Opførsel af udendørs vakuumkredsløbsbrydere under simulerede miljøer
Udendørs vakuumkredsløbsbrydere anvendes hovedsagelig i det mellemhøje spændingssegment (MHV). De er en vigtig del af distributionssektoren, især inden for 11kV og 33kV net. En række kompositmaterialer bruges i konstruktionen af disse brydere. Blandt dem står vakuumafbryderen ud som den mest vitale komponent. For udendørs kredsløbsbrydere er vakuumafbryderen typisk indkapslet i en porcelænshousing.
Disse brydere er forbundet til driftsmekanismen via fiberglasforstærkede harzgjorte driftsstang, som på deres side er forbundet til en fælles gangdriftsstang lavet af metal - stål. Driftsmekanismen for udendørs vakuumkredsløbsbrydere anvender generelt et fjeder-baseret design, indkapslet i en skivestålbeholder. Givet brugen af flere materialer, er det essentielt at vurdere kompatibiliteten af disse materialer, samt design og håndværk, under forskellige miljøforhold, hvor bryderne er beregnet til at fungere. Denne vurdering sikrer problemfri ydeevne og dermed stabilitet i det elektriske netværk, de er en del af.
Miljøprøver for kredsløbsbrydere, specifikt lavtemperatur- og højtemperaturprøver, er dækket under punkt 6.101.3 i IEC 62271-100[1]. For kolde klimaer er den foretrukne temperaturinterval for minimum- og maksimumværdier -50°C til +40°C, mens for meget varme klimaer er det -5°C til +50°C. Op til 1000 meter højde, er de foretrukne minimumomgivelses temperature for lavtemperaturprøven -10°C, -25°C, -30°C, og -40°C. I udendørs anvendelser skal designet af vakuumkredsløbsbrydere tage hensyn til hurtige temperaturændringer. I Indien oplever mange lokationer i regioner som Kashmir, Himachal Pradesh, Uttarakhand, og Sikkim sådanne temperaturvariationer.
Temperaturen kan falde ned til -25°C. I sådanne lokationer bliver problemer relateret til kolde forhold forstærket af hyppige forekomster af fænomener som vindkøling og snestorme. I sommer kan temperaturen i mange dele af Indien stige op til 50°C. Producenter, der eksporterer kredsløbsbrydere til lande, der oplever ekstremt lave eller høje temperaturer, skal bestemme ydeevnen af deres produkter under disse ekstreme klimaforhold.
Denne artikel undersøger ydeevnen af 36 kV-klassens udendørs vakuumkredsløbsbrydere (VCBs) under simulerede miljøforhold i overensstemmelse med IEC 62271-100. De prøver, der behandles her, inkluderer (a) lavtemperaturprøven og (b) højtemperaturprøven. Desuden udforsker artiklen driftstiden, tidsskævet mellem polerne, og opladningstiden for driftsmechanismen for en 36 kV-klasses udendørs VCB.
Lavtemperaturprøve
For at forstå ydeevnen af udendørs VCBs under lavtemperaturforhold blev proceduren specificeret i IEC-62271-100 benyttet som reference. Denne IEC-standard fastsætter, at for enkeltbeholder kredsløbsbrydere med fælles driftsmechanisme, skal tre-fase prøver udføres. For flerbeholder kredsløbsbrydere med uafhængige poler, er prøvelsen af en komplett pol tilladt. I tilfælde, hvor prøvefaciliteterne er begrænsede, kan flerbeholder kredsløbsbrydere prøves ved hjælp af en eller flere af følgende alternativer, forudsat at kredsløbsbryderens mekaniske driftsforhold i prøveopsætningen ikke er mere gunstige end normale forhold:
Under prøven er enhver vedligeholdelse, deludskiftning, eller justering af kredsløbsbryderen forbudt. Medmindre kredsløbsbryderens design kræver en varmekilde, skal væsker eller gasser til kredsløbsbryderen være ved prøveomgivelsetemperaturen.
Følgende driftsegenskaber af bryderen skal prøves:
Lukketid
Åbningstid
Tidsskæv mellem polerne
Tidsspredning mellem enheder af en pol (hvis flere poler prøves)
Opladningstid for driftsenhed
Forbrug af styrestrømkredsløbet
Forbrug af afbrydere og optegning af shunt-relæer
Varighed af lukke- og åbningskommandoimpulser
Tæthedstest hvis relevant
Gasspænding hvis relevant
Modstand i hovedkredsløbet
Tids-rejsekort
Disse egenskaber skal optegnes ved:
Trykændrede parametre er ikke relevante for VCBs, da kontakten er indkapslet i vakuumflasker, og denne vakuumafbryderenhed er indkapslet i luftisolerede porcelænshousings til udendørs anvendelse.
