els calentadors anti-condensació engegats. Després de 24 hores, l'interruptor s'obre i tanca a valors nominals de tensió d'alimentació. El temps d'obertura i tancament es registra per establir les característiques d'operació de baixa temperatura. A continuació, la alimentació als calentadors anti-condensació es desconecta durant un període de temps (t₁) especificat pel fabricant, subjecte a un mínim de dues hores. Durant aquest interval, els avisos són admissibles però els bloquejos no ho són. Després del temps t₁, l'interruptor s'obre i el temps d'obertura es registra. Si és possible, també es mesuren les característiques de desplaçament mecànic per permetre l'avaluació de la capacitat d'interrupció.
L'interruptor estarà en posició oberta durant 24 hores, després del qual l'interruptor es tancarà i obrirà. A continuació, es realitzen 50 operacions CO amb les primeres tres operacions CO realitzades sense cap retard. Les operacions CO restants es realitzen com C - tₑ - O - tₑ. El temps tₑ és el període de temps entre les operacions. Es permetrà un interval de 3 minuts per a cada cicle o seqüència. Després de completar les 50 operacions CO, la temperatura de la cambra de prova climàtica s'augmenta a una velocitat de 10 K/hora. Durant el període de transició, s'efectuen operacions C - tₑ - O - tₑ i O - tₑ - C - tₑ - O de manera que l'interruptor romangui en posició tancada i oberta durant un període de 30 minuts entre les seqüències d'operació. Després que l'interruptor s'estabilitzi a la temperatura ambient, es realitza una mesura repetida de les característiques d'operació a 20 ± 5°C per comparar amb les característiques inicials a 20 ± 5°C.
El CPRI ha estat realitzant proves de baixa i alta temperatura en aparells de mitja-alta tensió (MHV) fins a 36 kV durant més de deu anys. La Figura 1 mostra una disposició típica de prova per a un interruptor de circuit amb buit al aire de 36 kV instal·lat en la cambra de prova per a proves de baixa i alta temperatura.
Es presenten resultats experimentals per a un VCB de classe 36 kV al aire durant proves de baixa i alta temperatura. Els VCBs provats estaven equipats amb mecanismes d'operació de molla.
El test de alta temperatura es va realitzar a +55°C, i els tests de baixa temperatura es van realitzar a -10°C i -25°C. Les característiques següents es van examinar per analitzar el rendiment del VCB:
Temps de tancament i obertura (temps d'operació):El temps de tancament es defineix com l'interval de temps entre l'energització del circuit de tancament, amb l'interruptor de circuit en posició oberta, i el moment en què els contactes toquen en tots els pols.El temps d'obertura d'un interruptor de circuit es defineix com l'interval de temps entre el moment de l'energització de la relació d'obertura, amb l'interruptor de circuit en posició tancada, i el moment en què els contactes d'arc separen en tots els pols.
Per obtenir dades volumètriques, es considera el valor mitjà dels temps d'operació de tots tres pols per a propòsits de comparació. Com que s'ha comparat la distribució de temps entre pols, el canvi màxim entre el temps màxim i mínim d'individus pols es representa automàticament.
a) Distribució de temps entre pols
b) Característiques del dispositiu de recàrrega, com ara el temps de recàrrega i el consum de corrent.
c) Canvi en les característiques d'operació en referència a les característiques d'operació inicials.
El rendiment dels interruptors durant els tests de baixa i alta temperatura s'ha comparat en referència a les característiques mencionades, i els resultats es discuteixen en les seccions posteriors.
Avaluació del rendiment a alta temperatura
Els resultats del test de alta temperatura es presenten a la Taula 1. Les característiques inicials es van mesurar a 20°C. L'IEC 62271-100 no especifica cap valor per al temps d'operació o temps de tancament. Els temps d'obertura inicials mesurats són d'uns 36 ms, i el temps de tancament és d'uns 44 ms. De manera similar, el temps de recàrrega del dispositiu d'operació varia de 9,6 segons a 11,3 segons, i el corrent de recàrrega es troba en el rang de 2,8 A a 3,1 A.
Després de 24 hores d'exposició a 55°C amb l'interruptor en posició tancada, el temps d'obertura i tancament augmentaren uniformement uns 5%. Després d'una exposició addicional de 24 hores a 55°C amb l'interruptor en posició oberta, el temps de tancament augmentà uns 2,5%, i el temps d'obertura augmentà un 4%.
