Gedrag van buitenluik-vacuümschakelaars in gesimuleerde omgevingen
Buitenste vacuümschakelaars worden voornamelijk gebruikt in het medium-hoge spanning (MHV) segment. Ze vormen een cruciaal onderdeel in de distributiesector, met name binnen 11kV en 33kV netwerken. Er worden verschillende composietmaterialen gebruikt bij de constructie van deze schakelaars. Onder deze materialen steekt de vacuümonderbreker het meest uit als het belangrijkste onderdeel. Voor buitenste schakelaars is de vacuümonderbreker meestal gehuisvest in een porseleinen behuizing.
Deze schakelaars zijn verbonden met het bedieningsmechanisme via glasvezel-geversterkt hars gegoten bedieningsstangen, die op hun beurt gekoppeld zijn aan een gemeenschappelijke bedieningsstang gemaakt van metaal-staal. Het bedieningsmechanisme van buitenste vacuümschakelaars maakt doorgaans gebruik van een veervering, die wordt gehuisvest in een stalen behuizing. Gezien het gebruik van meerdere materialen, is het essentieel om de compatibiliteit van deze materialen, evenals het ontwerp en de kwaliteit van de fabricage, te evalueren onder diverse omgevingscondities waarin de schakelaars moeten functioneren. Deze evaluatie zorgt voor probleemloos functioneren en daarmee de stabiliteit van het elektrische netwerk waarvan ze deel uitmaken.
Omgevingstests voor schakelaars, specifiek lage- en hoge-temperatuurtests, worden behandeld in clausule 6.101.3 van IEC 62271-100[1]. Voor koude klimaten is de voorkeurlijke temperatuurbereik voor minimum- en maximumwaarden -50°C tot +40°C, terwijl voor zeer warme klimaten het bereik -5°C tot +50°C is. Tot een hoogte van 1000 meter zijn de voorkeurlijke minimale omgevingstemperaturen voor de lage-temperatuurtest -10°C, -25°C, -30°C en -40°C. In buitenste toepassingen moet het ontwerp van vacuümschakelaars rekening houden met snelle temperatuurveranderingen. In India komen dergelijke temperatuurvariaties voor in veel locaties in regio's zoals Kasjmir, Himachal Pradesh, Uttarakhand en Sikkim.
Temperaturen kunnen dalen tot -25°C. In dergelijke locaties worden problemen gerelateerd aan koude omstandigheden verergerd door frequente optredens van fenomenen zoals windkoeling en sneeuwstormen. Tijdens de zomer kunnen temperaturen in veel delen van India oplopen tot 50°C. Fabrikanten die schakelaars exporteren naar landen met uiterst lage of hoge temperaturen, moeten de prestaties van hun producten onder deze extreme klimaatomstandigheden bepalen.
Dit artikel gaat in op de prestaties van 36 kV-klasse buitenste vacuümschakelaars (VCBs) onder gesimuleerde omgevingsomstandigheden conform IEC 62271-100. De besproken tests omvatten (a) de lage-temperatuurtest en (b) de hoge-temperatuurtest. Bovendien wordt er ingegaan op de bedieningstijd, het tijdverschil tussen polen en de oplaadtijd van het bedieningsmechanisme voor een 36 kV-klasse buitenste VCB.
Lage-temperatuurtest
Om inzicht te krijgen in de prestaties van buitenste VCBs onder lage-temperatuurcondities, werd de procedure zoals gespecificeerd in IEC-62271-100 als referentie aangenomen. Deze IEC-norm stelt dat voor schakelaars met één behuizing en een gemeenschappelijk bedieningsmechanisme, driedefase-tests moeten worden uitgevoerd. Voor schakelaars met meerdere behuizingen en onafhankelijke polen, is het toestaanbaar om één complete pool te testen. Wanneer er beperkingen zijn ten aanzien van de testfaciliteiten, mogen schakelaars met meerdere behuizingen worden getest met behulp van een of meer van de volgende alternatieven, mits de mechanische bedieningsomstandigheden in de testopstelling niet gunstiger zijn dan normale omstandigheden:
Tijdens de test is onderhoud, vervanging van onderdelen of herinstelling van de schakelaar niet toegestaan. Tenzij het ontwerp van de schakelaar een warmtebron vereist, moeten de vloeistof- of gasvoorzieningen voor de schakelaar op de testluchttemperatuur staan.
