Zachowanie zewnętrznych wakuum przekaźników wyłączających w symulowanych środowiskach
Wyłączniki próżniowe na zewnątrz są przede wszystkim wykorzystywane w segmencie średniego i wysokiego napięcia (MHV). Stanowią kluczowy element w sektorze dystrybucji, szczególnie w sieciach 11 kV i 33 kV. W ich konstrukcji wykorzystuje się wiele materiałów kompozytowych. Spośród nich, przerzutnik próżniowy jest najważniejszym elementem. W przypadku wyłączników zewnętrznych, przerzutnik próżniowy jest zazwyczaj umieszczony w obudowie porcelanowej.
Te wyłączniki są podłączone do mechanizmu sterującego za pomocą wałków napędowych wykonanych z żywicy wzmacnianej włóknem szklanym, które są połączone z wspólnym wałem napędowym wykonanym ze stali. Mechanizm działania wyłączeń próżniowych na zewnątrz zazwyczaj opiera się na konstrukcji sprężynowej, umieszczonej w obudowie ze stali blachowej. Z uwagi na użycie wielu materiałów, ważne jest ocenianie zgodności tych materiałów, jak również projektu i wykonania, w różnych warunkach środowiskowych, w których mają one działać. Ta ocena zapewnia bezproblemowe działanie i, w konsekwencji, stabilność sieci elektrycznej, której są częścią.
Testy środowiskowe dla wyłączników, szczególnie testy przy niskich i wysokich temperaturach, są objęte punktem 6.101.3 normy IEC 62271-100[1]. Dla klimatów chłodnych, preferowany zakres temperatur minimalnej i maksymalnej wynosi od -50°C do +40°C, a dla bardzo ciepłych klimatów, to od -5°C do +50°C. Na wysokościach do 1000 metrów, preferowane minimalne temperatury otoczenia dla testu przy niskiej temperaturze to -10°C, -25°C, -30°C i -40°C. W aplikacjach zewnętrznych, projekt wyłączników próżniowych musi uwzględniać szybkie zmiany temperatury. W Indiach, wiele lokalizacji w regionach takich jak Kaszmir, Himachal Pradesh, Uttarakhand i Sikkim napotyka takie wahania temperatury.
Temperatury mogą spadać do -25°C. W takich miejscach, problemy związane z zimnymi warunkami są nasilone przez częste występowanie zjawisk takich jak chłód wiatru i zamiecie śnieżne. W lecie, we wielu częściach Indii, temperatury mogą wzrastać do 50°C. Producentom eksportującym wyłączniki do krajów, gdzie występują ekstremalnie niskie lub wysokie temperatury, należy określić działanie swoich produktów w tych ekstremalnych warunkach klimatycznych.
W tym artykule analizowane jest działanie 36-kV wyłączników próżniowych na zewnątrz (VCB) w symulowanych warunkach środowiskowych zgodnie z IEC 62271-100. Omawiane testy obejmują (a) test przy niskiej temperaturze oraz (b) test przy wysokiej temperaturze. Ponadto artykuł bada czas działania, różnicę czasu między fazami oraz czas ładowania mechanizmu napędowego dla 36-kV VCB na zewnątrz.
Test przy niskiej temperaturze
Aby zrozumieć działanie VCB na zewnątrz w warunkach niskich temperatur, jako odniesienie przyjęto procedurę określoną w IEC-62271-100. Ta norma IEC stanowi, że dla wyłączników jednoobudowowych z wspólnym mechanizmem sterującym, powinny być przeprowadzane trójfazowe testy. Dla wyłączników wieloobudowych z niezależnymi fazami, dozwolone jest przetestowanie jednej pełnej fazy. W przypadku ograniczeń aparatury testowej, wyłączniki wieloobudowe mogą być testowane za pomocą jednego lub więcej z następujących alternatyw, pod warunkiem, że mechaniczne warunki działania wyłącznika w aparaturze testowej nie są korzystniejsze niż normalne warunki:
Podczas testu, żadna konserwacja, wymiana części lub ponowne regulowanie wyłącznika nie jest dozwolona. Chyba że projekt wyłącznika wymaga źródła ciepła, płyny lub gazy dostarczane do wyłącznika powinny być w temperaturze powietrza testowego.
Następujące cechy działania wyłącznika powinny być przetestowane:
Czas zamykania
Czas otwierania
Różnica czasu między fazami
Rozrzut czasu między jednostkami jednej fazy (jeśli testowana jest wielofazowość)
Czas ładowania urządzenia napędowego
Zużycie obwodu sterującego
Zużycie urządzeń odbijających i rejestrowanie zwolnień bocznych
Czas impulsów poleceń zamykania i otwierania
Test szczelności, jeśli dotyczy
Ciśnienie gazu, jeśli dotyczy
Opór głównego obwodu
Wykres czasowo-przemieszczeniowy
Te cechy powinny być zarejestrowane przy:
Parametry zależne od ciśnienia nie są stosowane do VCB, ponieważ kontaktor jest umieszczony w butelkach próżniowych, a ta montażowa jednostka przerzutnika próżniowego jest osadzona w powietrznej obudowie izolacyjnej z porcelany do zastosowań zewnętrznych.
