Chování venkovních vakuumových vypínačů v simulovaném prostředí
Venkovní vakuové spínače jsou převážně využívány v segmentu středně vysokého napětí (MV). Jde o klíčovou součást v distribučním sektoru, zejména v sítích 11 kV a 33 kV. V konstrukci těchto spínačů se používá množství kompozitních materiálů. Mezi nimi se vyniká vakuový přerušovač jako nejdůležitější komponenta. U venkovních spínačů je vakuový přerušovač obvykle umístěn v porcelánovém obalu.
Tyto spínače jsou spojeny s provozním mechanismem prostřednictvím provozních tyčí z laminátu posilovaného skloplastem, které jsou na svou stranu spojeny s běžnou provozní tyčí z kovu - oceli. Provozní mechanismus venkovních vakuových spínačů obecně využívá pružinový design, umístěný v plechovém obalu. Vzhledem k použití mnoha materiálů je nezbytné hodnotit kompatibilitu těchto materiálů, stejně jako design a provedení, za různorodých podmínek, ve kterých mají spínače fungovat. Tato hodnocení zajišťují bezproblémový provoz a tedy stabilitu elektrické sítě, ke které patří.
Environmentální testy pro spínače, speciálně nízkoteplotní a vysokoteplotní testy, jsou uvedeny v bodě 6.101.3 normy IEC 62271-100[1]. Pro chladné klimatické podmínky je preferovaný rozsah teplot pro minimální a maximální hodnoty -50°C až +40°C, zatímco pro velmi horké klima je to -5°C až +50°C. V nadmořských výškách do 1000 metrů jsou preferované minimální okolní teploty pro nízkoteplotní test -10°C, -25°C, -30°C a -40°C. V venkovních aplikacích musí design vakuových spínačů brát v úvahu rychlé změny teploty. V Indii se takové změny teploty setkávají na mnoha místech v oblastech jako Kašmír, Himáčal Prahad, Uttarakhand a Sikkim.
Teploty mohou klesnout až na -25°C. Na těchto místech jsou problémy související s chladnými podmínkami zhoršeny častými výskyty jevů jako je větrný chlad a sněhové bouře. Během léta, v mnoha částech Indie, mohou teploty stoupat až na 50°C. Výrobci, kteří exportují spínače do zemí, které zažívají extrémně nízké nebo vysoké teploty, potřebují určit výkon svých produktů v těchto extrémních klimatických podmínkách.
Tento článek se zabývá výkonem venkovních vakuových spínačů (VCB) třídy 36 kV v simulovaných environmentálních podmínkách v souladu s IEC 62271-100. Testy zde diskutované zahrnují (a) nízkoteplotní test a (b) vysokoteplotní test. Kromě toho článek zkoumá dobu provozu, rozdíl v době mezi fázemi a dobu nabíjení provozního mechanismu pro venkovní VCB třídy 36 kV.
Nízkoteplotní test
Aby bylo možné získat pochopení výkonu venkovních VCB za nízkoteplotních podmínek, byla použita procedura stanovená v IEC-62271-100 jako referenční. Tato IEC norma stanovuje, že pro jednoobalové spínače s běžným provozním mechanismem budou provedeny třífázové testy. Pro víceobalové spínače s nezávislými fázemi je povolen test jedné kompletní fáze. V případech, kdy existují omezení testovacích zařízení, mohou být víceobalové spínače testovány pomocí jedné nebo více z následujících alternativ, pokud mechanické provozní podmínky spínače v testovací sadě nejsou výhodnější než normální podmínky:
Během testu je zakázáno jakékoliv údržbě, výměně částí nebo přejustrování spínače. Pokud není design spínače vyžaduje zdroj tepla, by měly být kapaliny nebo plyny pro spínač při teplotě vzduchu v testu.
Následující provozní charakteristiky spínače by měly být otestovány:
Doba uzavírání
Doba otevírání
Rozdíl v době mezi fázemi
Rozptyl v době mezi jednotkami jedné fáze (pokud je testováno více fází)
Doba nabíjení provozního zařízení
Spotřeba řídícího obvodu
Spotřeba odpojovacích zařízení a záznam paralelních vypínačů
Doba impulsů pro uzavírání a otevírání
Test utěsněnosti, pokud je to vhodné
Tlak plynu, pokud je to vhodné
Odpornost hlavního obvodu
Časově-prostorový graf
Tyto charakteristiky by měly být zaznamenány při:
Parametry změněného tlaku nejsou pro VCB relevantní, protože kontaktor je umístěn v vakuových lahvích a tento vakuový přerušovač je zapouzdřen v porcelánovém obalu s vzdušnou izolací pro venkovní použití.
