رفتار شکننده‌های خلاء بیرونی در محیط‌های شبیه‌سازی شده
بیشتر شکستگان خلاء بیرونی در بخش ولتاژ متوسط و بالا (MHV) استفاده می‌شوند. این دستگاه‌ها عنصر مهمی در بخش توزیع، به ویژه در شبکه‌های 11kV و 33kV هستند. انواع مواد مرکب در ساخت این شکستگان استفاده می‌شود. در میان آنها، مانع خلاء به عنوان مهم‌ترین مؤلفه مطرح است. برای شکستگان بیرونی، معمولاً مانع خلاء در یک پوشش سرامیکی قرار دارد.
این شکستگان با استفاده از میله‌های عملکردی که از رزین تقویت شده با فایبرگلاس ساخته شده‌اند به مکانیزم عملکرد متصل می‌شوند، که نیز به نوبه خود به یک میله عملکردی مشترک از جنس فلز - فولاد متصل می‌شوند. مکانیزم عملکرد شکستگان خلاء بیرونی معمولاً از طرح فنری استفاده می‌کند که در یک پوشش از جنس فولاد لистی قرار دارد. با توجه به استفاده از مواد مختلف، ارزیابی سازگاری این مواد، طراحی و دقت کار در شرایط محیطی مختلف که شکستگان قرار است در آنها عملکرد کنند ضروری است. این ارزیابی اطمینان از عملکرد بدون مشکل و در نتیجه ثبات شبکه الکتریکی که بخشی از آن هستند را فراهم می‌کند.
آزمایش‌های محیطی برای شکستگان، به ویژه آزمون‌های دمای پایین و دمای بالا، تحت بند 6.101.3 از IEC 62271-100[1] پوشش داده شده‌اند. برای مناطق با آب و هوای سرد، محدوده دمای مورد علاقه برای مقادیر حداقل و حداکثر -50°C تا +40°C است، در حالی که برای مناطق بسیار گرم، این محدوده -5°C تا +50°C است. در ارتفاعات تا 1000 متر، دمای محیطی مورد علاقه برای آزمون دمای پایین -10°C، -25°C، -30°C و -40°C است. در کاربردهای بیرونی، طراحی شکستگان خلاء باید تغییرات سریع دما را در نظر بگیرد. در هند، در مناطق مختلفی مانند کشمیر، هیمال پرادش، اوتاراکانت و سیکیم چنین تغییرات دما وجود دارد.
دمای محیط می‌تواند تا -25°C پایین بیاید. در چنین مکان‌هایی، مشکلات مربوط به شرایط سرد با وقوع مکرر پدیده‌هایی مانند سرماخوردگی و برف‌های شدید تشدید می‌شود. در تابستان، در بسیاری از نقاط هند، دما می‌تواند تا 50°C بالا رود. تولیدکنندگانی که شکستگان را به کشورهایی صادر می‌کنند که دمای بسیار پایین یا بالا دارند باید عملکرد محصولات خود را در این شرایط اقلیمی شدید تعیین کنند.
این مقاله به عملکرد شکستگان خلاء بیرونی 36 kV-کلاس تحت شرایط محیطی شبیه‌سازی شده مطابق با IEC 62271-100 می‌پردازد. آزمون‌های مورد بحث در اینجا شامل (الف) آزمون دمای پایین و (ب) آزمون دمای بالا است. علاوه بر این، مقاله زمان عملکرد، تفاوت زمانی بین قطب‌ها و زمان شارژ مکانیزم عملکرد برای یک VCB بیرونی 36 kV-کلاس را بررسی می‌کند.
آزمون دمای پایین
برای درک عملکرد VCBهای بیرونی در شرایط دمای پایین، روش مشخص شده در IEC-62271-100 به عنوان مرجع استفاده شد. این استاندارد IEC مقرر می‌کند که برای شکستگان یک پوششی با مکانیزم عملکرد مشترک، آزمون‌های سه‌فازی انجام شود. برای شکستگان چند پوششی با قطب‌های مستقل، آزمون یک قطب کامل مجاز است. در مواردی که محدودیت‌های تجهیزات آزمون وجود دارد، شکستگان چند پوششی می‌توانند با استفاده از یک یا چند گزینه زیر آزمون شوند، به شرطی که شرایط عملکرد مکانیکی شکستگان در تنظیمات آزمون مطلقاً مساعدتر از شرایط عادی نباشد:
در طول آزمون، هر گونه نگهداری، جایگزینی قطعه یا تنظیم مجدد شکستگان ممنوع است. مگر اینکه طراحی شکستگان نیاز به منبع گرما داشته باشد، تأمین مواد مایع یا گازی برای شکستگان باید در دمای هوا آزمون باشد.
