Ponašanje vanjskih vakuumskih prekidača u simuliranim okruženjima
Vanjski vakumski prekidači uglavnom se koriste u segmentu srednje visoke napona (MHV). Oni su ključni komponenti u sektoru distribucije, posebno unutar mreža od 11 kV i 33 kV. U izradi tih prekidača korištena je različita kompozitna materijala. Među njima, vakumski prekidnik ističe kao najvažnija komponenta. Za vanjske prekidače, vakumski prekidnik obično je ugrađen u porcelansku kućištu.
Ti prekidači povezani su s mehanizmom rada putem vlaknenih čvorova ojačanih smolom, koji su na svoj red povezani sa zajedničkim čvorom za rad više polova od metala - čelika. Radni mehanizam vanjskih vakumskih prekidača općenito usvaja dizajn na temelju opruga, smješten u oklop od lima. S obzirom na korištenje različitih materijala, važno je procijeniti kompatibilnost tih materijala, kao i dizajn i obradbu, u različitim okolišnim uvjetima u kojima su prekidači namjeravani da rade. Ova procjena osigurava bezograničeno funkcioniranje i, posljedično, stabilnost električne mreže kojoj su dio.
Okolišni testovi za prekidače, posebno niskotemperaturni i visokotemperaturni testovi, pokrivaju se pod odjeljkom 6.101.3 IEC 62271-100[1]. Za hladne vremenske prilike, preferirani temperaturni raspon za minimalne i maksimalne vrijednosti je od -50°C do +40°C, dok je za vrlo tople vremenske prilike od -5°C do +50°C. Na nadmorskim visinama do 1000 metara, preferirane minimalne okolišne temperature za niskotemperaturni test su -10°C, -25°C, -30°C i -40°C. U vanjskim primjenama, dizajn vakumskih prekidača mora uzeti u obzir brze promjene temperature. U Indiji, mnoge lokacije u regijama poput Kašmira, Himachal Pradesha, Uttarakhand i Sikkima susreću takve promjene temperature.
Temperature mogu pasti do -25°C. U takvim lokacijama, problemi vezani uz hladne uvjete potječu od često pojavljujućih se fenomena poput vjetra i snježnih olujaka. Tijekom ljeta, u mnogim dijelovima Indije, temperature mogu doseći 50°C. Proizvođači koji izvoze prekidače u zemlje koje iskusavaju ekstremno niske ili visoke temperature trebaju utvrditi performanse svojih proizvoda u tim ekstremnim klimatskim uvjetima.
Ovaj rad bavi se performansama vanjskih vakumskih prekidača (VCB) klase 36 kV pod simuliranim okolišnim uvjetima u skladu s IEC 62271-100. Testovi obrađeni u ovom radu uključuju (a) niskotemperaturni test i (b) visokotemperaturni test. Nadalje, rad istražuje vrijeme rada, razliku u vremenu između polova i vrijeme punjenja radnog mehanizma za vanjski VCB klase 36 kV.
Niskotemperaturni test
Da bi se shvatila performansa vanjskih VCB-a u niskotemperaturnim uvjetima, koristili smo postupak naveden u IEC-62271-100 kao referencu. Taj standard IEC navodi da za prekidače s jednim kućištem i zajedničkim radnim mehanizmom treba provesti trofazni test. Za prekidače s više kućišta i nezavisnim polovima, dozvoljeno je testiranje jednog kompletnog pola. U slučajevima gdje postoje ograničenja testne opreme, prekidači s više kućišta mogu se testirati koristeći jednu ili više sljedećih alternativa, pod uvjetom da mehanički radni uvjeti prekidača u testnoj postavci nisu povoljniji od normalnih uvjeta:
Tijekom testa, zabranjeno je održavanje, zamjena dijelova ili ponovno podešavanje prekidača. Osim ako dizajn prekidača zahtijeva izvor topline, tečnosti ili plinove za prekidač trebaju biti na temperaturi zraka u testu.
Sljedeće radne karakteristike prekidača trebaju se testirati:
vrijeme zatvaranja
vrijeme otvaranja
razlika u vremenu između polova
raspon vremena između jedinica jednog pola (ako se testira više polova)
vrijeme punjenja radnog uređaja
potrošnja kontrolne struke
potrošnja uređaja za prekid i snimanje šunt relaysa
trajanje impulsa naredbe za zatvaranje i otvaranje
test sigurnosti ako je primjenjiv
tlak plina ako je primjenjiv
otpornost glavnog kruga
grafikon vremena-putovanja
Ove karakteristike trebaju se zabilježiti na:
Parametri promijenjeni tlakom nisu primjenjivi za VCB-e jer kontaktor smješten je u vakumske flašice, a ova vakumsko prekidnička oprema je upotpunjenja u porcelansko kućište s izolacijom zrakom za vanjsku upotrebu.
