Açık Çevredeki Vakum Kesici Anahtarlının Simüle Edilmiş Ortamlardaki Davranışı
Açık hava vakum kesiciler çoğunlukla Orta Yüksek Gerilim (MHV) segmentinde kullanılır. Bu kesiciler, özellikle 11kV ve 33kV şebekelerinde dağıtım sektöründe kritik bir bileşen olarak hizmet verir. Bu kesicilerin yapımında çeşitli kompozit malzemeler kullanılır. Bunlar arasında, vakum kesici en önemli bileşendir. Açık hava kesicileri için, vakum kesici genellikle porselen bir kaplama içinde yer alır.
Bu kesiciler, cam elyafı takviyeli rezinden dökme işletim çubukları aracılığıyla işletim mekanizmasına bağlanır. Bu çubuklar da sırasıyla metal-çelikten yapılmış ortak bir gang operasyon çubuğuna bağlıdır. Açık hava vakum kesicilerinin işletim mekanizması genellikle bir levha çelik kabına yerleştirilmiş yay tipi bir tasarım benimser. Birden fazla malzemenin kullanılmasından dolayı, kesicilerin çalıştırılması öngörülen çeşitli çevresel koşullar altında bu malzemelerin uyumluluğu, tasarımlarının ve işçiliklerinin değerlendirilmesi önemlidir. Bu değerlendirme sorunsuz performansı ve sonuç olarak elektrik ağlarının istikrarını sağlar.
Kesiciler için çevre testleri, özellikle düşük sıcaklık ve yüksek sıcaklık testleri, IEC 62271-100[1]'de madde 6.101.3 kapsamında ele alınmaktadır. Soğuk iklimler için tercih edilen minimum ve maksimum sıcaklık aralığı -50°C ile +40°C arasındadır, çok sıcak iklimler için ise -5°C ile +50°C arasındadır. 1000 metre yükseklikte, düşük sıcaklık testi için tercih edilen minimum çevre sıcaklıkları -10°C, -25°C, -30°C ve -40°C'dır. Açık hava uygulamalarında, vakum kesicilerin tasarımı hızlı sıcaklık değişimlerini hesaba katmalıdır. Hindistan'da, Kaşmir, Himachal Pradeş, Uttarakhand ve Sikkim gibi bölgelerde birçok yerde bu sıcaklık değişimleri gözlemlenmektedir.
Sıcaklıklar -25°C'ye kadar düşebilir. Bu yerlerde, soğuk koşullara ilişkin sorunlar, rüzgar soğurması ve kar fırtınası gibi olayların sık görülmesiyle artar. Yaz aylarında Hindistan'ın birçok bölgesinde sıcaklıklar 50°C'ye kadar çıkabilmektedir. Çok düşük veya çok yüksek sıcaklıklara sahip ülkelere kesiciler ihraç eden üreticiler, ürünlerinin bu aşırı iklim koşullarındaki performansını belirlemelidir.
Bu makale, IEC 62271-100 uyarınca simüle edilmiş çevre koşullarında 36 kV sınıfı açık hava vakum kesicilerinin (VCB) performansına girer. Burada tartışılan testler şunları içerir: (a) düşük sıcaklık testi ve (b) yüksek sıcaklık testi. Ayrıca, makale 36 kV sınıfı açık hava VCB'nin işletim süresini, pol arasındaki zaman farkını ve işletim mekanizmasının şarj süresini de inceler.
Düşük Sıcaklık Testi
Açık hava VCB'lerin düşük sıcaklık koşullarındaki performansını anlamak için IEC-62271-100'de belirtilen prosedür referans olarak benimsendi. Bu IEC standardı, ortak bir işletim mekanizmasına sahip tek kabiliyetli kesiciler için üç fazlı testlerin yapılması gerektiğini belirtir. Bağımsız polere sahip çok kabiliyetli kesiciler için, tam bir polün test edilmesine izin verilir. Test tesis sınırlamaları varsa, çok kabiliyetli kesiciler aşağıdaki alternatiflerden bir veya daha fazlasını kullanarak test edilebilir, ancak kesicinin test kurulumundaki mekanik işletim koşulları normal koşullardan daha olumlu olmamalıdır:
Test sırasında, kesicinin bakım, parça değiştirme veya yeniden ayarlama işlemleri yasaktır. Kesicinin tasarımı bir ısı kaynağı gerektirmiyorsa, kesicinin sıvı veya gaz tedarikleri test hava sıcaklığında olmalıdır.
