Hành vi của cầu chì chân không ngoài trời trong các môi trường mô phỏng
Các công tắc cắt chân không ngoài trời được sử dụng chủ yếu trong phân khúc Trung áp Cao (MHV). Chúng đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực phân phối, đặc biệt là trong lưới điện 11kV và 33kV. Nhiều loại vật liệu tổng hợp được sử dụng trong việc chế tạo các công tắc này. Trong số đó, bộ ngắt chân không nổi bật là thành phần quan trọng nhất. Đối với các công tắc ngoài trời, bộ ngắt chân không thường được bọc trong vỏ sứ.
Các công tắc này được kết nối với cơ chế hoạt động thông qua thanh điều khiển bằng sợi thủy tinh - nhựa gia cố, sau đó được liên kết với thanh điều khiển chung bằng kim loại - thép. Cơ chế hoạt động của các công tắc cắt chân không ngoài trời thường sử dụng thiết kế lò xo, được chứa trong vỏ thép. Do sử dụng nhiều loại vật liệu, việc đánh giá tính tương thích của các vật liệu này, cũng như thiết kế và kỹ thuật, dưới các điều kiện môi trường đa dạng nơi các công tắc được dự định hoạt động là rất cần thiết. Việc đánh giá này đảm bảo hiệu suất ổn định và do đó, sự ổn định của mạng điện mà chúng là một phần.
Các bài kiểm tra môi trường cho công tắc cắt, cụ thể là các bài kiểm tra nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao, được đề cập trong điều 6.101.3 của IEC 62271-100[1]. Đối với khí hậu lạnh, phạm vi nhiệt độ ưa thích cho giá trị tối thiểu và tối đa là từ -50°C đến +40°C, trong khi đối với khí hậu rất nóng, nó là từ -5°C đến +50°C. Ở độ cao lên đến 1000 mét, các giá trị nhiệt độ môi trường ưa thích cho bài kiểm tra nhiệt độ thấp là -10°C, -25°C, -30°C, và -40°C. Trong các ứng dụng ngoài trời, thiết kế của các công tắc cắt chân không phải tính đến sự thay đổi nhiệt độ nhanh chóng. Ở Ấn Độ, nhiều địa điểm ở các vùng như Kashmir, Himachal Pradesh, Uttarakhand, và Sikkim gặp phải sự biến đổi nhiệt độ như vậy.
Nhiệt độ có thể giảm xuống thấp nhất là -25°C. Ở những địa điểm này, các vấn đề liên quan đến điều kiện lạnh được làm trầm trọng bởi sự xuất hiện thường xuyên của các hiện tượng như gió lạnh và bão tuyết. Vào mùa hè, ở nhiều nơi ở Ấn Độ, nhiệt độ có thể tăng lên đến 50°C. Các nhà sản xuất xuất khẩu công tắc cắt đến các quốc gia có nhiệt độ cực kỳ thấp hoặc cao cần xác định hiệu suất của sản phẩm của họ dưới các điều kiện khí hậu khắc nghiệt này.
Bài viết này đi sâu vào hiệu suất của các công tắc cắt chân không ngoài trời 36 kV dưới các điều kiện môi trường mô phỏng theo IEC 62271-100. Các bài kiểm tra được thảo luận trong đây bao gồm (a) bài kiểm tra nhiệt độ thấp và (b) bài kiểm tra nhiệt độ cao. Ngoài ra, bài viết còn khám phá thời gian hoạt động, khoảng thời gian giữa các cực, và thời gian sạc của cơ chế hoạt động cho công tắc cắt chân không ngoài trời 36 kV.
