Поведение наружных вакуумных выключателей при моделированных условиях
Наружные вакуумные выключатели преимущественно используются в сегменте среднего и высокого напряжения (MHV). Они играют ключевую роль в распределительном секторе, особенно в сетях 11 кВ и 33 кВ. В конструкции этих выключателей применяется множество композитных материалов. Среди них наиболее важным компонентом является вакуумный прерыватель. Для наружных выключателей вакуумный прерыватель обычно помещается в фарфоровый корпус.
Эти выключатели соединены с механизмом управления посредством стержней управления, отлитых из стекловолокна, армированного смолой, которые, в свою очередь, связаны с общим металлическим стальным стержнем управления. Механизм управления наружных вакуумных выключателей обычно имеет пружинный тип и размещен в корпусе из листовой стали. Учитывая использование различных материалов, необходимо оценивать их совместимость, а также дизайн и качество изготовления при различных условиях окружающей среды, в которых предполагается эксплуатация выключателей. Такая оценка обеспечивает бесперебойную работу и, следовательно, стабильность электрической сети, частью которой они являются.
Испытания выключателей на низкую и высокую температуру охватываются пунктом 6.101.3 стандарта IEC 62271-100[1]. Для холодных климатических условий предпочтительный диапазон минимальных и максимальных значений составляет от -50°C до +40°C, а для очень жарких климатических условий — от -5°C до +50°C. На высотах до 1000 метров предпочтительные минимальные значения температуры окружающего воздуха для испытаний на низкую температуру составляют -10°C, -25°C, -30°C и -40°C. В наружных применениях дизайн вакуумных выключателей должен учитывать быстрые изменения температуры. В Индии, во многих местах таких регионов, как Кашмир, Химачал-Прадеш, Уттаракханд и Сикким, наблюдаются такие колебания температур.
Температуры могут опускаться до -25°C. В таких местах проблемы, связанные с холодными условиями, усугубляются частыми явлениями, такими как ветреный холод и снежные бури. Летом, во многих частях Индии, температуры могут достигать 50°C. Производители, экспортирующие выключатели в страны, где наблюдается крайне низкая или высокая температура, должны определить производительность своих продуктов в этих экстремальных климатических условиях.
В данной статье рассматривается производительность наружных вакуумных выключателей (VCB) класса 36 кВ в условиях, имитирующих окружающую среду, в соответствии со стандартом IEC 62271-100. Обсуждаемые здесь испытания включают (a) испытание на низкую температуру и (b) испытание на высокую температуру. Кроме того, в статье исследуется время работы, разница во времени между полюсами и время зарядки механизма управления для наружного VCB класса 36 кВ.
Испытание на низкую температуру
Для понимания производительности наружных VCB в условиях низкой температуры была использована процедура, указанная в стандарте IEC-62271-100, в качестве справочного документа. Этот стандарт IEC требует, чтобы для однокорпусных выключателей с общим механизмом управления проводились трехфазные испытания. Для многокорпусных выключателей с независимыми полюсами допускается тестирование одного полного полюса. В случае, если возможности испытательной установки ограничены, многокорпусные выключатели могут быть протестированы одним или несколькими из следующих альтернативных методов, при условии, что механические условия работы выключателя в испытательной установке не более благоприятны, чем обычные:
Во время испытаний запрещается проводить техническое обслуживание, замену деталей или перенастройку выключателя. Если конструкция выключателя требует источника тепла, жидкостные или газовые системы для выключателя должны находиться при температуре окружающего воздуха.
Следующие рабочие характеристики выключателя должны быть проверены:
Время включения
Время отключения
Разница во времени между полюсами
Разброс времени между единицами одного полюса (если тестируется несколько полюсов)
Время перезарядки устройства управления
Потребление цепи управления
Потребление устройств отключения и запись шунтовых реле
Продолжительность импульсов команд включения и отключения
Испытание на герметичность, если применимо
Давление газа, если применимо
Сопротивление основной цепи
График времени-хода
Эти характеристики должны быть зафиксированы при:
Параметры, изменяющиеся под воздействием давления, не применимы для VCB, поскольку контактор находится в вакуумных бутылках, и эта сборка вакуумного прерывателя заключена в воздушно-изолированный фарфоровый корпус для наружного применения.