Kesicinin aşağıdaki işletim özellikleri test edilmelidir:
Kapatma süresi
Açma süresi
Pol arasındaki zaman farkı
Tek pol test edildiyse, bir polün birimleri arasındaki zaman yayılımı
İşletim cihazının şarj süresi
Kontrol devresinin tüketimi
Tetikleyici cihazların ve yan paralel serbest bırakıcıların kaydı
Kapatma ve açma komut darbelerinin süresi
Uygulanabilir olduğunda sıkışıklık testi
Uygulanabilir olduğunda gaz basıncı
Ana devrenin direnci
Zaman-yol grafiği
Bu özellikler şu durumlarda kaydedilmelidir:
Basınç-değişen parametreler, VCB'ler için geçerli değildir çünkü kontaktör vakum şişelerinde konumlandırılmıştır ve bu vakum kesici montajı açık hava uygulaması için hava yalıtımlı porselen bir kaplama içinde kapsüllendirilmiştir.
IEC 62271-100'un 6.101.3.3 maddesinde düşük sıcaklık testi için test sırası tanımlanmıştır. Başlangıç işletim özellikleri [1.4], kesicinin 20 ± 5°C'de maruz kalmasından sonra karakterize edilir. İlk incelemesi kapalı pozisyondaki kesici ile gerçekleştirilir ve sıcaklık sıcaklık kategorisine göre minimum çevre hava sıcaklığına düşürülecektir. Kesici, anti-nemli ısıtıcılar açıkken kapalı pozisyonda 24 saat boyunca tutulacaktır. 24 saat sonra, kesici nominal besleme gerilimi değerleriyle açılır ve kapanır. Açma ve kapatma süreleri, düşük sıcaklık işletim özelliklerini belirlemek için kaydedilir. Daha sonra, üreticinin belirttiği süre (t₁) boyunca, anti-nemli ısıtıcıya besleme kesilir. Bu süre, en az iki saat olmalıdır. Bu süre zarfında, uyarılar kabul edilebilir, ancak kilitlenmeler kabul edilemez. Süre t₁ sonunda, kesici açılır ve açma süresi kaydedilir. Mümkün olduğunda, mekanik yol özellikleri de ölçülerek kesme kapasitesinin değerlendirilmesi sağlanır.
Kesici, 24 saat boyunca açık pozisyonda kalacak ve ardından kapatılacak ve açılacaktır. Daha sonra, ilk üç CO işlemi herhangi bir gecikme olmadan gerçekleştirilen 50 CO işlemi gerçekleştirilir. Kalan CO işlemlerini C - tₑ - O - tₑ şeklinde gerçekleştirir. Zaman tₑ, işlemler arasındaki zaman dilimidir. Her döngü veya sıra için 3 dakikalık bir aralık tanınır. 50 CO işleminin tamamlanmasından sonra klimatik test odasının sıcaklığı 10 K/saat hızında yükseltilir. Geçiş döneminde, C - tₑ - O - tₑ ve O - tₑ - C - tₑ - O işlemlerini, kesicinin her işlem dizisi arasında 30 dakika süreyle kapalı ve açık pozisyonda kalacak şekilde gerçekleştirir. Kesicinin çevre sıcaklığına stabil hale gelmesinden sonra, başlangıç özelliklerinin 20 ± 5°C'deki başlangıç özelliklerine kıyaslaması için 20 ± 5°C'de tekrar bir işletim özellikleri ölçümü gerçekleştirilir.
CPRI, 36 kV'a kadar Orta Yüksek Gerilim (MHV) anahtar ekipmanlarında düşük ve yüksek sıcaklık testleri gerçekleştirmektedir. Şekil 1, düşük ve yüksek sıcaklık testi için test odasına monte edilmiş bir açık hava 36 kV vakum kesicinin (VCB) tipik bir test düzenini göstermektedir.