Kolejność testów przy niskiej temperaturze jest zdefiniowana w punkcie 6.101.3.3 normy IEC 62271-100. Początkowe cechy działania [1.4] są charakterystyczne po narażeniu wyłącznika na temperaturę 20 ± 5°C. Po początkowym badaniu z wyłącznikiem w pozycji zamkniętej, temperatura zostanie obniżona do minimalnej temperatury otoczenia zgodnie z kategorią temperatury. Wyłącznik pozostaje w pozycji zamkniętej przez 24 godziny z włączonymi grzejnikami antykondensacyjnymi. Po 24 godzinach wyłącznik jest otwarty i zamknięty przy nominalnych wartościach napięcia zasilania. Czas otwierania i zamykania jest zarejestrowany, aby ustalić cechy działania przy niskiej temperaturze. Następnie zasilanie grzejników antykondensacyjnych jest wyłączone na okres (t₁), określony przez producenta, ale co najmniej na dwie godziny. W tym przedziale, alarmy są dopuszczalne, ale blokady nie są dopuszczalne. Po czasie t₁ wyłącznik jest otwarty i czas otwierania jest zarejestrowany. Jeśli to możliwe, mierzone są także charakterystyki mechanicznego ruchu, aby umożliwić ocenę zdolności przerywania.
Wyłącznik pozostanie w pozycji otwartej przez 24 godziny, po czym zostanie zamknięty i otwarty. Następnie wykonane zostaną 50 operacji CO, z pierwszymi trzema operacjami CO bez żadnej opóźnienia. Pozostałe operacje CO są wykonywane jako C - tₑ - O - tₑ. Czas tₑ to okres między operacjami. Trzyminutowy przedział będzie dozwolony dla każdego cyklu lub sekwencji. Po ukończeniu 50 operacji CO, temperatura komory testowej klimatycznej jest podnoszona z prędkością 10 K/godz. W trakcie tego przejścia, operacje C - tₑ - O - tₑ i O - tₑ - C - tₑ - O są wykonywane tak, aby wyłącznik pozostawał w pozycji zamkniętej i otwartej przez 30 minut między sekwencjami operacyjnymi. Po ustabilizowaniu się wyłącznika do temperatury otoczenia, powtarzana jest miara cech działania przy 20 ± 5°C w celu porównania z początkowymi cechami przy 20 ± 5°C.
CPRI przeprowadza testy przy niskich i wysokich temperaturach na sprzęcie średniego i wysokiego napięcia (MHV) do 36 kV już ponad dziesięć lat. Rysunek 1 pokazuje typową aranżację testową dla 36-kV VCB na zewnątrz, zainstalowanego w komorze testowej do testów przy wysokich i niskich temperaturach.
Przedstawione są wyniki eksperymentalne dla 36-kV VCB na zewnątrz podczas testów przy niskich i wysokich temperaturach. Testowane VCB były wyposażone w mechanizmy napędowe sprężynowe.
Test przy wysokiej temperaturze został przeprowadzony przy +55°C, a testy przy niskiej temperaturze przy -10°C i -25°C. Badano następujące cechy, aby ocenić działanie VCB:
Czas zamykania i otwierania (czas działania): Czas zamykania definiuje się jako interwał czasu między podłączeniem obwodu zamykającego, z wyłącznikiem w pozycji otwartej, a momentem, gdy kontakty stykają się we wszystkich fazach. Czas otwierania wyłącznika definiuje się jako interwał czasu między momentem podłączenia obwodu odbijającego, z wyłącznikiem w pozycji zamkniętej, a momentem, gdy kontakty rozłączają się we wszystkich fazach.
Aby uzyskać dane objętościowe, do celów porównawczych brana jest średnia wartość czasów działania wszystkich trzech faz. Skoro porównywany jest rozrzut czasu między fazami, automatycznie reprezentowana jest maksymalna zmiana między maksymalnym a minimalnym czasem poszczególnych faz.
a) Rozrzut czasu między fazami
b) Charakterystyka urządzenia ładowania, takie jak czas ładowania i zużycie prądu.
c) Zmiana cech działania w odniesieniu do początkowych cech działania.
Działanie wyłączników podczas testów przy wysokich i niskich temperaturach zostało porównane w odniesieniu do wspomnianych cech, a wyniki są omawiane w kolejnych sekcjach.
Ocena wydajności przy wysokiej temperaturze
Wyniki testu przy wysokiej temperaturze przedstawione są w Tabeli 1. Początkowe cechy zostały zmierzone przy 20°C. Norma IEC 62271-100 nie określa żadnej wartości dla czasu działania ani czasu zamykania. Zmierzone początkowe czasy otwierania wynoszą około 36 ms, a czas zamykania około 44 ms. Podobnie, czas ładowania urządzenia napędowego mieści się w zakresie od 9,6 s do 11,3 s, a prąd ładowania mieści się w zakresie od 2,8 A do 3,1 A.