ویژگی‌های عملکردی زیر شکستگان باید آزمون شوند:
زمان بسته شدن
زمان باز شدن
تفاوت زمانی بین قطب‌ها
زمان پخش بین واحد‌های یک قطب (در صورت آزمون چند قطبی)
زمان شارژ دستگاه عملکرد
مصرف مدار کنترل
مصرف دستگاه‌های خاموش کننده و ضبط رها کننده‌های جانبی
مدت زمان دستورالعمل‌های بسته و باز شدن
آزمون محکمیت در صورت لزوم
فشار گاز در صورت لزوم
مقاومت مدار اصلی
نمودار زمان-سفر
این ویژگی‌ها باید در موارد زیر ثبت شوند:
پارامترهای تغییر یافته فشار برای VCBها قابل اجرا نیست چون تماس‌گیر در ظروف خلاء قرار دارد و این مجموعه مانع خلاء در پوشش سرامیکی عایق هوایی برای کاربرد بیرونی جعبه‌بندی شده است.
دنباله آزمون برای آزمون دمای پایین در بند 6.101.3.3 از IEC 62271-100 تعریف شده است. ویژگی‌های عملکردی اولیه [1.4] پس از مواجهه شکستگان با 20 ± 5°C مشخص می‌شوند. پس از بررسی اولیه با شکستگان در وضعیت بسته شده، دمای محیطی به حداقل دمای هوا محیطی متناسب با دسته‌بندی دما کاهش می‌یابد. شکستگان 24 ساعت در وضعیت بسته شده با گرمکن‌های ضد تقطیر روشن نگهداری می‌شوند. پس از 24 ساعت شکستگان با مقادیر اسمی ولتاژ تغذیه باز و بسته می‌شوند. زمان باز و بسته شدن ثبت می‌شود تا ویژگی‌های عملکردی دمای پایین تشکیل شود. سپس تأمین گرمکن‌های ضد تقطیر برای یک دوره زمانی (t₁) مطابق با مشخصات تولیدکننده قطع می‌شود، با حداقل دو ساعت. در این بازه، هشدارهایی مجاز است اما قفل‌شدن‌ها مجاز نیستند. پس از زمان t₁ شکستگان باز شده و زمان باز شدن ثبت می‌شود. اگر امکان دارد، مشخصات حرکت مکانیکی نیز اندازه‌گیری می‌شود تا ظرفیت قطع را ارزیابی کند.
شکستگان 24 ساعت در وضعیت باز شده نگهداری می‌شوند و سپس بسته و باز می‌شوند. سپس 50 عملیات CO انجام می‌شود که سه عملیات اول CO بدون تأخیر انجام می‌شوند. عملیات CO باقی‌مانده به صورت C - tₑ - O - tₑ انجام می‌شوند. زمان tₑ مدت زمان بین عملیات است. یک بازه 3 دقیقه‌ای برای هر چرخه یا دنباله اجازه داده می‌شود. پس از اتمام 50 عملیات CO دمای کámara de prueba climática se eleva a una velocidad de 10 K/hora. Durante el período de transición, se realizan operaciones C - tₑ - O - tₑ y O - tₑ - C - tₑ - O de manera que el interruptor permanezca en posición cerrada y abierta durante un período de 30 minutos entre las secuencias de operación. Después de que el interruptor estabiliza a la temperatura ambiente, se realiza una medición repetida de las características de funcionamiento a 20 ± 5°C para comparar con las características iniciales a 20 ± 5°C.
CPRI ha estado realizando pruebas de baja y alta temperatura en equipos de media y alta tensión (MHV) de hasta 36 kV durante más de diez años. La figura 1 muestra un arreglo de prueba típico para un interruptor de vacío (VCB) al aire libre de 36 kV instalado en la cámara de prueba para pruebas de alta y baja temperatura.
Se presentan los resultados experimentales de un VCB de clase 36 kV al aire libre durante las pruebas de baja y alta temperatura. Los VCBs probados estaban equipados con mecanismos de accionamiento de resorte.
La prueba de alta temperatura se realizó a +55°C, y las pruebas de baja temperatura se realizaron a -10°C y -25°C. Se examinaron las siguientes características para analizar el rendimiento del VCB:
Tiempo de cierre y apertura (tiempo de operación): El tiempo de cierre se define como el intervalo de tiempo entre la energización del circuito de cierre, con el interruptor en posición abierta, y el instante en que los contactos tocan en todos los polos. El tiempo de apertura de un interruptor se define como el intervalo de tiempo entre el instante de energización del liberador de apertura, con el interruptor en posición cerrada, y el instante en que los contactos arqueadores se separan en todos los polos.
Para obtener datos volumétricos, se considera el valor promedio de los tiempos de operación de los tres polos para fines de comparación. Dado que se ha comparado la dispersión de tiempo entre polos, el cambio máximo entre el tiempo máximo y mínimo de cada polo se representa automáticamente.
a) Dispersión de tiempo entre polos
b) Características del dispositivo de recarga, como el tiempo de recarga y el consumo de corriente.
c) Cambio en las características de funcionamiento en referencia a las características de funcionamiento iniciales.
El rendimiento de los interruptores durante las pruebas de alta y baja temperatura se ha comparado en referencia a las características mencionadas, y los resultados se discuten en las secciones siguientes.