Bài kiểm tra nhiệt độ thấp
Để hiểu về hiệu suất của các công tắc cắt chân không ngoài trời dưới điều kiện nhiệt độ thấp, quy trình được chỉ định trong IEC-62271-100 đã được sử dụng làm tham chiếu. Tiêu chuẩn IEC này quy định rằng, đối với các công tắc cắt có vỏ đơn với cơ chế hoạt động chung, các bài kiểm tra ba pha sẽ được thực hiện. Đối với các công tắc cắt có nhiều vỏ với các cực độc lập, việc kiểm tra một cực hoàn chỉnh là được phép. Trong trường hợp có hạn chế về trang thiết bị thử nghiệm, các công tắc cắt nhiều vỏ có thể được kiểm tra bằng cách sử dụng một hoặc nhiều phương án sau, miễn là điều kiện hoạt động cơ học của công tắc cắt trong thiết lập kiểm tra không thuận lợi hơn so với điều kiện bình thường:
Trong quá trình kiểm tra, việc bảo dưỡng, thay thế bộ phận, hoặc điều chỉnh lại công tắc cắt là không được phép. Trừ khi thiết kế của công tắc cắt yêu cầu nguồn nhiệt, thì nguồn chất lỏng hoặc khí cho công tắc cắt nên ở nhiệt độ không khí kiểm tra.
Các đặc tính hoạt động sau của công tắc cần được kiểm tra:
Thời gian đóng
Thời gian mở
Khoảng thời gian giữa các cực
Khoảng thời gian giữa các đơn vị của một cực (nếu kiểm tra nhiều cực)
Thời gian sạc lại của cơ chế hoạt động
Tiêu thụ của mạch điều khiển
Tiêu thụ của thiết bị ngắt và ghi nhận các rơ-le song song
Thời gian xung lệnh đóng và mở
Kiểm tra độ kín nếu áp dụng
Áp suất khí nếu áp dụng
Điện trở của mạch chính
Biểu đồ thời gian-chiều dài hành trình
Các đặc tính này sẽ được ghi lại tại:
Các tham số thay đổi áp suất không áp dụng cho các công tắc cắt chân không vì tiếp điểm được chứa trong các bình chân không và bộ lắp ráp ngắt chân không này được bọc trong vỏ sứ cách điện không khí cho ứng dụng ngoài trời.
Chuỗi kiểm tra cho bài kiểm tra nhiệt độ thấp được định nghĩa trong điều 6.101.3.3 của IEC 62271-100. Các đặc tính hoạt động ban đầu [1.4] được xác định sau khi công tắc được để ở 20 ± 5°C. Sau khi kiểm tra ban đầu với công tắc ở vị trí đóng, nhiệt độ sẽ được giảm xuống đến nhiệt độ môi trường không khí tối thiểu theo hạng mục nhiệt độ. Công tắc sẽ được giữ ở vị trí đóng trong 24 giờ với các máy sưởi chống ngưng tụ đang hoạt động. Sau 24 giờ, công tắc được mở và đóng ở giá trị cung cấp điện định mức. Thời gian mở và đóng được ghi lại để xác định các đặc tính hoạt động ở nhiệt độ thấp. Sau đó, nguồn cung cấp cho máy sưởi chống ngưng tụ sẽ được ngắt trong một khoảng thời gian (t₁) theo quy định của nhà sản xuất, nhưng ít nhất là hai giờ. Trong khoảng thời gian này, các báo động được chấp nhận nhưng các khóa không được chấp nhận. Sau thời gian t₁, công tắc được mở và thời gian mở được ghi lại. Nếu có thể, các đặc tính di chuyển cơ học cũng được đo để đánh giá khả năng ngắt.
Công tắc sẽ ở vị trí mở trong 24 giờ sau đó công tắc sẽ được đóng và mở. Sau đó, 50 chu kỳ CO được thực hiện, với ba chu kỳ CO đầu tiên được thực hiện mà không có bất kỳ độ trễ nào. Các chu kỳ CO còn lại được thực hiện theo C - tₑ - O - tₑ. Thời gian tₑ là khoảng thời gian giữa các thao tác. Một khoảng thời gian 3 phút sẽ được cho phép cho mỗi chu kỳ hoặc chuỗi. Sau khi hoàn thành 50 chu kỳ CO, nhiệt độ của buồng kiểm tra khí hậu được tăng lên với tốc độ 10 K/giờ. Trong quá trình chuyển tiếp, các thao tác C - tₑ - O - tₑ và O - tₑ - C - tₑ - O được thực hiện sao cho công tắc ở vị trí đóng và mở trong 30 phút giữa các chuỗi thao tác. Sau khi công tắc ổn định ở nhiệt độ môi trường, các đặc tính hoạt động được đo lại ở 20 ± 5°C để so sánh với các đặc tính ban đầu ở 20 ± 5°C.