Sekvence testu pro nízkoteplotní test je definována v bodě 6.101.3.3 normy IEC 62271-100. Počáteční provozní charakteristiky [1.4] jsou charakterizovány po vystavení spínače teplotě 20 ± 5°C. Po počátečním zkoumání s uzavřeným spínačem se teplota sníží na minimální okolní teplotu podle teplotní kategorie. Spínač bude držen v uzavřené poloze po 24 hodin s zapnutými ohřívači proti kondenzaci. Po 24 hodinách se spínač otevře a uzavře při nominálních hodnotách napájecího napětí. Doba otevírání a uzavírání je zaznamenána pro stanovení nízkoteplotních provozních charakteristik. Poté se zásobování ohřívačů proti kondenzaci odpojí na dobu (t₁), jak je stanoveno výrobcem, ale aspoň na dvě hodiny. Během tohoto intervalu jsou poplachy přípustné, ale uzamčení nejsou přípustná. Po uplynutí času t₁ se spínač otevře a doba otevírání je zaznamenána. Pokud je to možné, jsou také změřeny mechanické pohybové charakteristiky pro posouzení přerušovací kapacity.
Spínač bude v otevřené poloze po 24 hodin, po kterých bude opět uzavřen a otevřen. Pak se provede 50 operací CO, z nichž první tři operace CO jsou provedeny bez jakékoli prodlevy. Zbývající operace CO jsou provedeny jako C - tₑ - O - tₑ. Čas tₑ je doba mezi operacemi. Každý cyklus nebo sekvence bude mít 3-minutovou pauzu. Po dokončení 50 operací CO se teplota klimatické testovací komory zvýší rychlostí 10 K/hodina. Během přechodného období se provádějí operace C - tₑ - O - tₑ a O - tₑ - C - tₑ - O tak, aby spínač zůstal v uzavřené a otevřené poloze po 30 minut mezi operačními sekvencemi. Po stabilizaci spínače na okolní teplotu se opět provede měření provozních charakteristik při 20 ± 5°C pro srovnání s počátečními charakteristikami při 20 ± 5°C.
CPRI provádí nízkoteplotní a vysokoteplotní testy středně vysokého napětí (MHV) až do 36 kV již více než deset let. Obrázek 1 ukazuje typické testovací uspořádání pro venkovní vakuový spínač (VCB) 36 kV nainstalovaný v testovací komoře pro vysokoteplotní a nízkoteplotní testy.
Jsou prezentovány experimentální výsledky pro VCB třídy 36 kV během nízkoteplotních a vysokoteplotních testů. Testované VCB byly vybaveny pružinovými provozními mechanismy.
Vysokoteplotní test byl proveden při +55°C a nízkoteplotní testy byly provedeny při -10°C a -25°C. Byly zkoumány následující charakteristiky pro analýzu výkonu VCB: Doba uzavírání a otevírání (provozní doba): Doba uzavírání je definována jako interval mezi energizací obvodu pro uzavírání, kdy spínač je v otevřené poloze, a okamžikem, kdy kontakty dotýkají všechny fáze. Doba otevírání spínače je definována jako interval mezi okamžikem energizace obvodu pro otevírání, kdy spínač je v uzavřené poloze, a okamžikem, kdy obloukové kontakty oddělí všechny fáze.
Pro získání objemových dat se pro srovnávací účely berou průměrné hodnoty provozních časů všech tří fází. Protože byl srovnán rozptyl časů mezi fázemi, je automaticky reprezentován maximální rozdíl mezi maximální a minimální dobou jednotlivých fází.
a) Rozptyl časů mezi fázemi
b) Charakteristika nabíjecího zařízení, jako je doba nabíjení a spotřeba proudu.
c) Změna provozních charakteristik vzhledem k počátečním provozním charakteristikám.
Výkon spínačů během vysokoteplotních a nízkoteplotních testů byl srovnán vzhledem k výše uvedeným charakteristikám a výsledky jsou diskutovány v následujících oddílech.
Hodnocení výkonu při vysoké teplotě
Výsledky vysokoteplotního testu jsou uvedeny v tabulce 1. Počáteční charakteristiky byly změřeny při 20°C. IEC 62271-100 neurčuje žádnou hodnotu pro provozní dobu nebo dobu uzavírání. Měřené počáteční doby otevírání jsou asi 36 ms a doba uzavírání je asi 44 ms. Podobně, doba nabíjení provozního zařízení se pohybuje od 9,6 s do 11,3 s a spotřeba proudu je v rozmezí 2,8 A až 3,1 A.