No hi va haver cap canvi significatiu en la distribució de temps entre pols per a tots tres mostres de prova durant tot el test. Per tant, es pot deduir que el comportament és similar en tots els pols del VCB.El temps de recàrrega es va reduir de 11,3 segons a 9,6 segons, però el corrent va canviar de 2,9 A a 3,4 A.
Quan es comparen els temps d'obertura i tancament entre els valors inicials i finals a temperatures ambientals, es va observar un canvi inferior al 1% en el temps d'operació, el qual és negligible.
Les característiques d'operació inicials es van mesurar a 20°C. Els valors inicials mesurats del temps d'obertura eren d'uns 36 ms, i el temps de tancament era de 44 ms. De manera similar, el temps de recàrrega del dispositiu d'operació era de 10,6 segons, i el corrent del dispositiu de recàrrega era de 2,8 A.
Després de 24 hores d'exposició a -10°C amb l'interruptor en posició tancada, el temps d'obertura va disminuir uns 0,7%, i el temps de tancament va augmentar uns 2%, sense cap canvi significatiu.
Durant el període de dues hores sense calentadors anti-condensació, el temps d'obertura va disminuir un 1,36%.Després d'una exposició addicional de 24 hores a -10°C amb l'interruptor en posició oberta, el temps de tancament va augmentar uns 3%, i el temps d'obertura va disminuir uns 2%.
Durant el test final a temperatura ambient, el canvi va ser inferior al 1%. Durant tot el període de prova de baixa temperatura a -10°C, no hi va haver cap canvi significatiu en la distribució de temps entre pols.
El rendiment de l'interruptor a diverses temperatures, començant per +55°C, -10°C i -25°C, es presenta a la Taula 1.
Es van observar canvis significatius en el temps d'operació quan l'interruptor funcionava a una temperatura baixa de -25°C. Els resultats a la Taula 3 indiquen que l'interruptor va mostrar lentitud durant l'obertura i tancament a -25°C. El percentatge de canvi en el temps d'operació a -25°C va ser notablement diferent. Després de 24 hores d'exposició, el temps d'obertura va augmentar un 30%, i el temps de tancament va augmentar aproximadament un 25%. De manera similar, després de desconnectar els elements de calentament anti-condensació durant dos hores, el temps d'obertura va augmentar un 46%. Una exposició addicional de 24 hores a -25°C amb l'interruptor en posició oberta i el subministrament dels elements de calentament anti-condensació restaurat va portar a un increment del 44% en el temps d'obertura i un 21% en el temps de tancament. Els gràfics de temps d'obertura i tancament registrats durant el test mostren clarament aquests canvis.
El test a una temperatura ambient de 20°C es mostra a la Figura 2. Els gràfics de temps de tancament registrats després de 50 hores d'exposició a -25°C es proporcionen a la Figura 3. Quan es comparen, la lentitud de l'interruptor a -25°C és evident.
Quan es compara amb el seu rendiment a -10°C, on el canvi en el temps d'operació només era d'uns 0,5% a 3%, les característiques de l'interruptor a -25°C han deteriorat significativament. A -25°C, els canvis en el temps d'operació durant diverses etapes del test van arribar aproximadament a un 45%.
Aquest article presenta els resultats experimentals de la comparació del rendiment dels interruptors de circuit amb buit al aire de classe 36 kV durant proves de baixa i alta temperatura conformant-se a l'IEC 62271-100.
Els principals resultats d'aquest article són els següents:
Durant el test de alta temperatura a 55°C, els VCBs al aire van funcionar satisfactòriament. Els canvis observats en el temps d'operació i la distribució de temps entre pols van ser insignificants.
Durant el test de baixa temperatura a -10°C, els canvis en el temps d'operació i la distribució de temps entre pols van ser insignificants.
Es van observar canvis significatius en el temps d'operació quan l'interruptor funcionava a una temperatura baixa de -25°C. Els canvis observats en el temps d'obertura van oscil·lar entre un 20% i un 46%, i els canvis en el temps de tancament van estar en el rang d'un 25% a un 43%.
Els tests realitzats indiquen que encara que un VCB al aire pugui funcionar normalment a -10°C, no hi ha garantia que ho farà de la mateixa manera en condicions més fredes com -25°C. Així, és essencial verificar-ne el rendiment a la temperatura baixa requerida.
