Verhalten von Freiluft-Vakuumschaltern in simulierten Umgebungen
Außenluft-Schaltwerke werden hauptsächlich im Mittel- und Hochspannungsbereich (MHV) eingesetzt. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil des Verteilungssektors, insbesondere in 11kV- und 33kV-Netzen. In der Herstellung dieser Schaltwerke werden verschiedene Verbundwerkstoffe verwendet. Unter ihnen steht der Vakuumschalter als das wichtigste Element heraus. Bei Außenluft-Schaltwerken ist der Vakuumschalter in der Regel in einer Porzellanverkleidung eingebettet.
Diese Schaltwerke sind über glasfaserverstärkte Harzgegossene Betriebsstangen mit dem Antrieb verbunden, die ihrerseits an einen gemeinsamen Metallstahl-Betriebsstab angekoppelt sind. Der Antrieb von Außenluft-Vakuumschaltwerken verwendet in der Regel eine Federantriebskonstruktion, die in einer Blechstahlverkleidung untergebracht ist. Angesichts der Verwendung mehrerer Materialien ist es entscheidend, die Kompatibilität dieser Materialien sowie die Konstruktion und Fertigung unter den verschiedenen Umweltbedingungen zu bewerten, unter denen die Schaltwerke betrieben werden sollen. Diese Bewertung gewährleistet einen störungsfreien Betrieb und somit die Stabilität des elektrischen Netzes, in dem sie integriert sind.
Umwelttests für Schaltwerke, insbesondere Niedrig- und Hochtemperaturtests, sind in Abschnitt 6.101.3 der IEC 62271-100[1] geregelt. Für kalte Klimazonen liegt der bevorzugte Temperaturbereich für Mindest- und Maximalwerte bei -50°C bis +40°C, während er für sehr heiße Klimazonen bei -5°C bis +50°C liegt. Bei Höhen von bis zu 1000 Metern liegen die bevorzugten Mindestumgebungstemperaturen für den Niedrigtemperaturtest bei -10°C, -25°C, -30°C und -40°C. In Außenanwendungen muss die Konstruktion von Vakuumschaltwerken plötzliche Temperaturschwankungen berücksichtigen. In Indien treten solche Temperaturschwankungen an vielen Orten in Regionen wie Kaschmir, Himachal Pradesh, Uttarakhand und Sikkim auf.
Die Temperaturen können bis zu -25°C sinken. In solchen Gebieten werden Probleme durch kälterelevierte Phänomene wie Windkühlung und Schneestürme verstärkt. Im Sommer können die Temperaturen in vielen Teilen Indiens bis zu 50°C steigen. Hersteller, die Schaltwerke in Länder exportieren, die extrem niedrige oder hohe Temperaturen erleben, müssen die Leistung ihrer Produkte unter diesen extremen klimatischen Bedingungen bestimmen.
Dieser Artikel untersucht die Leistung von 36 kV-Klasse-Außenluft-Vakuumschaltwerken (VCBs) unter simulierten Umweltbedingungen gemäß IEC 62271-100. Die hier besprochenen Tests umfassen (a) den Niedrigtemperaturtest und (b) den Hochtemperaturtest. Darüber hinaus wird die Betriebszeit, die Zeitdifferenz zwischen den Polen und die Ladezeit des Antriebsmechanismus eines 36 kV-Klasse-Außenluft-VCB untersucht.
Niedrigtemperaturtest
Um ein Verständnis für die Leistung von Außenluft-VCBs unter Niedrigtemperaturbedingungen zu gewinnen, wurde das in IEC-62271-100 festgelegte Verfahren als Referenz herangezogen. Dieser IEC-Standard legt fest, dass für Einheitsgehäuse-Schaltwerke mit einem gemeinsamen Antrieb Drei-Phasen-Tests durchgeführt werden sollen. Für Mehrgehäuse-Schaltwerke mit unabhängigen Polen ist das Testen eines vollständigen Pols zulässig. Bei Einschränkungen der Testeinrichtungen können Mehrgehäuse-Schaltwerke unter Verwendung einer oder mehrerer der folgenden Alternativen getestet werden, vorausgesetzt, dass die mechanischen Betriebsbedingungen des Schaltwerks im Testaufbau nicht günstiger als die normalen Bedingungen sind:
Während des Tests sind Wartungsarbeiten, Ersatz von Teilen oder Nachjustierungen am Schaltwerk nicht erlaubt. Es sei denn, die Konstruktion des Schaltwerks erfordert eine Wärmequelle, sollten die Flüssigkeiten oder Gase für das Schaltwerk die Testlufttemperatur haben.