CPRI đã tiến hành các bài kiểm tra nhiệt độ thấp và cao trên thiết bị chuyển mạch Trung áp Cao (MHV) lên đến 36 kV trong hơn mười năm. Hình 1 hiển thị một bố trí kiểm tra điển hình cho công tắc cắt chân không ngoài trời 36 kV được lắp đặt trong buồng kiểm tra cho các bài kiểm tra nhiệt độ cao và thấp.
Kết quả thí nghiệm cho công tắc cắt chân không ngoài trời 36 kV trong các bài kiểm tra nhiệt độ thấp và cao được trình bày. Các công tắc cắt được thử nghiệm được trang bị cơ chế hoạt động bằng lò xo.
Bài kiểm tra nhiệt độ cao được thực hiện ở +55°C, và các bài kiểm tra nhiệt độ thấp được thực hiện ở -10°C và -25°C. Các đặc tính sau đây đã được kiểm tra để phân tích hiệu suất của công tắc cắt:
Thời gian đóng và mở (Thời gian hoạt động):Thời gian đóng được định nghĩa là khoảng thời gian giữa khi kích hoạt mạch đóng, với công tắc cắt ở vị trí mở, và thời điểm tiếp điểm chạm nhau ở tất cả các cực.Thời gian mở của công tắc cắt được định nghĩa là khoảng thời gian giữa thời điểm kích hoạt cơ chế mở, với công tắc cắt ở vị trí đóng, và thời điểm tiếp điểm hồ quang tách nhau ở tất cả các cực.
Để có dữ liệu thể tích, giá trị trung bình của thời gian hoạt động của tất cả ba cực được xem xét để so sánh. Vì khoảng thời gian giữa các cực đã được so sánh, sự thay đổi lớn nhất giữa thời gian tối đa và tối thiểu của từng cực được tự động biểu diễn.
a) Khoảng thời gian giữa các cực
b) Đặc tính của thiết bị sạc lại, như thời gian sạc lại và tiêu thụ dòng điện.
c) Sự thay đổi trong các đặc tính hoạt động so với các đặc tính hoạt động ban đầu.
Hiệu suất của các công tắc cắt trong các bài kiểm tra nhiệt độ cao và thấp đã được so sánh dựa trên các đặc tính được đề cập, và kết quả được thảo luận trong các phần tiếp theo.
Đánh giá hiệu suất ở nhiệt độ cao
Kết quả của bài kiểm tra nhiệt độ cao được trình bày trong Bảng 1. Các đặc tính ban đầu được đo ở 20°C. IEC 62271-100 không quy định bất kỳ giá trị nào cho thời gian hoạt động hoặc thời gian đóng. Thời gian mở ban đầu được đo khoảng 36 ms, và thời gian đóng là khoảng 44 ms. Tương tự, thời gian sạc lại của cơ chế hoạt động dao động từ 9,6 giây đến 11,3 giây, và dòng điện sạc lại nằm trong khoảng từ 2,8 A đến 3,1 A.
Sau 24 giờ tiếp xúc với 55°C với công tắc ở vị trí đóng, thời gian mở và đóng đồng đều tăng khoảng 5%. Sau 24 giờ tiếp xúc thêm với 55°C với công tắc ở vị trí mở, thời gian đóng tăng khoảng 2,5%, và thời gian mở tăng 4%.
Không có sự thay đổi đáng kể nào trong khoảng thời gian giữa các cực cho tất cả ba mẫu thử nghiệm trong suốt quá trình kiểm tra. Do đó, có thể suy ra rằng hành vi tương tự ở tất cả các cực của công tắc cắt.Thời gian sạc lại giảm từ 11,3 giây xuống 9,6 giây, nhưng dòng điện thay đổi từ 2,9 A lên 3,4 A.
Khi so sánh thời gian mở và đóng giữa các giá trị ban đầu và cuối cùng ở nhiệt độ môi trường, sự thay đổi nhỏ hơn 1% trong thời gian hoạt động được quan sát, điều này là không đáng kể.
Các đặc tính hoạt động ban đầu được đo ở 20°C. Các giá trị ban đầu được đo của thời gian mở là khoảng 36 ms, và thời gian đóng là 44 ms. Tương tự, thời gian sạc lại của cơ chế hoạt động là 10,6 giây, và dòng điện của thiết bị sạc lại là 2,8 A.
