Ponašanje zunanje vakuumne preklopnike v simuliranih okoljih
Nadgradni vakuumski prekložniki so predvsem uporabljani v srednje visokonapetostnem (MV) segmentu. Predstavljajo ključno komponento v distribucijskem sektorju, še posebej znotraj omrežij na 11 kV in 33 kV. V njihovi izdelavi se uporablja več vrst kompozitnih materialov. Med njimi je vakuumski prekinjalnik najpomembnejša komponenta. Za nadgradne prekložnike je vakuumski prekinjalnik običajno obkrožen s porcelansko kupečo.
Ti prekložniki so povezani z delovalnim mehanizmom preko vlaknenega stekla - ojačanega polimernega leva, ki je na vrsti povezan s skupnim metalnim - jeklenim delovalnim levom. Delovalni mehanizem nadgradnih vakuumskih prekložnikov običajno uporablja vzmetni tip dizajna, ki je zaključen v plešano ohišje. Zaradi uporabe različnih materialov je ključnega pomena oceniti združljivost teh materialov, kot tudi dizajn in izvedbo, pod različnimi okoljskimi pogoji, v katerih so namenjeni delovati. Ta ocena zagotavlja brezpotešno delovanje in s tem stabilnost električnega omrežja, ki je del tega prekložnika.
Okoljski preskusi za prekložnike, še posebej preskusi pri nizkih in visokih temperaturah, so zajeti v členu 6.101.3 standarda IEC 62271-100[1]. Za hladne podnebne razmere je preferirana temperaturna območja za minimalne in maksimalne vrednosti -50°C do +40°C, medtem ko za zelo vroče podnebje je to -5°C do +50°C. Do višine 1000 metrov so preferirane minimalne okoljske temperature za preskus pri nizkih temperaturah -10°C, -25°C, -30°C in -40°C. V nadgradnih aplikacijah mora dizajn vakuumskih prekložnikov upoštevati hitre spremembe temperature. V Indiji mnoge lokacije v regijah, kot so Kašmir, Himachal Pradesh, Uttarakhand in Sikkim, doživljajo take temperaturne spremembe.
Temperature lahko padajo do -25°C. Na takih lokacijah so težave, povezane z hladnimi razmerami, poslabšane pogostim pojavom fenomenov, kot so vetriški hlad in snegova metelica. V letu, v mnogih delih Indije, lahko temperature narastejo do 50°C. Proizvajalcem, ki uvozijo prekložnike v države, ki doživljajo zelo nizke ali visoke temperature, je treba določiti delovanje svojih izdelkov v teh ekstremnih klimatskih pogoji.
Ta članek obravnava delovanje 36 kV-razrednih nadgradnih vakuumskih prekložnikov (VCB) v simuliranih okoljskih pogoji v skladu s standardom IEC 62271-100. Tukaj obravnavani preskusi vključujejo (a) preskus pri nizkih temperaturah in (b) preskus pri visokih temperaturah. Poleg tega članek raziskuje delovno čas, časovno razliko med fazami in nalaganje delovalnega mehanizma za 36 kV-razredni nadgradni VCB.
Preskus pri nizkih temperaturah
Za boljše razumevanje delovanja nadgradnih VCB-jev pri nizkih temperaturah je bil za referenco sprejet postopek, opisan v standardu IEC-62271-100. Ta standard IEC določa, da za prekložnike z enojnim ohišjem in skupnim delovalnim mehanizmom morajo biti izvedeni tri-fazni preskusi. Za prekložnike z več ohišji in neodvisnimi fazami je dovoljeno testiranje ene celotne faze. V primerih, ko obstajajo omejitve preskusnega opremarja, lahko prekložniki z več ohišji preskušajo z eno ali več naslednjih alternativ, pod pogoji, da mehanični delovni pogoji prekložnika v preskusni postavitvi niso boljši od običajnih pogojev:
Med preskusom je prepovedana vzdrževanje, zamenjava delov ali ponastavitev prekložnika. Razen, če dizajn prekložnika zahteva vir toplote, morajo tekočine ali plini za prekložnik biti na temperaturi zraka v preskusni kamori.
Slednjih delovnih lastnosti prekložnika je treba preskusiti:
Čas zapiranja
Čas odpiranja
Časovna razlika med fazami
Časovna razlika med enotami ene faze (če je testiran multi-polni)
Čas ponovnega nalaganja delovalnega naprava
Poraba nadzorne verige
Poraba odpiralnih naprav in zapis shunt releasov
Trajanje impulsov zapiranja in odpiranja
Test hermeticnosti, če je primerno
Tlak plina, če je primerno
Upornost glavne verige
Čas-trajanje grafikon
Te lastnosti morajo biti zabeležene pri:
Parametri, ki so odvisni od tlaka, niso uporabni za VCB-je, ker so kontakti skodeljeni v vakuumski flakoni in ta vakuumski prekinjalnik je obkrožen z zračno izoliranim porcelanskim ohišjem za nadgradno uporabo.