Die folgenden Betriebscharakteristika des Schaltwerks sollten getestet werden:
Schließzeit
Öffnungszeit
Zeitdifferenz zwischen den Polen
Zeitdifferenz zwischen den Einheiten eines Pols (falls mehrere Pole getestet werden)
Ladezeit des Antriebsgeräts
Verbrauch des Steuerkreises
Verbrauch der Auslösevorrichtungen und Aufzeichnung der Parallelentlastungen
Dauer der Schließ- und Öffnungsimpulse
Dichtigkeitstest, falls anwendbar
Gasdruck, falls anwendbar
Widerstand des Hauptkreises
Zeit-Weg-Diagramm
Diese Charakteristika sollen aufgezeichnet werden bei:
Druckveränderliche Parameter sind für VCBs nicht anwendbar, da der Kontaktelement in Vakuumbomben untergebracht ist und diese Vakuumschalteranordnung in luftgedämmt porzellanverkleidet für Außenanwendungen eingeschlossen ist.
Der Testablauf für den Niedrigtemperaturtest ist in Abschnitt 6.101.3.3 der IEC 62271-100 definiert. Die anfänglichen Betriebscharakteristika [1.4] werden nach der Exposition des Schalters bei 20 ± 5°C charakterisiert. Nach der anfänglichen Prüfung mit dem Schalter in geschlossener Position wird die Temperatur auf die minimale Umgebungslufttemperatur gemäß der Temperaturkategorie reduziert. Der Schalter bleibt 24 Stunden in geschlossener Position mit eingeschalteten Kondensationsheizern. Nach 24 Stunden wird der Schalter bei Nennwerten der Spannungsversorgung geöffnet und geschlossen. Die Öffnungs- und Schließzeiten werden aufgezeichnet, um die Niedrigtemperatur-Betriebscharakteristika festzulegen. Dann wird die Versorgung der Kondensationsheizer für eine vom Hersteller angegebene Zeitspanne (t₁), mindestens zwei Stunden, abgeschaltet. Während dieser Intervall sind Alarmsignale zulässig, aber Sperrungen nicht. Nach der Zeit t₁ wird der Schalter geöffnet und die Öffnungszeit aufgezeichnet. Sofern möglich, werden auch die mechanischen Wegcharakteristika gemessen, um die Unterbrechungskapazität zu beurteilen.
Der Schalter bleibt 24 Stunden in offener Position, danach wird er geschlossen und geöffnet. Dann werden 50 CO-Operationen durchgeführt, wobei die ersten drei CO-Operationen ohne Verzögerung durchgeführt werden. Die restlichen CO-Operationen werden als C - tₑ - O - tₑ durchgeführt. tₑ ist die Zeitperiode zwischen den Operationen. Ein Intervall von 3 Minuten wird für jeden Zyklus oder Sequenz zugelassen. Nach Abschluss der 50 CO-Operationen wird die Temperatur des Klimatestkammers mit einer Rate von 10 K/Stunde erhöht. Während des Übergangszeitraums werden C - tₑ - O - tₑ und O - tₑ - C - tₑ - O-Operationen durchgeführt, so dass der Schalter zwischen den Betriebssequenzen jeweils 30 Minuten in geschlossener und offener Position verbleibt. Nachdem das Schaltwerk sich auf die Umgebungstemperatur stabilisiert hat, wird eine Wiederholungsmessung der Betriebscharakteristika bei 20 ± 5°C zur Vergleichszwecke mit den anfänglichen Charakteristika bei 20 ± 5°C durchgeführt.