Po 24 hodinách expozice při 55°C s uzavřeným spínačem se doba otevírání a uzavírání rovnoměrně zvýšila zhruba o 5%. Po dalších 24 hodinách expozice při 55°C s otevřeným spínačem se doba uzavírání zvýšila zhruba o 2,5% a doba otevírání se zvýšila o 4%.
Neproběhly žádné významné změny v rozptylu časů mezi fázemi pro všechny tři testované vzorky během celého testu. Lze tedy usoudit, že chování je podobné ve všech fázích VCB. Doba nabíjení se snížila z 11,3 s na 9,6 s, ale proud se změnil z 2,9 A na 3,4 A.
Při srovnání dob otevírání a uzavírání mezi počátečními a konečnými hodnotami při okolní teplotě byla zjištěna změna menší než 1%, což je zanedbatelné.
Počáteční provozní charakteristiky byly změřeny při 20°C. Měřené počáteční hodnoty doby otevírání byly asi 36 ms a doba uzavírání byla 44 ms. Podobně, doba nabíjení provozního zařízení byla 10,6 s a spotřeba proudu nabíjecího zařízení byla 2,8 A.
Po 24 hodinách expozice při -10°C s uzavřeným spínačem se doba otevírání snížila zhruba o 0,7% a doba uzavírání se zvýšila zhruba o 2%, bez významných změn.
Během dvouhodinového období bez ohřívačů proti kondenzaci se doba otevírání snížila o 1,36%. Po dalších 24 hodinách expozice při -10°C s otevřeným spínačem se doba uzavírání zvýšila zhruba o 3% a doba otevírání se snížila zhruba o 2%.
Během finálního testu při okolní teplotě byla změna menší než 1%. Během celého období nízkoteplotních testů při -10°C nebyly zaznamenány žádné významné změny v rozptylu časů mezi fázemi.
Výkon spínače při různých teplotách, začínaje +55°C, -10°C a -25°C, je uveden v tabulce 1.
Při nízkoteplotním testu při -25°C byly pozorovány významné změny provozní doby. Výsledky v tabulce 3 naznačují, že spínač ukázal pomalost při otevírání a uzavírání při -25°C. Procentuální změna provozní doby při -25°C byla výrazně odlišná. Po 24 hodinách expozice se doba otevírání zvýšila o 30% a doba uzavírání se zvýšila zhruba o 25%. Podobně, po vypnutí ohřívačů proti kondenzaci na dva hodiny se doba otevírání zvýšila o 46%. Další expozice po 24 hodinách při -25°C s otevřeným spínačem a s obnoveným zásobováním ohřívačů proti kondenzaci vedla k 44% zvýšení doby otevírání a 21% zvýšení doby uzavírání. Časové grafy pro dobu uzavírání a otevírání zaznamenané během testu jasně ukazují tyto změny.
Test při okolní teplotě 20°C je uveden na obrázku 2. Časové grafy doby uzavírání zaznamenané po 50 hodinách expozice při -25°C jsou uvedeny na obrázku 3. Při srovnání je jasně vidět pomalost spínače při -25°C.
Při srovnání s jeho výkonem při -10°C, kde změna provozní doby byla pouze zhruba 0,5% až 3%, se charakteristiky spínače při -25°C značně zhoršily. Při -25°C dosahovaly změny provozní doby během různých fází testu zhruba 45%.
Tento článek prezentuje experimentální výsledky srovnání výkonu venkovních vakuových spínačů (VCB) třídy 36 kV během nízkoteplotních a vysokoteplotních testů v souladu s IEC 62271-100.
Klíčové zjištění tohoto článku jsou následující:
Během vysokoteplotního testu při 55°C venkovní VCB pracovaly uspokojivě. Pozorované změny provozní doby a rozptylu časů mezi fázemi byly zanedbatelné.
Během nízkoteplotního testu při -10°C změny provozní doby a rozptylu časů mezi fázemi byly zanedbatelné.
Při nízkoteplotním testu při -25°C byly pozorovány významné změny provozní doby. Pozorované změny doby otevírání se pohybovaly od 20% do 46% a změny doby uzavírání byly v rozmezí 25% až 43%.
Prováděné testy naznačují, že i když venkovní VCB může pracovat normálně při -10°C, nemusí být zaručeno, že bude fungovat stejně v chladnějších podmínkách, jako je -25°C. Je tedy nezbytné ověřit jeho výkon v požadované nízké teplotě.