Slijed testa za niskotemperaturni test definiran je u cl. 6.101.3.3 IEC 62271-100. Početne radne karakteristike [1.4] karakterizirane su nakon izlaganja prekidača na 20 ± 5°C. Nakon početnog pregleda s prekidačem u zatvorenom položaju temperatura će se sniziti na minimalnu okolišnu zračnu temperaturu prema kategoriji temperature. Prekidač će ostati u zatvorenom položaju 24 sata s grejačima protiv kondenzacije uključenim. Nakon 24 sata prekidač se otvara i zatvara na nominativne vrijednosti napajanja. Vrijeme otvaranja i zatvaranja se zabilježi kako bi se utvrdile niskotemperaturne radne karakteristike. Zatim se napajanje grejača protiv kondenzacije isključi na vrijeme (t₁) prema specifikaciji proizvođača, pri čemu je minimalno vrijeme dva sata. Tijekom ovog intervala, alarmi su dopušteni, ali zaključavanja nisu dopuštena. Nakon vremena t₁ prekidač se otvara i vrijeme otvaranja se zabilježi. Ako je moguće, mjeri se i mehanička putovanja kako bi se omogućila procjena prekidne sposobnosti.
Prekidač će biti u otvorenom položaju 24 sata, nakon čega će se zatvoriti i otvoriti. Zatim se izvrši 50 CO operacija, s prvih tri CO operacije bez ikakvog odlaganja. Ostale CO operacije se izvršavaju kao C - tₑ - O - tₑ. Vrijeme tₑ je vremenski period između operacija. Dozvoljen je 3-minutni interval za svaki ciklus ili sekvencu. Nakon završetka 50 CO operacija, temperatura klimatskog testne komore se povećava brzinom od 10 K/sat. Tijekom prelaznog perioda, C - tₑ - O - tₑ i O - tₑ - C - tₑ - O operacije se izvršavaju tako da prekidač ostaje u zatvorenom i otvorenom položaju 30 minuta između operacijskih sekvenci. Nakon što se prekidač stabilizira na okolišnu temperaturu, ponovno se mjeri radne karakteristike na 20 ± 5°C za usporedbu s početnim karakteristikama na 20 ± 5°C.
CPRI provodi niskotemperaturne i visokotemperaturne testove na opremi srednjeg visokog napona (MHV) do 36 kV već preko deset godina. Slika 1 prikazuje tipičnu testnu postavku za vanjski vakumski prekidač (VCB) od 36 kV instaliran u testnu komoru za visokotemperaturni i niskotemperaturni test.
Eksperimentalni rezultati za vanjski vakumski prekidač klase 36 kV tijekom niskotemperaturnih i visokotemperaturnih testova su predstavljeni. Testirani VCB-ovi bili su opremljeni mehanizmima rada na temelju opruge.
Visokotemperaturni test proveden je na +55°C, a niskotemperaturni testovi na -10°C i -25°C. Sljedeće karakteristike su ispitane kako bi se analizirala performansa VCB-a:
Vrijeme zatvaranja i otvaranja (vrijeme rada):Vrijeme zatvaranja definirano je kao interval vremena između energizacije zatvarajuće struke, s prekidačem u otvorenom položaju, i trenutka kad se kontakti dodirnu u svim polovima.Vrijeme otvaranja prekidača definirano je kao interval vremena između trenutka energizacije otvarajućeg relaysa, s prekidačem u zatvorenom položaju, i trenutka kad se arkirajući kontakti odvoje u svim polovima.
Za dobivanje volumenskih podataka, prosječna vrijednost vremena rada svih tri pola uzima se u obzir za usporedbu. Budući da je razlika u vremenu između polova uspoređena, automatski se predstavlja maksimalna promjena između maksimalnog i minimalnog vremena pojedinih polova.
a) Razlika u vremenu između polova
b) Karakteristike uređaja za punjenje, poput vremena punjenja i potrošnje struje.
c) Promjena u radnim karakteristikama u odnosu na početne radne karakteristike.
Performanse prekidača tijekom visokotemperaturnih i niskotemperaturnih testova uspoređene su u odnosu na prethodno navedene karakteristike, a rezultati su obrađeni u sljedećim odjeljcima.
Procjena performansi na visoku temperaturu
Rezultati visokotemperaturnog testa prikazani su u Tablici 1. Početne karakteristike mjerene su na 20°C. IEC 62271-100 ne specificira nikakvu vrijednost za vrijeme rada ili vrijeme zatvaranja. Mjerena početna vrijednost vremena otvaranja iznosi oko 36 ms, a vrijeme zatvaranja oko 44 ms. Slično tome, vrijeme punjenja radnog uređaja kretalo se od 9,6 sekunde do 11,3 sekunde, a potrošnja struje bila je u rasponu od 2,8 A do 3,1 A.