De volgende bedieningskenmerken van de schakelaar moeten worden getest:
Sluitingstijd
Openingstijd
Tijdverschil tussen polen
Tijdverspreiding tussen eenheden van één pool (bij multi-pool test)
Oplaadtijd van het bedieningsapparaat
Energieverbruik van het besturingsschakeling
Energieverbruik van uitschakelapparatuur en registratie van parallelle afzetters
Duur van sluit- en opencommandoimpulsen
Leakagetest indien van toepassing
Gasdruk indien van toepassing
Weerstand van het hoofdcircuit
Tijd-reisgrafiek
Deze kenmerken moeten worden vastgelegd bij:
Druk-veranderde parameters zijn niet van toepassing voor VCBs, omdat de contactmaker zich bevindt in vacuümbuizen en deze vacuüm-onderbreker-assemblage is geëncapsuleerd in lucht-geïsoleerde porseleinen behuizing voor buitenste toepassing.
De testvolgorde voor de lage-temperatuurtest is gedefinieerd in cl. 6.101.3.3 van IEC 62271-100. De initiële bedieningskenmerken [1.4] worden gekenmerkt na het blootstellen van de schakelaar aan 20 ± 5°C. Na de initiële inspectie met de schakelaar in gesloten stand, wordt de temperatuur verlaagd naar de minimum omgevingsluchttemperatuur conform de temperatuurcategorie. De schakelaar blijft 24 uur in gesloten stand met anti-condensatieverwarmers aan. Na 24 uur wordt de schakelaar geopend en gesloten bij nominaal waarden van voedingsspanning. De opening- en sluitingstijd worden vastgelegd om de lage-temperatuurbedieningskenmerken te bepalen. Vervolgens wordt de stroomtoevoer naar de anti-condensatieverwarmers gedurende een periode (t₁) zoals gespecificeerd door de fabrikant, met een minimum van twee uur, afgebroken. Tijdens deze periode zijn alarmen toegestaan, maar lock-outs zijn niet toegestaan. Na tijd t₁ wordt de schakelaar geopend en de openingstijd vastgelegd. Indien mogelijk, worden ook de mechanische reiskenmerken gemeten om de onderbrekingscapaciteit te beoordelen.
De schakelaar zal 24 uur in open stand blijven, waarna de schakelaar wordt gesloten en geopend. Dan worden 50 CO-operaties uitgevoerd, waarbij de eerste drie CO-operaties zonder enige vertraging worden uitgevoerd. De overige CO-operaties worden uitgevoerd als C - tₑ - O - tₑ. Tijd tₑ is de tijdsperiode tussen operaties. Een interval van 3 minuten wordt toegestaan voor elke cyclus of sequentie. Na het voltooien van 50 CO-operaties wordt de temperatuur van de klimaatkamer verhoogd met een snelheid van 10 K/uur. Tijdens de overgangsperiode worden C - tₑ - O - tₑ en O - tₑ - C - tₑ - O-operaties uitgevoerd, zodat de schakelaar 30 minuten in gesloten en open stand blijft tussen de operatie-sequenties. Na het stabiliseren van de schakelaar naar omgevingstemperatuur wordt een herhaalde meting van de bedieningskenmerken uitgevoerd bij 20 ± 5°C voor vergelijking met de initiële kenmerken bij 20 ± 5°C.