Postopek preskusa pri nizkih temperaturah je določen v členu 6.101.3.3 standarda IEC 62271-100. Začetne delovne lastnosti [1.4] so opisane po izpostavljanju prekložnika na 20 ± 5°C. Po začetnem pregledu z zaprtim prekložnikom bo temperatura zmanjšana na minimalno okoljsko zrakovo temperaturo glede na temperaturno kategorijo. Prekložnik bo 24 ur ostal v zaprti legi z vklopljenimi grelniki proti kondenzaciji. Po 24 urah bo prekložnik odprt in zaprt pri imenovanih vrednostih napajalne napetosti. Čas odpiranja in zapiranja je zabeležen za določitev delovnih lastnosti pri nizkih temperaturah. Nato bo oskrba grelnikov proti kondenzaciji prekinjena za čas (t₁), kot je določil proizvajalec, vendar vsaj za dve uri. Med tem obdobjem so dopustni alarmi, a ne blokade. Po času t₁ bo prekložnik odprt in zabeležen čas odpiranja. Če je mogoče, bodo merjene tudi mehanske poti, da bi omogočili oceno prekinjalne zmogljivosti.
Prekložnik bo 24 ur ostal v odprti legi, nato pa bo zaprt in odprt. Nato se izvede 50 CO operacij, prve tri CO operacije brez kakršnekoli zamude. Ostale CO operacije so izvedene kot C - tₑ - O - tₑ. Čas tₑ je časovno obdobje med operacijami. Vsaka cikel ali zaporedje bo trajalo 3 minute. Po dokončanju 50 CO operacij bo temperatura v klimatski preskusni kamori povišana z stopnjo 10 K/ura. Med prehodnim obdobjem se izvajajo operacije C - tₑ - O - tₑ in O - tₑ - C - tₑ - O, tako da prekložnik ostane 30 minut v zaprti in odprti legi med operacijskimi zaporedji. Ko se prekložnik stabilizira na okoljsko temperaturo, se ponovno izmerijo delovne lastnosti pri 20 ± 5°C za primerjavo z začetnimi lastnostmi pri 20 ± 5°C.
CPRI je že več kot deset let izvajal preskuse pri nizkih in visokih temperaturah na srednje visokonapetostni (MV) switchgear do 36 kV. Slika 1 prikazuje tipično preskusno postavitev za 36 kV nadgradni vakuumski prekložnik (VCB), nameščen v preskusni kamori za preskuse pri visokih in nizkih temperaturah.
Predstavljeni so eksperimentalni rezultati za 36 kV-razredni nadgradni VCB med preskusi pri nizkih in visokih temperaturah. Preskušeni VCB-ji so bili opremljeni z vzmetnimi delovalnimi mehanizmi.
Preskus pri visoki temperaturi je bil izveden pri +55°C, preskusi pri nizkih temperaturah pa pri -10°C in -25°C. Za analizo delovanja VCB-ja so bile preučevane naslednje lastnosti:
Čas zapiranja in odpiranja (Delovni čas):Čas zapiranja je definiran kot interval časa med energiziranjem zapiralne verige, ko je prekložnik v odprtem položaju, in trenutek, ko se kontakti dotikajo v vseh fazah. Čas odpiranja prekložnika je definiran kot interval časa med trenutkom energiziranja odpiralnega izpustnika, ko je prekložnik v zaprti legi, in trenutkom, ko se arčni kontakti ločijo v vseh fazah.
Za pridobivanje volumetskih podatkov se za primerjavo upošteva povprečna vrednost delovnih časov vseh treh faz. Ker je bila primerjana razlika v času med fazami, je avtomatsko predstavljena največja sprememba med največjim in najmanjšim časom posameznih faz.
a) Razlika v času med fazami
b) Lastnosti ponovnega nalaganja naprava, kot sta čas ponovnega nalaganja in poraba struje.
c) Sprememba delovnih lastnosti glede na začetne delovne lastnosti.
Delovanje prekložnikov med preskusi pri visokih in nizkih temperaturah je primerjano glede na omenjene lastnosti, rezultati pa so obravnavani v naslednjih odsekih.
Ocena delovanja pri visoki temperaturi
Rezultati preskusa pri visoki temperaturi so predstavljeni v Tabeli 1. Začetne lastnosti so bile meritve pri 20°C. Standard IEC 62271-100 ne določa nobene vrednosti za delovni čas ali čas zapiranja. Merjeni začetni čas odpiranja je približno 36 ms, čas zapiranja pa okoli 44 ms. Podobno, čas ponovnega nalaganja delovalnega naprava sega od 9,6 sekund do 11,3 sekund, poraba struje pa je v obsegu od 2,8 A do 3,1 A.
