התנהגות של מפרקי חשמל תחתית בריק בחוץ בסביבות משובחות

Dyson

שדה: תקנים חשמליים

China

מפעלי החשמל חיצוניים משמשים בעיקר בקטע המתח בינוני גבוה (MHV). הם מהווים מרכיב קריטי בענף התפוצה, במיוחד ברשתות של 11kV ו-33kV. מגוון רחב של חומרים מרוכבים משמשים בבניית המפעלים הללו. מביניהם, הפרץ הוואקום הוא המרכיב החשוב ביותר. עבור מפעלי חשמל חיצוניים, הפרץ הוואקום בדרך כלל מוקף בתא פורצלן.

המפעלים מחוברים למנגנון ההפעלה באמצעות מוטות הפעלה יצוקים מאגרופלאסט מחוזק בדבק, שמחוברים בתורם למוט הפעלה משותף עשוי מתכת - פלדה. מנגנון ההפעלה של מפעלי החשמל החיצוניים בדרך כלל אימץ עיצוב בסוגר, המוקף בעטיפה מפלדת גלי. בהתחשב בשימוש במגוון חומרים, חשוב להעריך את התאימות של החומרים הללו, כמו גם את העיצוב והעבודה, בתנאים סביבתיים שונים בהם המפעלים מיועדים לפעול. הערכה זו מבטיחה תפקוד ללא בעיות, ובכך יציבות של הרשת החשמלית שהם חלק ממנה.

בדיקות סביבתיות למפעלי חשמל, במיוחד בדיקות טמפרטורה נמוכה וגבוהה, מופיעות בסעיף 6.101.3 של IEC 62271-100[1]. עבור אקלימים קרים, הטווח המועדך לטמפרטורות מינימום ומקסימום הוא -50°C עד +40°C,而对于非常炎热的气候，温度范围是-5°C到+50°C。在海拔高达1000米的地方，低温测试的首选环境最低温度为-10°C、-25°C、-30°C和-40°C。在户外应用中，真空断路器的设计必须考虑到快速的温度变化。在印度，克什米尔、喜马偕尔邦、北阿坎德邦和锡金等地区的许多地方都会遇到这样的温度变化。温度可以低至-25°C。在这些地方，寒冷条件下的问题由于频繁出现风寒和暴风雪等现象而加剧。夏季，在印度的许多地区，温度可高达50°C。向经历极低或极高温度国家出口断路器的制造商需要确定其产品在这些极端气候条件下的性能。本文深入探讨了36 kV级户外真空断路器（VCBs）在符合IEC 62271-100标准的模拟环境条件下的性能。本文讨论的测试包括（a）低温测试和（b）高温测试。此外，本文还探讨了36 kV级户外VCB的操作时间、极间时间差以及操作机构的充电时间。

低温测试

为了了解户外VCB在低温条件下的性能，采用了IEC-62271-100中规定的程序作为参考。该IEC标准规定，对于具有共同操作机构的单外壳断路器，应进行三相测试。对于具有独立极的多外壳断路器，允许测试一个完整的极。在测试设施存在限制的情况下，可以通过以下一种或多种替代方案对多外壳断路器进行测试，前提是断路器在测试设置中的机械操作条件不比正常条件更有利：

减少极间距
减少模块数量
减少相对地绝缘

在测试过程中，禁止对断路器进行任何维护、部件更换或重新调整。除非断路器设计需要热源，否则断路器的液体或气体供应应处于测试空气温度。

应测试断路器的以下操作特性：

合闸时间
分闸时间
极间时间差
同一极内各单元的时间差（如果测试多极）
操作装置的再充电时间
控制电路的消耗
跳闸装置的消耗及并联脱扣记录
合闸和分闸命令脉冲的持续时间
如果适用，密封性测试
如果适用，气体压力
主电路电阻
时间-行程图

这些特性应在以下条件下记录：

额定电源电压值和额定充气压力
最大电源电压值和最大充气压力
最大电源电压值和最小充气压力
最小电源电压值和最小充气压力

由于接触器封装在真空瓶中，并且这种真空灭弧室组件封装在适用于户外应用的空气绝缘瓷壳中，因此与压力相关的参数不适用于VCBs。

低温测试的测试顺序在IEC 62271-100的6.101.3.3条款中定义。在将断路器暴露于20±5°C后，表征初始操作特性[1.4]。在断路器处于闭合位置时进行初步检查后，温度将降至根据温度类别确定的最低环境空气温度。断路器将在闭合位置保持24小时，并开启防凝加热器。24小时后，断路器在额定电源电压下打开和闭合。记录开合时间以建立低温操作特性。然后，按照制造商的规定，断开防凝加热器一段时间（t₁），但不得少于两小时。在此期间，允许报警但不允许锁定。经过t₁时间后，断路器打开并记录打开时间。如果可能，还测量机械行程特性以评估中断能力。