Evaluación de rendimiento a alta temperatura
Los resultados de la prueba de alta temperatura se presentan en la Tabla 1. Las características iniciales se midieron a 20°C. IEC 62271-100 no especifica ningún valor para el tiempo de operación o el tiempo de cierre. Los tiempos de apertura iniciales medidos son aproximadamente 36 ms, y el tiempo de cierre es alrededor de 44 ms. De manera similar, el tiempo de recarga del dispositivo de operación varía de 9.6 seg a 11.3 seg, y la corriente de recarga está en el rango de 2.8 A a 3.1 A.
Después de 24 horas de exposición a 55°C con el interruptor en posición cerrada, el tiempo de apertura y cierre aumentó uniformemente en aproximadamente 5%. Tras una exposición adicional de 24 horas a 55°C con el interruptor en posición abierta, el tiempo de cierre aumentó en aproximadamente 2.5%, y el tiempo de apertura aumentó en 4%.
No hubo cambios significativos en la dispersión de tiempo entre polos para las tres muestras de prueba durante toda la prueba. Por lo tanto, se puede inferir que el comportamiento es similar en todos los polos del VCB. El tiempo de recarga disminuyó de 11.3 seg a 9.6 seg, pero la corriente cambió de 2.9 A a 3.4 A.
Al comparar los tiempos de apertura y cierre entre los valores iniciales y finales a temperaturas ambiente, se observó un cambio menor al 1% en el tiempo de operación, lo cual es insignificante.
Las características de funcionamiento iniciales se midieron a 20°C. Los valores iniciales medidos del tiempo de apertura fueron alrededor de 36 ms, y el tiempo de cierre fue 44 ms. De manera similar, el tiempo de recarga del dispositivo de operación fue 10.6 seg, y la corriente del dispositivo de recarga fue 2.8 A.
Después de 24 horas de exposición a -10°C con el interruptor en posición cerrada, el tiempo de apertura disminuyó en aproximadamente 0.7%, y el tiempo de cierre aumentó en aproximadamente 2%, sin cambios significativos.
Durante el período de dos horas sin calentadores anticondensación, el tiempo de apertura disminuyó en 1.36%. Después de una exposición adicional de 24 horas a -10°C con el interruptor en posición abierta, el tiempo de cierre aumentó en aproximadamente 3%, y el tiempo de apertura disminuyó en aproximadamente 2%.
Durante la prueba final a temperatura ambiente, el cambio fue menor al 1%. A lo largo de todo el período de prueba a baja temperatura a -10°C, no hubo cambios significativos en la dispersión de tiempo entre polos.
El rendimiento del interruptor a diversas temperaturas, comenzando desde +55°C, -10°C y -25°C, se presenta en la Tabla 1.
Se observaron cambios significativos en el tiempo de operación cuando el interruptor operaba a una temperatura baja de -25°C. Los resultados en la Tabla 3 indican que el interruptor mostró lentitud durante la apertura y cierre a -25°C. El porcentaje de cambio en el tiempo de operación a -25°C fue notablemente diferente. Después de 24 horas de exposición, el tiempo de apertura aumentó en 30%, y el tiempo de cierre aumentó en aproximadamente 25%. De manera similar, después de que los elementos de calefacción anticondensación se apagaron durante dos horas, el tiempo de apertura aumentó en 46%. Una exposición adicional de 24 horas a -25°C con el interruptor en posición abierta y la alimentación de los elementos de calefacción anticondensación restaurada llevó a un aumento del 44% en el tiempo de apertura y un 21% en el tiempo de cierre. Los gráficos de tiempo para el tiempo de cierre y apertura registrados durante la prueba muestran claramente estos cambios.
La prueba a una temperatura ambiente de 20°C se muestra en la Figura 2. Los gráficos de tiempo del tiempo de cierre registrados después de 50 horas de exposición a -25°C se proporcionan en la Figura 3. Al comparar, la lentitud del interruptor a -25°C es evidente.
Al comparar su rendimiento a -10°C, donde el cambio en el tiempo de operación fue solo alrededor del 0.5% al 3%, las características del interruptor a -25°C han empeorado significativamente. A -25°C, los cambios en el tiempo de operación durante las diversas etapas de la prueba alcanzaron aproximadamente 45%.
Este artículo presenta los resultados experimentales de la comparación del rendimiento de los interruptores de vacío al aire libre de clase 36 kV (VCBs) durante las pruebas de baja y alta temperatura de acuerdo con IEC 62271-100.
Los hallazgos clave de este artículo son los siguientes:
Durante la prueba de alta temperatura a 55°C, los VCBs al aire libre funcionaron satisfactoriamente. Los cambios observados en el tiempo de operación y la dispersión de tiempo entre polos fueron insignificantes.
Durante la prueba de baja temperatura a -10°C, los cambios en el tiempo de operación y la dispersión de tiempo entre polos fueron insignificantes.
Se observaron cambios significativos en el tiempo de operación cuando el interruptor operaba a una temperatura baja de -25°C. Los cambios observados en el tiempo de apertura variaron del 20% al 46%, y los cambios en el tiempo de cierre estuvieron en el rango del 25% al 43%.
Las pruebas realizadas indican que incluso si un VCB al aire libre puede funcionar normalmente a -10°C, no hay garantía de que funcione de la misma manera en condiciones más frías como -25°C. Por lo tanto, es esencial verificar su rendimiento a la temperatura baja requerida.