Po 24 urah izpostavljenosti pri 55°C z zaprtim prekložnikom se je čas odpiranja in zapiranja ravnomerno povečal za približno 5%. Po dodatnih 24 urah izpostavljenosti pri 55°C z odprtim prekložnikom se je čas zapiranja povečal za približno 2,5%, čas odpiranja pa za 4%.
Med celotnim preskusom ni bilo značilnih sprememb v razliki v času med fazami za vse tri preskusne vzorce. Zato lahko sklepamo, da se vedenje podobno odvija v vseh fazah VCB-ja. Čas ponovnega nalaganja se je zmanjšal s 11,3 sekund na 9,6 sekund, toda poraba struje se je spremenila s 2,9 A na 3,4 A.
Pri primerjavi časov odpiranja in zapiranja med začetnimi in končnimi vrednostmi pri okoljskih temperaturah je bila opazovana sprememba manj kot 1% v delovnem času, kar je zanemarljivo.
Začetne delovne lastnosti so bile meritve pri 20°C. Merjene začetne vrednosti časa odpiranja so bile približno 36 ms, čas zapiranja pa 44 ms. Podobno, čas ponovnega nalaganja delovalnega naprava je bil 10,6 sekund, poraba struje delovalnega naprava pa 2,8 A.
Po 24 urah izpostavljenosti pri -10°C z zaprtim prekložnikom se je čas odpiranja zmanjšal za približno 0,7%, čas zapiranja pa se povečal za približno 2%, brez značilnih sprememb.
Med dvourenske obdobje brez grelnikov proti kondenzaciji se je čas odpiranja zmanjšal za 1,36%. Po dodatnih 24 urah izpostavljenosti pri -10°C z odprtим prekložником се је време затварања повећало за око 3%, а време отварања се смањило за око 2%.
Tijekom finalnog testa pri okolišnoj temperaturi promjena je bila manja od 1%. Tokom cijelog rada testiranja pri niskoj temperaturi od -10°C, nije bilo značajnih promjena u razlici u vremenu između faza.
Usporedba performansi prekidnika pri različitim temperaturama, počevši od +55°C, -10°C i -25°C, prikazana je u Tablici 1.
Značajne promjene u radnom vremenu su uočene kada je prekidnik radio pri niskoj temperaturi od -25°C. Rezultati u Tablici 3 pokazuju da je prekidnik pokazao osporavanje pri otvaranju i zatvaranju na -25°C. Postotak promjene u radnom vremenu na -25°C bio je značajno drugačiji. Nakon 24 sata izlaganja, vrijeme otvaranja se povećalo za 30%, a vrijeme zatvaranja za približno 25%. Slično, nakon isključivanja zagrijivača za kondenzaciju tokom dva sata, vrijeme otvaranja se povećalo za 46%. Daljnje izlaganje tokom 24 sata na -25°C s prekidnikom u otvorenom položaju i obnovljenim snabdijevanjem zagrijivača za kondenzaciju dovelo je do 44% povećanja vremena otvaranja i 21% povećanja vremena zatvaranja. Grafikoni vremena zatvaranja i otvaranja zabeleženi tijekom testiranja jasno pokazuju te promjene.
Test pri okolišnoj temperaturi od 20°C prikazan je na Slici 2. Grafikoni vremena zatvaranja zabeleženi nakon 50 sati izlaganja na -25°C su dati na Slici 3. U usporedbi, osporavanje prekidnika na -25°C jasno je vidljivo.
U usporedbi s njegovom performansom na -10°C, gdje je promjena u radnom vremenu bila samo oko 0,5% do 3%, karakteristike prekidnika na -25°C su znatno se pogoršale. Na -25°C, promjene u radnom vremenu tijekom različitih faza testiranja dosegle su oko 45%.
Ovaj rad predstavlja eksperimentalne rezultate usporedbi performansi 36 kV-razrednih nadgradnih vakuumskih prekidnika (VCB) tijekom testiranja pri niskim i visokim temperaturama u skladu s IEC 62271-100.
Ključni zaključci ovog rada su sljedeći:
Tijekom testiranja pri visokoj temperaturi od 55°C, nadgradni VCB-ovi su zadovoljavajuće funkcionirali. Promjene u radnom vremenu i razlici u vremenu između faza bile su zanemarive.
Tijekom testiranja pri niskoj temperaturi od -10°C, promjene u radnom vremenu i razlici u vremenu između faza bile su zanemarive.
Značajne promjene u radnom vremenu su uočene kada je prekidnik radio pri niskoj temperaturi od -25°C. 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 koji su provedeni pokazuju da čak i ako nadgradni VCB može normalno raditi na -10°C, to ne garantira da će isto raditi u hladnijim uvjetima poput -25°C. Stoga je nužno provjeriti njegovu performansu na zahtijevanoj niskoj temperaturi.