断路器将在打开位置保持24小时，之后断路器将闭合和打开。然后执行50次CO操作，前三个CO操作没有延迟。其余的CO操作按C-tₑ-O-tₑ进行。tₑ是操作之间的时间间隔。每个循环或序列之间允许3分钟的间隔。完成50次CO操作后，将气候试验箱的温度以每小时10 K的速度升高。在过渡期间，进行C-tₑ-O-tₑ和O-tₑ-C-tₑ-O操作，使断路器在操作序列之间保持闭合和打开状态各30分钟。断路器稳定到环境温度后，在20±5°C下重复测量操作特性，以便与20±5°C的初始特性进行比较。

CPRI已经进行了超过十年的中高压（MHV）开关设备的高低温测试，最高可达36 kV。图1显示了安装在高低温测试试验箱中的典型36 kV户外真空断路器（VCB）的测试布置。

展示了36 kV级户外VCB在高低温测试期间的实验结果。测试的VCB配备了弹簧操作机构。

高温测试是在+55°C下进行的，低温测试则分别在-10°C和-25°C下进行。为了分析VCB的性能，检查了以下特性：
合闸和分闸时间（操作时间）：合闸时间定义为从给合闸电路通电（断路器处于开位）到所有极触点接触瞬间的时间间隔。断路器的分闸时间定义为从给分闸释放电路通电（断路器处于闭位）到所有极弧触点分离瞬间的时间间隔。

为了获得体积数据，考虑所有三个极的操作时间的平均值用于比较目的。由于已经比较了极间时间差，因此自动表示出各个极的最大和最短时间之间的最大变化。

a) 极间时间差
b) 充电装置的特性，如充电时间和电流消耗。
c) 操作特性相对于初始操作特性的变化。

在高低温测试期间，断路器的性能已根据上述特性进行了比较，结果将在后续部分讨论。

高温性能评估

表1列出了高温测试的结果。初始特性在20°C下测量。IEC 62271-100未指定操作时间或合闸时间的具体值。测得的初始分闸时间约为36毫秒，合闸时间约为44毫秒。同样，操作装置的充电时间在9.6秒到11.3秒之间，充电电流在2.8 A到3.1 A之间。

在55°C下暴露24小时后，断路器处于闭合位置，分闸时间和合闸时间均匀增加了约5%。进一步在55°C下暴露24小时，断路器处于打开位置，合闸时间增加了约2.5%，分闸时间增加了4%。

在整个测试过程中，所有三个测试样品的极间时间差没有显著变化。因此，可以推断出VCB的所有极的行为相似。充电时间从11.3秒减少到9.6秒，但电流从2.9 A变为3.4 A。

在比较环境温度下的初始值和最终值时，观察到操作时间的变化小于1%，这是可以忽略不计的。

初始操作特性在20°C下测量。测得的初始分闸时间约为36毫秒，合闸时间为44毫秒。同样，操作装置的充电时间为10.6秒，充电装置电流为2.8 A。

在-10°C下暴露24小时后，断路器处于闭合位置，分闸时间减少了约0.7%，合闸时间增加了约2%，没有显著变化。

在没有防凝加热器的两小时内，分闸时间减少了1.36%。在-10°C下进一步暴露24小时后，断路器处于打开位置，合闸时间增加了约3%，分闸时间减少了约2%。

在环境温度下的最终测试中，变化小于1%。在整个-10°C的低温测试期间，极间时间差没有显著变化。

表1列出了从+55°C、-10°C到-25°C的不同温度下的断路器性能。

当断路器在-25°C的低温下工作时，观察到了显著的操作时间变化。表3的结果表明，断路器在-25°C下表现出缓慢的开合动作。-25°C下的操作时间变化百分比明显不同。暴露24小时后，分闸时间增加了30%，合闸时间增加了约25%。同样，在关闭防凝加热元件两个小时后，分闸时间增加了46%。在-25°C下进一步暴露24小时，断路器处于打开位置并且恢复防凝加热元件供电后，分闸时间增加了44%，合闸时间增加了21%。测试期间记录的合闸时间和分闸时间的时间图清楚地显示了这些变化。

20°C环境温度下的测试如图2所示。在-25°C下暴露50小时后记录的合闸时间的时间图如图3所示。比较后，-25°C下的断路器迟缓现象非常明显。