Prøveproceduren for lavtemperaturprøven er defineret i cl. 6.101.3.3 i IEC 62271-100. Initiale driftsegenskaber [1.4] karakteriseres efter at have udsat bryderen ved 20 ± 5°C. Efter initialundersøgelse med kredsløbsbryderen i lukket stilling sænkes temperaturen til det minimum omgivelsetemperatur ifølge temperaturkategori. Bryderen holdes i lukket stilling i 24 timer med anti-kondensationsvarmere slået til. Efter 24 timer åbnes og lukkes bryderen ved de nominerede strømværdier. Åbningstiden og lukketiden optegnes for at etablere lavtemperaturdriftsegenskaber. Herefter afbrydes strømmen til anti-kondensationsvarmere i en periode (t₁) angivet af producenten, dog mindst to timer. Under denne periode er alarme tilladt, men låsninger er ikke tilladt. Efter tiden t₁ åbnes bryderen, og åbningstiden optegnes. Hvis muligt måles også de mekaniske rejseegenskaber for at tillade vurdering af afbrydningsevne.
Bryderen vil være i åben stilling i 24 timer, hvorefter bryderen lukkes og åbnes. Derefter udføres 50 CO-operationer, hvor de første tre CO-operationer udføres uden nogen forsinkelse. Resten af CO-operationerne udføres som C - tₑ - O - tₑ. Tiden tₑ er tidsperioden mellem operationer. Der gives en 3-minutters pause for hver cyklus eller sekvens. Efter gennemførelse af 50 CO-operationer øges temperaturen i klimaprukammeret med en hastighed på 10 K/timer. Under overgangsperioden udføres C - tₑ - O - tₑ og O - tₑ - C - tₑ - O-operationer, således at bryderen er i lukket og åben stilling i perioder på 30 minutter mellem driftssekvenserne. Efter at kredsløbsbryderen er stabiliseret til omgivelsetemperatur udføres en gentagen måling af driftsegenskaberne ved 20 ± 5°C for sammenligning med de initiale egenskaber ved 20 ± 5°C.
CPRI har udført lav- og højtemperaturprøver på mellemhøjt spændings switchgear op til 36 kV i over ti år. Figur 1 viser et typisk prøveopsætning for en udendørs 36 kV vakuumkredsløbsbryder (VCB), installeret i prøvekammeret for høj- og lavtemperaturprøver.
Eksperimentelle resultater for en 36 kV-klasses udendørs VCB under lav- og højtemperaturprøver præsenteres. De prøvede VCBs var udstyret med fjederdriftsmechanismer.
Højtemperaturprøven blev udført ved +55°C, og lavtemperaturprøverne blev udført ved -10°C og -25°C. Følgende egenskaber blev undersøgt for at analysere VCBs ydeevne:
Lukketid og Åbningstid (Driftstid): Lukketid defineres som intervallet mellem energisering af lukkekredsløbet, med kredsløbsbryderen i åben stilling, og øjeblikket, hvor kontakterne berører hinanden i alle polerne. Åbningstiden for en kredsløbsbryder defineres som intervallet mellem øjeblikket, hvor åbningsslippen energiseres, med kredsløbsbryderen i lukket stilling, og øjeblikket, hvor arckontakterne adskiller sig i alle polerne.
For at få volumetriske data betragtes gennemsnittet af driftstiderne for alle tre poler til sammenligningsformål. Da tidsskævet mellem polerne er sammenlignet, repræsenteres den maksimale ændring mellem den maksimale og minimale tid for individuelle poler automatisk.
a) Tidsskæv mellem polerne
b) Karakteristikker for opladningsenheden, såsom opladningstid og strømforsyning.
c) Ændring i driftsegenskaber i forhold til de initiale driftsegenskaber.
Ydeevnen af bryderne under høj- og lavtemperaturprøver er sammenlignet i forhold til de ovennævnte egenskaber, og resultaterne diskuteres i de følgende afsnit.
Ydeevnevurdering ved høj temperatur
Resultaterne af højtemperaturprøven præsenteres i Tabel 1. Initiale egenskaber blev målt ved 20°C. IEC 62271-100 specificerer ingen værdi for driftstid eller lukketid. De målte initiale åbningstider er ca. 36 ms, og lukketiden er ca. 44 ms. Ligeledes ligger opladningstiden for driftsenheten mellem 9,6 sek. og 11,3 sek., og opladningsstrømmen ligger mellem 2,8 A og 3,1 A.