Sau 24 giờ tiếp xúc với -10°C với công tắc ở vị trí đóng, thời gian mở giảm khoảng 0,7%, và thời gian đóng tăng khoảng 2%, không có sự thay đổi đáng kể.
Trong khoảng thời gian hai giờ mà không có máy sưởi chống ngưng tụ, thời gian mở giảm 1,36%.Sau 24 giờ tiếp xúc thêm với -10°C với công tắc ở vị trí mở, thời gian đóng tăng khoảng 3%, và thời gian mở giảm khoảng 2%.
Trong bài kiểm tra cuối cùng ở nhiệt độ môi trường, sự thay đổi nhỏ hơn 1%. Trong suốt quá trình kiểm tra nhiệt độ thấp toàn bộ ở -10°C, không có sự thay đổi đáng kể nào trong khoảng thời gian giữa các cực.
Hiệu suất của công tắc ở các nhiệt độ khác nhau, bắt đầu từ +55°C, -10°C, và -25°C, được trình bày trong Bảng 1.
Có sự thay đổi đáng kể trong thời gian hoạt động khi công tắc hoạt động ở nhiệt độ thấp -25°C. Kết quả trong Bảng 3 cho thấy công tắc có sự chậm chạp trong quá trình mở và đóng ở -25°C. Tỷ lệ thay đổi thời gian hoạt động ở -25°C là đáng chú ý. Sau 24 giờ tiếp xúc, thời gian mở tăng 30%, và thời gian đóng tăng khoảng 25%. Tương tự, sau khi tắt máy sưởi chống ngưng tụ trong hai giờ, thời gian mở tăng 46%. Tiếp xúc thêm 24 giờ ở -25°C với công tắc ở vị trí mở và nguồn cung cấp cho máy sưởi chống ngưng tụ được khôi phục dẫn đến sự tăng 44% trong thời gian mở và 21% trong thời gian đóng. Các biểu đồ thời gian ghi lại cho thời gian đóng và mở trong quá trình kiểm tra rõ ràng cho thấy những thay đổi này.
Bài kiểm tra ở nhiệt độ môi trường 20°C được hiển thị trong Hình 2. Các biểu đồ thời gian ghi lại cho thời gian đóng sau 50 giờ tiếp xúc ở -25°C được cung cấp trong Hình 3. Khi so sánh, sự chậm chạp của công tắc ở -25°C là rõ ràng.
Khi so sánh với hiệu suất ở -10°C, nơi mà sự thay đổi thời gian hoạt động chỉ khoảng 0,5% đến 3%, các đặc tính của công tắc ở -25°C đã suy giảm đáng kể. Ở -25°C, sự thay đổi thời gian hoạt động trong các giai đoạn khác nhau của bài kiểm tra đạt khoảng 45%.
Bài viết này trình bày kết quả thí nghiệm so sánh hiệu suất của các công tắc cắt chân không ngoài trời 36 kV trong các bài kiểm tra nhiệt độ thấp và cao theo IEC 62271-100.
Các phát hiện chính của bài viết này là như sau:
Trong bài kiểm tra nhiệt độ cao ở 55°C, các công tắc cắt chân không ngoài trời hoạt động tốt. Các thay đổi được quan sát trong thời gian hoạt động và khoảng thời gian giữa các cực là không đáng kể.
Trong bài kiểm tra nhiệt độ thấp ở -10°C, các thay đổi trong thời gian hoạt động và khoảng thời gian giữa các cực là không đáng kể.
Có sự thay đổi đáng kể trong thời gian hoạt động khi công tắc hoạt động ở nhiệt độ thấp -25°C. Các thay đổi được quan sát trong thời gian mở dao động từ 20% đến 46%, và các thay đổi trong thời gian đóng nằm trong khoảng từ 25% đến 43%.
Các bài kiểm tra cho thấy rằng, ngay cả khi một công tắc cắt chân không ngoài trời có thể hoạt động bình thường ở -10°C, không có gì đảm bảo rằng nó sẽ hoạt động tương tự trong điều kiện lạnh hơn như -25°C. Do đó, việc xác minh hiệu suất của nó ở nhiệt độ thấp yêu cầu là rất cần thiết.