Последовательность испытаний на низкую температуру определена в п. 6.101.3.3 стандарта IEC 62271-100. Первоначальные рабочие характеристики [1.4] характеризуются после выдерживания выключателя при 20 ± 5°C. После первоначального осмотра с выключателем в закрытом положении температура снижается до минимальной температуры окружающего воздуха согласно температурной категории. Выключатель остается в закрытом положении в течение 24 часов с включенными нагревателями против конденсации. После 24 часов выключатель открывается и закрывается при номинальных значениях напряжения питания. Записываются времена открытия и закрытия, чтобы установить рабочие характеристики при низкой температуре. Затем питание нагревателей против конденсации отключается на период времени (t₁), указанный производителем, но не менее двух часов. В этот интервал допускаются тревожные сигналы, но блокировки недопустимы. После времени t₁ выключатель открывается, и записывается время открытия. Если возможно, измеряются также механические характеристики перемещения, чтобы оценить прерывную способность.
Выключатель будет находиться в открытом положении в течение 24 часов, после чего он будет закрыт и открыт. Затем выполняются 50 операций CO, первые три операции CO выполняются без задержки. Оставшиеся операции CO выполняются как C - tₑ - O - tₑ. Время tₑ — это период времени между операциями. Интервал 3 минуты предоставляется для каждого цикла или последовательности. После выполнения 50 операций CO температура в камере климатических испытаний повышается со скоростью 10 K/час. В переходный период выполняются операции C - tₑ - O - tₑ и O - tₑ - C - tₑ - O таким образом, чтобы выключатель находился в закрытом и открытом положении в течение 30 минут между операционными последовательностями. После стабилизации выключателя до комнатной температуры повторно измеряются рабочие характеристики при 20 ± 5°C для сравнения с начальными характеристиками при 20 ± 5°C.
CPRI проводит испытания на низкую и высокую температуру на оборудовании среднего и высокого напряжения (MHV) до 36 кВ уже более десяти лет. На рисунке 1 показана типичная схема испытаний наружного вакуумного выключателя (VCB) класса 36 кВ, установленного в испытательной камере для проведения испытаний на высокую и низкую температуру.
Приведены экспериментальные результаты для наружного VCB класса 36 кВ при испытаниях на низкую и высокую температуру. Тестируемые VCB были оснащены пружинными механизмами управления.
Испытания на высокую температуру проводились при +55°C, а испытания на низкую температуру — при -10°C и -25°C. Были исследованы следующие характеристики для анализа производительности VCB: Время включения и отключения (рабочее время): Время включения определяется как интервал времени между подачей напряжения на цепь включения, когда выключатель находится в открытом положении, и моментом, когда контакты соприкасаются во всех полюсах. Время отключения выключателя определяется как интервал времени между моментом подачи напряжения на цепь отключения, когда выключатель находится в закрытом положении, и моментом, когда дуговые контакты разъединяются во всех полюсах.
Для получения объемных данных используется среднее значение рабочего времени всех трех полюсов для целей сравнения. Поскольку сравнивался разброс времени между полюсами, автоматически представляется максимальное изменение между максимальным и минимальным временем отдельных полюсов.
а) Разброс времени между полюсами
б) Характеристики устройства перезарядки, такие как время перезарядки и потребляемый ток.
в) Изменение рабочих характеристик в сравнении с начальными рабочими характеристиками.
Производительность выключателей при испытаниях на высокую и низкую температуру сравнивалась с учетом вышеупомянутых характеристик, и результаты обсуждаются в последующих разделах.
Оценка производительности при высокой температуре
Результаты испытаний на высокую температуру представлены в таблице 1. Начальные характеристики были измерены при 20°C. Стандарт IEC 62271-100 не устанавливает никаких значений для рабочего времени или времени включения. Измеренные начальные времена отключения составляли около 36 мс, а время включения — около 44 мс. Аналогично, время перезарядки устройства управления находилось в диапазоне от 9,6 сек до 11,3 сек, а ток перезарядки — в диапазоне от 2,8 А до 3,1 А.