Nakon 24 sata izlaganja 55°C s prekidačem u zatvorenom položaju, vrijeme otvaranja i zatvaranja uniformno se povećalo oko 5%. Nakon dodatnih 24 sata izlaganja 55°C s prekidačem u otvorenom položaju, vrijeme zatvaranja se povećalo oko 2,5%, a vrijeme otvaranja oko 4%.
Nije zabilježena značajna promjena u razmaku vremena između polova za sve tri testne uzorka tijekom cijelog testa. Stoga se može zaključiti da se ponašanje sliči u svim polovima VCB-a.Vrijeme punjenja se smanjilo s 11,3 sekunde na 9,6 sekundi, ali je struja promijenila sa 2,9 A na 3,4 A.
Kada se uspoređuju vremena otvaranja i zatvaranja između početnih i konačnih vrijednosti pri okolišnim temperaturama, promjena manja od 1% u vremenu rada je zabilježena, što je zanemariva.
Početne radne karakteristike mjerene su na 20°C. Mjerene početne vrijednosti vremena otvaranja bile su oko 36 ms, a vrijeme zatvaranja 44 ms. Slično tome, vrijeme punjenja radnog uređaja bilo je 10,6 sekunde, a potrošnja struje radnog uređaja 2,8 A.
Nakon 24 sata izlaganja -10°C s prekidačem u zatvorenom položaju, vrijeme otvaranja se smanjilo oko 0,7%, a vrijeme zatvaranja se povećalo oko 2%, bez značajne promjene.
Tijekom dvosatnog perioda bez grejača protiv kondenzacije, vrijeme otvaranja se smanjilo 1,36%.Nakon dodatnih 24 sata izlaganja -10°C s prekidačem u otvorenom položaju, vrijeme zatvaranja se povećalo oko 3%, a vrijeme otvaranja se smanjilo oko 2%.
Tijekom konačnog testa pri okolišnoj temperaturi, promjena je bila manja od 1%. Tijekom cijelog perioda niskotemperaturnog testa na -10°C, nije bilo značajne promjene u razmaku vremena između polova.
Performanse prekidača na različitim temperaturama, počevši od +55°C, -10°C i -25°C, prikazane su u Tablici 1.
Značajne promjene u vremenu rada zabilježene su kada je prekidač radio na niskoj temperaturi od -25°C. Rezultati u Tablici 3 pokazuju da je prekidač pokazao osporavanje tijekom otvaranja i zatvaranja na -25°C. Postotak promjene u vremenu rada na -25°C bio je značajan. Nakon 24 sata izlaganja, vrijeme otvaranja se povećalo 30%, a vrijeme zatvaranja se povećalo oko 25%. Slično tome, nakon isključivanja grejača protiv kondenzacije za dva sata, vrijeme otvaranja se povećalo 46%. Daljnje izlaganje 24 sata na -25°C s prekidačem u otvorenom položaju i vraćenjem napajanja grejača protiv kondenzacije dovelo je do 44% povećanja vremena otvaranja i 21% povećanja vremena zatvaranja. Grafikoni vremena zatvaranja i otvaranja zabilježeni tijekom testa jasno pokazuju ove promjene.
Test pri okolišnoj temperaturi od 20°C prikazan je na Slici 2. Grafikoni vremena zatvaranja zabilježeni nakon 50 sati izlaganja na -25°C prikazani su na Slici 3. U usporedbi, osporavanje prekidača na -25°C je jasno vidljivo.
U usporedbi s njegovom performansom na -10°C, gdje je promjena u vremenu rada bila samo oko 0,5% do 3%, karakteristike prekidača na -25°C su značajno pogoršale. Na -25°C, promjene u vremenu rada tijekom različitih faza testa dosegnule su oko 45%.
Ovaj rad prikazuje eksperimentalne rezultate usporedbi performansi vanjskih vakumskih prekidača (VCB) klase 36 kV tijekom niskotemperaturnih i visokotemperaturnih testova u skladu s IEC 62271-100.
Ključni zaključci ovog rada su sljedeći:
Tijekom visokotemperaturnog testa na 55°C, vanjski VCB-ovi su zadovoljavajuće funkcionirali. Promjene u vremenu rada i razmaku vremena između polova bile su zanemarive.
Tijekom niskotemperaturnog testa na -10°C, promjene u vremenu rada i razmaku vremena između polova bile su zanemarive.
Značajne promjene u vremenu rada zabilježene su kada je prekidač radio na niskoj temperaturi od -25°C. Zabilježene promjene u vremenu otvaranja bile su u rasponu od 20% do 46%, a promjene u vremenu zatvaranja bile su u rasponu od 25% do 43%.
Testovi pokazuju da čak i ako vanjski VCB može normalno raditi na -10°C, ne postoji jamstvo da će isto raditi u hladnijim uvjetima poput -25°C. Stoga je važno provjeriti njegovu performansu na potrebnoj niskoj temperaturi.