CPRI führt seit über zehn Jahren Niedrig- und Hochtemperaturtests an Mittel- und Hochspannungsschaltanlagen (MHV) bis 36 kV durch. Abbildung 1 zeigt eine typische Testanordnung für einen 36 kV-Außenluft-Vakuumschalter (VCB), der in der Testkammer für Hoch- und Niedrigtemperaturtests installiert ist.
Experimentelle Ergebnisse für einen 36 kV-Klasse-Außenluft-VCB während Niedrig- und Hochtemperaturtests werden präsentiert. Die getesteten VCBs waren mit Federantriebsmechanismen ausgestattet.
Der Hochtemperaturtest wurde bei +55°C durchgeführt, und die Niedrigtemperaturtests wurden bei -10°C und -25°C durchgeführt. Die folgenden Charakteristika wurden untersucht, um die Leistung des VCB zu analysieren:
Schließ- und Öffnungszeit (Betriebszeit): Die Schließzeit ist definiert als die Zeitdauer zwischen der Energisierung des Schließkreises, wenn der Schalter in der offenen Position ist, und dem Moment, wenn die Kontakte in allen Polen in Kontakt kommen. Die Öffnungszeit eines Schalters ist definiert als die Zeitdauer zwischen dem Moment der Energisierung des Öffnungsauslösers, wenn der Schalter in der geschlossenen Position ist, und dem Moment, wenn die Bogenkontakte in allen Polen getrennt sind.
Um volumetrische Daten zu erhalten, wird der Durchschnittswert der Betriebszeiten aller drei Pole für Vergleichszwecke berücksichtigt. Da die Zeitdifferenz zwischen den Polen verglichen wurde, wird die maximale Änderung zwischen der maximalen und minimalen Zeit der einzelnen Pole automatisch dargestellt.
a) Zeitdifferenz zwischen den Polen
b) Charakteristik des Ladevorrichtung, wie Ladezeit und Stromverbrauch.
c) Änderung der Betriebscharakteristika im Vergleich zu den anfänglichen Betriebscharakteristika.
Die Leistung der Schalter während der Hoch- und Niedrigtemperaturtests wurde im Bezug auf die oben genannten Charakteristika verglichen, und die Ergebnisse werden in den nachfolgenden Abschnitten diskutiert.
Leistungsbewertung bei hohen Temperaturen
Die Ergebnisse des Hochtemperaturtests sind in Tabelle 1 dargestellt. Die anfänglichen Charakteristika wurden bei 20°C gemessen. IEC 62271-100 legt keinen Wert für Betriebszeit oder Schließzeit fest. Die gemessenen anfänglichen Öffnungszeiten lagen bei etwa 36 ms, und die Schließzeit lag bei etwa 44 ms. Ebenso lag die Ladezeit des Antriebsgeräts zwischen 9,6 Sekunden und 11,3 Sekunden, und der Ladestrom lag im Bereich von 2,8 A bis 3,1 A.
Nach 24 Stunden Exposition bei 55°C mit dem Schalter in geschlossener Position stiegen die Öffnungszeit und die Schließzeit gleichmäßig um etwa 5%. Nach einer weiteren 24-Stunden-Exposition bei 55°C mit dem Schalter in offener Position stieg die Schließzeit um etwa 2,5% und die Öffnungszeit um 4%.
Es gab keine signifikante Änderung der Zeitdifferenz zwischen den Polen für alle drei Testproben während des gesamten Tests. Daher kann geschlussfolgert werden, dass sich das Verhalten in allen Polen des VCB ähnlich verhält. Die Ladezeit sank von 11,3 Sekunden auf 9,6 Sekunden, aber der Strom änderte sich von 2,9 A auf 3,4 A.
Beim Vergleich der Öffnungs- und Schließzeiten zwischen den anfänglichen und endgültigen Werten bei Umgebungstemperaturen wurde eine Veränderung von weniger als 1% in der Betriebszeit beobachtet, was vernachlässigbar ist.
Die anfänglichen Betriebscharakteristika wurden bei 20°C gemessen. Die gemessenen anfänglichen Werte der Öffnungszeit lagen bei etwa 36 ms, und die Schließzeit lag bei 44 ms. Ebenso lag die Ladezeit des Antriebsgeräts bei 10,6 Sekunden, und der Ladestrom des Antriebsgeräts lag bei 2,8 A.