36 kV sınıfı açık hava VCB'nin düşük ve yüksek sıcaklık testleri sırasında elde edilen deneysel sonuçlar sunulmaktadır. Test edilen VCB'ler yay işletim mekanizmalarına sahiptir.
Yüksek sıcaklık testi +55°C'de, düşük sıcaklık testleri ise -10°C ve -25°C'de gerçekleştirilmiştir. Aşağıdaki özellikler, VCB'nin performansını analiz etmek için incelenmiştir:
Kapatma ve Açma Süresi (İşletim Süresi):Kapatma süresi, kesicinin açık pozisyonda olduğu sırada kapatma devresinin enerjiye bağlanmasından, tüm polerdaki kontakların temasına kadar geçen zaman aralığı olarak tanımlanır.Açma süresi, kesicinin kapalı pozisyonda olduğu sırada açma serbest bırakıcısının enerjiye bağlanmasından, tüm polerdaki ark oluşma kontaklarının ayrılmasına kadar geçen zaman aralığı olarak tanımlanır.
Hacimsel veri elde etmek için, tüm üç polün işletim sürelerinin ortalama değeri karşılaştırma amacıyla düşünülmüştür. Pol arasındaki zaman yayılımı karşılaştırıldığından, bireysel poler arasındaki maksimum ve minimum zaman arasındaki maksimum değişim otomatik olarak temsil edilir.
a) Pol arasındaki zaman yayılımı
b) Şarj cihazının özellikleri, örneğin şarj süresi ve akım tüketimi.
c) Başlangıç işletim özelliklerine göre işletim özelliklerindeki değişiklik.
Kesicilerin yüksek ve düşük sıcaklık testleri sırasında yukarıda belirtilen özelliklere dayalı olarak performansları karşılaştırılmış ve sonuçlar aşağıdaki bölümlerde tartışılmıştır.
Yüksek Sıcaklıkta Performans Değerlendirmesi
Yüksek sıcaklık testinin sonuçları Tablo 1'de sunulmuştur. Başlangıç özellikleri 20°C'de ölçülmüştür. IEC 62271-100, işletim süresi veya kapatma süresi için herhangi bir değeri belirtmemektedir. Ölçülen başlangıç açma süreleri yaklaşık 36 ms, kapatma süresi ise yaklaşık 44 ms civarındadır. Benzer şekilde, işletim cihazının şarj süresi 9,6 saniyeden 11,3 saniye arasındadır ve şarj akımı 2,8 A ile 3,1 A arasındadır.
Kesicinin kapalı pozisyonda 55°C'ye 24 saat maruz kalmasından sonra, açma süresi ve kapatma süresi yaklaşık %5 oranında artmıştır. Daha sonra, kesicinin açık pozisyonda 55°C'ye 24 saat maruz kalmasından sonra, kapatma süresi yaklaşık %2,5, açma süresi ise yaklaşık %4 oranında artmıştır.
Üç test örneğinde, tüm test süreci boyunca pol arasındaki zaman yayılımında anlamlı bir değişiklik gözlemlenmemiştir. Bu nedenle, VCB'nin tüm polerinde davranışın benzer olduğu çıkarılabilir.Şarj süresi 11,3 saniyeden 9,6 saniyeye düşmüştür, ancak akım 2,9 A'dan 3,4 A'ya değişim göstermiştir.
Ambient sıcaklıklarda başlangıç ve son değerler arasındaki açma ve kapatma süreleri karşılaştırıldığında, işletim süresinde %1'den az bir değişiklik gözlemlenmiştir, bu ise önemsizdir.
Başlangıç işletim özellikleri 20°C'de ölçülmüştür. Ölçülen açma sürelerinin başlangıç değerleri yaklaşık 36 ms, kapatma süresi ise 44 ms civarındadır. Benzer şekilde, işletim cihazının şarj süresi 10,6 saniye, şarj cihazının akımı ise 2,8 A'dır.