Po 24 godzinach narażenia na 55°C z wyłącznikiem w pozycji zamkniętej, czas otwierania i zamykania jednolito wzrosły o około 5%. Po dalszych 24 godzinach narażenia na 55°C z wyłącznikiem w pozycji otwartej, czas zamykania wzrósł o około 2,5%, a czas otwierania o 4%.
Nie było znacznej zmiany rozrzutu czasu między fazami dla wszystkich trzech próbek testowych w trakcie całego testu. Stąd można wnioskować, że zachowanie jest podobne we wszystkich fazach VCB.Czas ładowania zmniejszył się z 11,3 s do 9,6 s, ale prąd zmienił się z 2,9 A do 3,4 A.
Porównując czasy otwierania i zamykania między początkowymi i końcowymi wartościami przy temperaturze otoczenia, obserwowano zmianę mniejszą niż 1% czasu działania, co jest zaniedbywalne.
Początkowe cechy działania zostały zmierzone przy 20°C. Zmierzone początkowe wartości czasu otwierania wynosiły około 36 ms, a czas zamykania 44 ms. Podobnie, czas ładowania urządzenia napędowego wynosił 10,6 s, a prąd urządzenia ładowania 2,8 A.
Po 24 godzinach narażenia na -10°C z wyłącznikiem w pozycji zamkniętej, czas otwierania zmniejszył się o około 0,7%, a czas zamykania zwiększył się o około 2%, bez znaczącej zmiany.
W ciągu dwóch godzin bez grzejników antykondensacyjnych, czas otwierania zmniejszył się o 1,36%.Po dalszych 24 godzinach narażenia na -10°C z wyłącznikiem w pozycji otwartej, czas zamykania zwiększył się o około 3%, a czas otwierania zmniejszył się o około 2%.
W końcowym teście przy temperaturze otoczenia, zmiana była mniejsza niż 1%. Przez cały okres testu przy niskiej temperaturze -10°C, nie było znacznej zmiany rozrzutu czasu między fazami.
W tabeli 1 przedstawiono działanie wyłącznika przy różnych temperaturach, począwszy od +55°C, -10°C i -25°C.
Zauważono istotne zmiany czasu działania, gdy wyłącznik pracował przy niskiej temperaturze -25°C. Wyniki w tabeli 3 wskazują, że wyłącznik wykazywał ospałość podczas otwierania i zamykania przy -25°C. Procentowa zmiana czasu działania przy -25°C była znacznie różna. Po 24 godzinach narażenia, czas otwierania zwiększył się o 30%, a czas zamykania o około 25%. Podobnie, po wyłączeniu grzejników antykondensacyjnych na dwa godziny, czas otwierania zwiększył się o 46%. Dalsze narażenie przez 24 godziny przy -25°C z wyłącznikiem w pozycji otwartej i przywróceniu zasilania grzejników antykondensacyjnych prowadziło do 44% zwiększenia czasu otwierania i 21% zwiększenia czasu zamykania. Wykresy czasowe zapisane podczas testu jasno pokazują te zmiany.
Test przy temperaturze otoczenia 20°C przedstawiony jest na Rysunku 2. Wykresy czasowe zapisane po 50 godzinach narażenia przy -25°C są przedstawione na Rysunku 3. Porównując, jasno widoczna jest ospałość wyłącznika przy -25°C.
W porównaniu z jego działaniem przy -10°C, gdzie zmiana czasu działania wyniosła tylko około 0,5% do 3%, cechy wyłącznika przy -25°C uległy znacznemu pogorszeniu. Przy -25°C, zmiany czasu działania podczas różnych etapów testu osiągnęły około 45%.
W tym artykule przedstawiono wyniki eksperymentów porównujących działanie 36-kV VCB na zewnątrz podczas testów przy niskich i wysokich temperaturach zgodnie z IEC 62271-100.
Główne wnioski tego artykułu są następujące:
Podczas testu przy wysokiej temperaturze 55°C, VCB na zewnątrz działały zadowalająco. Obserwowane zmiany czasu działania i rozrzutu czasu między fazami były niewielkie.
Podczas testu przy niskiej temperaturze -10°C, zmiany czasu działania i rozrzutu czasu między fazami były niewielkie.
Obserwowano istotne zmiany czasu działania, gdy wyłącznik pracował przy niskiej temperaturze -25°C. Obserwowane zmiany czasu otwierania wynosiły od 20% do 46%, a zmiany czasu zamykania mieściły się w zakresie od 25% do 43%.
Przeprowadzone testy wskazują, że nawet jeśli VCB na zewnątrz może działać normalnie przy -10°C, nie ma gwarancji, że będzie działało tak samo w jeszcze zimniejszych warunkach, takich jak -25°C. Dlatego niezbędne jest sprawdzenie jego działania przy wymaganej niskiej temperaturze.