CPRI heeft al meer dan tien jaar lage- en hoge-temperatuurtests uitgevoerd op Medium Hoog Spanning (MHS) schakelapparatuur tot 36 kV. Figuur 1 toont een typische testopstelling voor een buitenste 36 kV vacuümschakelaar (VCB) geïnstalleerd in de testkamer voor hoge- en lage-temperatuurtests.
Experimentele resultaten voor een 36 kV-klasse buitenste VCB tijdens lage- en hoge-temperatuurtests worden gepresenteerd. De geteste VCBs waren uitgerust met veerbedieningsmechanismen.
De hoge-temperatuurtest werd uitgevoerd bij +55°C, en de lage-temperatuurtests werden uitgevoerd bij -10°C en -25°C. De volgende kenmerken werden onderzocht om de prestaties van de VCB te analyseren:
Sluit- en open-tijd (Bedieningstijd):Sluitingstijd wordt gedefinieerd als de tijdsduur tussen het energiëren van het sluitcircuits, met de schakelaar in open stand, en het moment waarop de contacten in alle polen aanraken.Openingstijd van een schakelaar wordt gedefinieerd als de tijdsduur tussen het moment van energiëren van de openrelease, met de schakelaar in gesloten stand, en het moment waarop de boogcontacten in alle polen scheiden.
Om volumetrische gegevens te verkrijgen, wordt de gemiddelde waarde van de bedieningstijden van alle drie de polen beschouwd voor vergelijkingsdoeleinden. Aangezien het tijdverschil tussen polen is vergeleken, wordt de maximale verandering tussen de maximale en minimale tijd van individuele polen automatisch weergegeven.
a) Tijdverspreiding tussen polen
b) Kenmerken van het oplaadapparaat, zoals oplaadtijd en stroomverbruik.
c) Verandering in bedieningskenmerken ten opzichte van de initiële bedieningskenmerken.
De prestaties van de schakelaars tijdens hoge- en lage-temperatuurtests zijn vergeleken met betrekking tot de hierboven genoemde kenmerken, en de resultaten worden besproken in de volgende secties.
Prestatieevaluatie bij hoge temperatuur
De resultaten van de hoge-temperatuurtest worden gepresenteerd in Tabel 1. De initiële kenmerken werden gemeten bij 20°C. IEC 62271-100 specificeert geen waarden voor bedieningstijd of sluitingstijd. De gemeten initiële openingstijden liggen rond 36 ms, en de sluitingstijd ligt rond 44 ms. Op vergelijkbare wijze varieert de oplaadtijd van het bedieningsapparaat van 9,6 sec tot 11,3 sec, en het oplaadstroom ligt in het bereik van 2,8 A tot 3,1 A.
Na 24 uur blootstelling aan 55°C met de schakelaar in gesloten stand, namen de openingstijd en sluitingstijd uniform toe met ongeveer 5%. Na een verdere 24-uurs blootstelling aan 55°C met de schakelaar in open stand, nam de sluitingstijd toe met ongeveer 2,5%, en de openingstijd met 4%.
Er was geen significante verandering in de tijdverspreiding tussen polen voor alle drie de testmonsters gedurende de hele test. Daaruit kan worden afgeleid dat het gedrag gelijk is in alle polen van de VCB.De oplaadtijd nam af van 11,3 sec tot 9,6 sec, maar de stroom veranderde van 2,9 A tot 3,4 A.
Bij het vergelijken van de opening- en sluitingstijden tussen de initiële en eindwaarden bij omgevingstemperaturen, werd een verandering van minder dan 1% in de bedieningstijd waargenomen, wat verwaarloosbaar is.
De initiële bedieningskenmerken werden gemeten bij 20°C. De gemeten initiële waarden van de openingstijd lagen rond 36 ms, en de sluitingstijd was 44 ms. Op vergelijkbare wijze was de oplaadtijd van het bedieningsapparaat 10,6 sec, en het oplaadapparaatstroom was 2,8 A.