Efter 24 timers eksponering for 55°C med bryderen i lukket stilling, øgede åbningstiden og lukketiden ensartet med ca. 5%. Efter yderligere 24 timers eksponering for 55°C med bryderen i åben stilling, øgede lukketiden med ca. 2,5%, og åbningstiden øgede med 4%.
Der var ingen betydelig ændring i tidsskævet mellem polerne for alle tre prøveeksempler under hele prøven. Derfor kan det konkluderes, at opførselen er lignende i alle polerne af VCB.Opladningstiden faldt fra 11,3 sek. til 9,6 sek., men strømmen ændrede sig fra 2,9 A til 3,4 A.
Når man sammenligner åbningstiden og lukketiden mellem de initiale og slutværdier ved omgivelsetemperatur, observeres en ændring på mindre end 1% i driftstiden, hvilket er ubetydeligt.
De initiale driftsegenskaber blev målt ved 20°C. De målte initiale værdier for åbningstiden var ca. 36 ms, og lukketiden var 44 ms. Ligeledes var opladningstiden for driftsenheten 10,6 sek., og opladningsstrømmen var 2,8 A.
Efter 24 timers eksponering for -10°C med bryderen i lukket stilling, faldt åbningstiden med ca. 0,7%, og lukketiden øgede med ca. 2%, uden betydelig ændring.
Under den to-timers periode uden anti-kondensationsvarmere, faldt åbningstiden med 1,36%.Efter yderligere 24 timers eksponering for -10°C med bryderen i åben stilling, øgede lukketiden med ca. 3%, og åbningstiden faldt med ca. 2%.
Under den endelige prøve ved omgivelsetemperatur, var ændringen mindre end 1%. Gennem hele lavtemperaturprøveperioden ved -10°C, var der ingen betydelig ændring i tidsskævet mellem polerne.
Ydeevnen af bryderen ved forskellige temperaturer, startende fra +55°C, -10°C, og -25°C, præsenteres i Tabel 1.
Betydelige ændringer i driftstid blev observeret, når bryderen fungerede ved lav temperatur på -25°C. Resultaterne i Tabel 3 indikerer, at bryderen viste træghed under åbning og lukning ved -25°C. Procentandelen af ændring i driftstid ved -25°C var bemærkelsesværdig forskellig. Efter 24 timers eksponering, øgede åbningstiden med 30%, og lukketiden med ca. 25%. Ligeledes, efter anti-kondensationsvarmere var slukket i to timer, øgede åbningstiden med 46%. Yderligere eksponering i 24 timer ved -25°C med bryderen i åben stilling og anti-kondensationsvarmere slået til igen, førte til en 44% øgning i åbningstiden og en 21% øgning i lukketiden. Tidsgrafene for lukketid og åbningstid, som blev optegnet under prøven, viser tydeligt disse ændringer.
Prøven ved omgivelsetemperatur på 20°C vises i figur 2. Tidsgrafene for lukketid, som blev optegnet efter 50 timers eksponering ved -25°C, er angivet i figur 3. Når de sammenlignes, er trægheden af bryderen ved -25°C tydelig.
Når den sammenlignes med dens ydeevne ved -10°C, hvor ændringen i driftstid kun var omkring 0,5% til 3%, har bryderens egenskaber ved -25°C forringet betydeligt. Ved -25°C nåede ændringer i driftstid under forskellige stadier af prøven ca. 45%.
Denne artikel præsenterer eksperimentelle resultater ved sammenligning af ydeevnen af 36 kV-klasses udendørs vakuumkredsløbsbrydere (VCBs) under lav- og højtemperaturprøver i overensstemmelse med IEC 62271-100.
De vigtigste fund i denne artikel er følgende:
Under højtemperaturprøven ved 55°C, opførte de udendørs VCBs tilfredsstillende. De observerede ændringer i driftstid og tidsskæv mellem polerne var ubetydelige.
Under lavtemperaturprøven ved -10°C, var ændringerne i driftstid og tidsskæv mellem polerne ubetydelige.
Betydelige ændringer i driftstid blev observeret, når bryderen fungerede ved lav temperatur på -25°C. De observerede ændringer i åbningstid var i intervallet 20% til 46%, og ændringer i lukketid var i intervallet 25% til 43%.
De udførte prøver indikerer, at selvom en udendørs VCB kan fungere normalt ved -10°C, er der ingen garanti for, at den vil opføre sig på samme måde i koldere forhold som -25°C. Derfor er det nødvendigt at verificere dens ydeevne ved den påkrævede lav temperatur.