Nach 24 Stunden Exposition bei -10°C mit dem Schalter in geschlossener Position sank die Öffnungszeit um etwa 0,7%, und die Schließzeit stieg um etwa 2%, ohne signifikante Änderung.
Während der zweistündigen Periode ohne Kondensationsheizer sank die Öffnungszeit um 1,36%. Nach einer weiteren 24-Stunden-Exposition bei -10°C mit dem Schalter in offener Position stieg die Schließzeit um etwa 3%, und die Öffnungszeit sank um etwa 2%.
Während des finalen Tests bei Umgebungstemperatur betrug die Veränderung weniger als 1%. Während der gesamten Niedrigtemperaturtestperiode bei -10°C gab es keine signifikante Änderung der Zeitdifferenz zwischen den Polen.
Die Leistung des Schalters bei verschiedenen Temperaturen, beginnend bei +55°C, -10°C und -25°C, wird in Tabelle 1 dargestellt.
Signifikante Änderungen in der Betriebszeit wurden beobachtet, als der Schalter bei einer Niedrigtemperatur von -25°C betrieben wurde. Die Ergebnisse in Tabelle 3 zeigen, dass der Schalter bei -25°C bei Öffnen und Schließen träger war. Der prozentuale Veränderung der Betriebszeit bei -25°C war bemerkenswert unterschiedlich. Nach 24 Stunden Exposition stieg die Öffnungszeit um 30%, und die Schließzeit stieg um etwa 25%. Ebenso stieg die Öffnungszeit um 46%, nachdem die Kondensationsheizelemente für zwei Stunden abgeschaltet wurden. Eine weitere 24-Stunden-Exposition bei -25°C mit dem Schalter in offener Position und wiederhergestellter Versorgung der Kondensationsheizelemente führte zu einer 44%igen Steigerung der Öffnungszeit und einer 21%igen Steigerung der Schließzeit. Die Zeitdiagramme für Schließ- und Öffnungszeit, die während des Tests aufgezeichnet wurden, zeigen diese Änderungen klar.
Der Test bei einer Umgebungstemperatur von 20°C ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Zeitdiagramme der Schließzeit, die nach 50 Stunden Exposition bei -25°C aufgezeichnet wurden, sind in Abbildung 3 dargestellt. Wenn man beide vergleicht, ist die Trägheit des Schalters bei -25°C deutlich erkennbar.
Im Vergleich zu seiner Leistung bei -10°C, wo die Veränderung der Betriebszeit nur etwa 0,5% bis 3% betrug, haben die Charakteristika des Schalters bei -25°C signifikant abgenommen. Bei -25°C erreichten die Veränderungen der Betriebszeit während der verschiedenen Testphasen etwa 45%.
In diesem Artikel werden die experimentellen Ergebnisse zum Vergleich der Leistung von 36 kV-Klasse-Außenluft-Vakuumschaltwerken (VCBs) während Niedrig- und Hochtemperaturtests gemäß IEC 62271-100 präsentiert.
Die wichtigsten Erkenntnisse dieses Artikels sind wie folgt:
Während des Hochtemperaturtests bei 55°C leisteten die Außenluft-VCBs eine zufriedenstellende Leistung. Die beobachteten Veränderungen in der Betriebszeit und der Zeitdifferenz zwischen den Polen waren unbedeutend.
Während des Niedrigtemperaturtests bei -10°C waren die Veränderungen in der Betriebszeit und der Zeitdifferenz zwischen den Polen unbedeutend.
Bei einem Niedrigtemperaturtest bei -25°C wurden signifikante Veränderungen in der Betriebszeit beobachtet. Die beobachteten Veränderungen in der Öffnungszeit lagen zwischen 20% und 46%, und die Veränderungen in der Schließzeit lagen im Bereich von 25% bis 43%.
Die durchgeführten Tests deuten darauf hin, dass selbst wenn ein Außenluft-VCB bei -10°C normal funktioniert, dies keine Garantie dafür ist, dass es sich bei kälteren Bedingungen, wie -25°C, ebenso verhält. Es ist daher essentiell, seine Leistung bei der erforderlichen Niedrigtemperatur zu überprüfen.