Na 24 uur blootstelling aan -10°C met de schakelaar in gesloten stand, nam de openingstijd toe met ongeveer 0,7%, en de sluitingstijd met ongeveer 2%, zonder significante verandering.
Tijdens de twee uur zonder anti-condensatieverwarmers, nam de openingstijd af met 1,36%.Na een verdere 24 uur blootstelling aan -10°C met de schakelaar in open stand, nam de sluitingstijd toe met ongeveer 3%, en de openingstijd nam af met ongeveer 2%.
Tijdens de finale test bij omgevingstemperatuur, was de verandering minder dan 1%. Gedurende de hele lage-temperatuurtestperiode bij -10°C, was er geen significante verandering in de tijdverspreiding tussen polen.
De prestaties van de schakelaar bij verschillende temperaturen, beginnend bij +55°C, -10°C en -25°C, worden gepresenteerd in Tabel 1.
Significante veranderingen in de bedieningstijd werden waargenomen toen de schakelaar werkte bij een lage temperatuur van -25°C. De resultaten in Tabel 3 geven aan dat de schakelaar traagheid vertoonde tijdens het openen en sluiten bij -25°C. De percentage verandering in de bedieningstijd bij -25°C was opmerkelijk verschillend. Na 24 uur blootstelling, nam de openingstijd toe met 30%, en de sluitingstijd met ongeveer 25%. Op vergelijkbare wijze, nadat de anti-condensatieverwarmings-elementen twee uur uit stonden, nam de openingstijd toe met 46%. Nadere blootstelling voor 24 uur bij -25°C met de schakelaar in open stand en de anti-condensatieverwarmings-elementvoorziening hersteld, leidde tot een 44% toename in de openingstijd en een 21% toename in de sluitingstijd. De tijdingsgrafieken voor sluitingstijd en openingstijd die tijdens de test werden vastgelegd, tonen deze veranderingen duidelijk.
De test bij een omgevingstemperatuur van 20°C is weergegeven in Figuur 2. De tijdingsgrafieken van de sluitingstijd die na 50 uur blootstelling bij -25°C werden vastgelegd, worden weergegeven in Figuur 3. Bij vergelijking is de traagheid van de schakelaar bij -25°C duidelijk zichtbaar.
Bij vergelijking met de prestaties bij -10°C, waar de verandering in de bedieningstijd slechts ongeveer 0,5% tot 3% was, zijn de kenmerken van de schakelaar bij -25°C significant verslechterd. Bij -25°C bereikten de bedieningstijdveranderingen tijdens verschillende fasen van de test ongeveer 45%.
Dit artikel presenteert de experimentele resultaten van het vergelijken van de prestaties van 36 kV-klasse buitenste vacuümschakelaars (VCBs) tijdens lage- en hoge-temperatuurtests conform IEC 62271-100.
De belangrijkste bevindingen van dit artikel zijn als volgt:
Tijdens de hoge-temperatuurtest bij 55°C, presteerden de buitenste VCBs naar behoren. De waargenomen veranderingen in de bedieningstijd en de tijdverspreiding tussen polen waren onbetekenend.
Tijdens de lage-temperatuurtest bij -10°C, waren de veranderingen in de bedieningstijd en de tijdverspreiding tussen polen onbetekenend.
Significante veranderingen in de bedieningstijd werden waargenomen toen de schakelaar werkte bij een lage temperatuur van -25°C. De waargenomen veranderingen in de openingstijd lagen in het bereik van 20% tot 46%, en de veranderingen in de sluitingstijd lagen in het bereik van 25% tot 43%.
De uitgevoerde tests geven aan dat zelfs als een buitenste VCB normaal kan functioneren bij -10°C, er geen garantie is dat hij hetzelfde zal presteren in koudere omstandigheden zoals -25°C. Het is daarom essentieel om de prestaties ervan te controleren bij de vereiste lage temperatuur.