Kesicinin kapalı pozisyonda -10°C'ye 24 saat maruz kalmasından sonra, açma süresi yaklaşık %0,7 azalmış, kapatma süresi ise yaklaşık %2 artmıştır, bu anlamlı bir değişiklik değildir.
Anti-nemli ısıtıcılar olmadan iki saatlik dönemde, açma süresi %1,36 azalmıştır.Kesicinin açık pozisyonda -10°C'ye 24 saat daha maruz kalmasından sonra, kapatma süresi yaklaşık %3 artmış, açma süresi ise yaklaşık %2 azalmıştır.
Ambient sıcaklıkta yapılan son testte, değişiklik %1'den az olmuştur. Tüm düşük sıcaklık test süreci boyunca -10°C'de, pol arasındaki zaman yayılımında anlamlı bir değişiklik gözlemlenmemiştir.
+55°C, -10°C ve -25°C'den itibaren farklı sıcaklıklarda kesicinin performansı Tablo 1'de sunulmuştur.
Kesicinin -25°C düşük sıcaklıkta işletim sırasında anlamlı bir işletme süresi değişikliği gözlemlenmiştir. Tablo 3'teki sonuçlar, kesicinin -25°C'de açma ve kapatma sırasında yavaşlamaya uğradığını göstermektedir. -25°C'deki işletme süresindeki yüzde değişimi belirgin bir şekilde farklıdır. 24 saat maruz kalmasından sonra, açma süresi %30, kapatma süresi ise yaklaşık %25 artmıştır. Benzer şekilde, anti-nemli ısıtıcılar iki saat boyunca kapalı kaldığında, açma süresi %46 artmıştır. Daha sonra, kesicinin açık pozisyonda -25°C'ye 24 saat daha maruz kalması ve anti-nemli ısıtıcıya beslemenin tekrar sağlanması, açma süresinde %44, kapatma süresinde ise %21 artışa neden olmuştur. Test sırasında kaydedilen kapatma ve açma sürelerinin zaman grafikleri bu değişiklikleri net bir şekilde göstermektedir.
20°C ambient sıcaklığında yapılan test Şekil 2'de gösterilmiştir. -25°C'de 50 saat maruz kalma sonrası kaydedilen kapatma sürelerinin zaman grafikleri Şekil 3'te verilmiştir. Karşılaştırıldığında, kesicinin -25°C'deki yavaşlaması açıkça görülmektedir.
-10°C'deki performansı ile karşılaştırıldığında, işletme süresindeki değişikliğin sadece %0,5 ila %3 olmasıyla birlikte, -25°C'deki kesicinin özellikleri önemli ölçüde kötüleşmiştir. -25°C'de, testin çeşitli aşamalarında işletme süresindeki değişiklikler yaklaşık %45'e ulaşmıştır.
Bu makale, 36 kV sınıfı açık hava vakum kesicilerinin (VCB) düşük ve yüksek sıcaklık testleri sırasında IEC 62271-100 uyarınca elde edilen deneysel sonuçları sunmaktadır.
Bu makalenin ana bulguları şunlardır:
55°C yüksek sıcaklık testi sırasında, açık hava VCB'ler memnuniyet verici bir şekilde performans göstermiştir. İşletme süresinde ve pol arasındaki zaman yayılımında gözlemlenen değişiklikler önemsizdir.
-10°C düşük sıcaklık testi sırasında, işletme süresinde ve pol arasındaki zaman yayılımında önemsiz değişiklikler gözlemlenmiştir.
Kesicilerin -25°C düşük sıcaklıkta işletim sırasında anlamlı işletme süresi değişiklikleri gözlemlenmiştir. Gözlemlenen açma süresindeki değişiklikler %20 ile %46, kapatma süresindeki değişiklikler ise %25 ile %43 arasındadır.
Yapılan testler, açık hava VCB'nin -10°C'de normal bir şekilde çalışabilmesi halinde, -25°C gibi daha soğuk koşullarda aynı performansı göstermesi garanti edilmediğini göstermektedir. Bu nedenle, gerekli düşük sıcaklıkta performansını doğrulamak önemlidir.