После 24 часов воздействия 55°C с выключателем в закрытом положении время отключения и включения равномерно увеличилось примерно на 5%. После дальнейшего 24-часового воздействия 55°C с выключателем в открытом положении время включения увеличилось примерно на 2,5%, а время отключения — на 4%.
Не было значительных изменений в разнице времени между полюсами для всех трех образцов в течение всего испытания. Таким образом, можно сделать вывод, что поведение одинаково во всех полюсах VCB. Время перезарядки уменьшилось с 11,3 сек до 9,6 сек, но ток изменился с 2,9 А до 3,4 А.
При сравнении времени включения и отключения между начальными и конечными значениями при комнатной температуре было отмечено изменение рабочего времени менее 1%, что незначительно.
Начальные рабочие характеристики были измерены при 20°C. Измеренные начальные значения времени отключения составляли около 36 мс, а время включения — 44 мс. Аналогично, время перезарядки устройства управления составило 10,6 сек, а ток перезарядки — 2,8 А.
После 24 часов воздействия -10°C с выключателем в закрытом положении время отключения уменьшилось примерно на 0,7%, а время включения увеличилось примерно на 2%, без значительных изменений.
За двухчасовой период без нагревателей против конденсации время отключения уменьшилось на 1,36%. После дальнейших 24 часов воздействия -10°C с выключателем в открытом положении время включения увеличилось примерно на 3%, а время отключения уменьшилось примерно на 2%.
В ходе финального испытания при комнатной температуре изменение составило менее 1%. В течение всего периода испытаний при низкой температуре -10°C не было значительных изменений в разнице времени между полюсами.
Производительность выключателя при различных температурах, начиная с +55°C, -10°C и -25°C, представлена в таблице 1.
Были отмечены значительные изменения в рабочем времени, когда выключатель работал при низкой температуре -25°C. Результаты в таблице 3 показывают, что выключатель проявил медлительность при открытии и закрытии при -25°C. Процентное изменение рабочего времени при -25°C было значительно различным. После 24 часов воздействия время отключения увеличилось на 30%, а время включения — примерно на 25%. Аналогично, после отключения нагревателей против конденсации на два часа время отключения увеличилось на 46%. Дальнейшее воздействие в течение 24 часов при -25°C с выключателем в открытом положении и восстановленным питанием нагревателей против конденсации привело к увеличению времени отключения на 44% и времени включения на 21%. Графики времени включения и отключения, записанные в ходе испытаний, четко показывают эти изменения.
Испытание при комнатной температуре 20°C показано на рисунке 2. Графики времени включения, записанные после 50 часов воздействия при -25°C, приведены на рисунке 3. При сравнении медлительность выключателя при -25°C становится очевидной.
При сравнении с его производительностью при -10°C, где изменение рабочего времени составило только около 0,5% до 3%, характеристики выключателя при -25°C значительно ухудшились. При -25°C изменения в рабочем времени в различных этапах испытаний достигали примерно 45%.
В данной статье представлены экспериментальные результаты сравнения производительности наружных вакуумных выключателей (VCB) класса 36 кВ при испытаниях на низкую и высокую температуру в соответствии со стандартом IEC 62271-100.
Основные выводы данной статьи следующие:
При испытании на высокую температуру 55°C наружные VCB показали удовлетворительную производительность. Отмеченные изменения в рабочем времени и разнице времени между полюсами были незначительными.
При испытании на низкую температуру -10°C изменения в рабочем времени и разнице времени между полюсами были незначительными.
Значительные изменения в рабочем времени были отмечены при работе выключателя при низкой температуре -25°C. Отмеченные изменения во времени отключения составили от 20% до 46%, а изменения во времени включения — в диапазоне от 25% до 43%.
Проведенные испытания показывают, что даже если наружный VCB может нормально работать при -10°C, нет гарантии, что он будет работать так же в более холодных условиях, таких как -25°C. Поэтому важно проверять его производительность при требуемой низкой температуре.
