高压开关设备出口的低值化问题研究

高压开关设备出口的低值化问题研究

0电网频率分布随着全球经济一体化的发展，中国高压设备的进出口贸易额迅速增加。但是，世界各国对电力设备的要求不尽相同，其中一项最重要的技术指标就是电器设备的额定频率。中国的电网频率统一为50Hz，而大部分美洲国家及部分亚洲国家的电网频率为60Hz。那么，在50Hz频率下进行型式试验的高压开关设备是否满足额定频率60Hz电网的使用要求呢？反过来又如何呢？因此有必要对50Hz与60Hz高压开关设备的互用的问题进行分析研究，以利于高压开关设备的选用和在电网系统中的安全运行。笔者从理论及IEC标准要求方面就额定频率50Hz和60Hz气体绝缘高压开关设备的互用问题进行分析阐述。1频率对高压开关设备性能的影响1.1提高到60hz时，设备容抗和介质损耗会引起相应的折射性由于频率的变化，高压开关设备与频率相关的参数会发生变化，如50Hz提高到60Hz时，设备容抗会减小，介质损耗会增加，但对绝缘性能影响很小，可以忽略。雷电冲击耐受电压与操作冲击耐受电压均是很陡的冲击电压，与频率无关。1.2不同电流和不同热度计划的发热效果导体的回路电阻包括导体的体电阻和接触电阻，电阻的损耗功率P=I2R，由于有集肤效应的影响，60Hz较50Hz集肤效应更明显，同一导体通过相同的电流60Hz较50Hz的发热要严重一些；另外高压开关设备中采用铁磁材料零件的涡流损耗会增加，对整个设备的温升会产生不利影响。1.3关合电流的影响额定短时耐受电流反映设备承受短路电流的短时热效应，由于短路时间较短，整个过程可以视为绝热过程。工频变化对导体载流发热影响不大。额定峰值耐受电流与额定短路关合电流数值是一致的，都由交流分量和直流分量组成。最大峰值电流发生在起始短路是电源电压零值，1/2半波后交流分量方向与直流分量一致，且半波时，交流分量达最大值，叠加后瞬时电流也为最大值，但此时的直流分量已经过半波时间的阻尼衰减比起始值略有差别。50Hz时T=20ms,60Hz时T=16.67ms，以此计算峰值电流冲击系数(峰值电流与交流分量有效比值)，50Hz为2.54,60Hz为2.58，四舍五入圆整后，50Hz为2.5,60Hz为2.6。1.4过零过零情况下系统开断时间50Hz与60Hz时瞬态恢复电压特性影响不大，而工频恢复电压本身对开断影响可忽略，但工频频率对短路开断的影响主要有以下几个方面。1)50Hz和60Hz其半波时间从10ms缩短到8.3ms，三相系统每隔60°依次过零一次，两次连续过零间隔时间由3.3ms缩短到2.8ms。如将50Hz产品用到60Hz系统，最小允许开断时间、燃弧区间、最大开断时间(均以半波数表示)等特性，都保持不变的话，则必须进一步提高断路器开断时的弧隙介质恢复强度，如提高分闸速度、缩短分闸时间、提高分合闸同期性、提高SF6气体压力等。2)60Hz时，尽管半波电流通流时间有所降低，电流有效值不变，但电弧电流过零的电流变化率(di/dt)有所提高，这增加了过零开断的难度。1.5工频恢复电压容性电流开断时，由于容性电流通常较小，电弧能量、电流过零变化及瞬态恢复电压等在容性电流开断中不起主导作用，因此对开断影响不大，但工频恢复电压对容性开断有较大影响。容性电流开断的工频恢复电压波形以1-cosωt变化。在180°时有近2Um的最大值；在电流过零90°以后弧隙重建电弧称重击穿，有过电压；在180°时重击穿则有最大过电压。由于工频60Hz的工频恢复电压上升陡度比50Hz高，则有可能50Hz不发生重击穿，而60Hz发生重击穿。这就意味着以50Hz替代60Hz试验，必须提高试验电压，以求工频恢复电压上升陡度等价性。1.6开断小电容电流电压的影响开合小电感电流包括切空变、电动机和并联电抗器，开断小电感电流过电压是由截流产生的，过电压与截流大小、损耗、采取的泄能限压措施有关。一般与工频频率关系不大。1.7电机用量对输出扭矩的影响50Hz和60Hz高压开关设备互用时应考虑频率变化对机构储能电机等的影响，由于交流电机的输出扭矩近似与电源频率的平方成反比，50Hz电动机用于60Hz时，最大输出扭矩显著减少，平均力矩也降低(或负荷电流增大)，要求有更大功率电动机。相反60Hz电动机用于50Hz，一般问题不大。对于交流电机，工作电压影响电机转矩、滑差、有功和无功功率，工作频率主要影响转速。2高压开关设备的产IEC标准是国际电工委员会制定的一系列标准，大多数国家对高压开关设备的要求都执行该系列标准。IEC标准中对每项试验都有与试验频率相关描述，标准中相关的内容摘录见表1。3有关标准文本的分析和解释3.1产品测试阶段的确定由于标准允许的试验频率范围为45～65Hz，完全覆盖了50Hz和60Hz，因此在额定频率为50Hz或60Hz的产品对该项试验可以通用。3.2短路电流的重新选择应用对于额定频率50Hz的产品，如果试验电流是额定短路电流的2.5倍，应用于60Hz系统中时，依据标准则应重新进行试验，以达到2.6倍额定短路电流的要求；如果试验电流超过额定短路电流的2.6倍，则可直接使用。额定频率60Hz的产品，可直接使用于50Hz系统中。3.3工频电流下试验标准中对试验频率的要求很严格，因此对GIS产品，必须在相应的频率下进行试验，即50Hz的产品必须重新在60Hz的工频电流下重新试验才能应用于60Hz系统中。根据频率对温升的影响机理可知，60Hz的产品可直接使用于50Hz系统中。3.4隔离开关打开母电流，母电流充满电流额定频率50Hz和额定频率60Hz的产品可以通用，没有影响。3.5连接开关的打开和空气流额定频率50Hz和额定频率60Hz的产品可以通用，没有影响。3.6同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口间同极断口分合闸对于极间和多断口断路器的同极断口间的分合闸同期性要求是与频率有关的，极间的同期性要求为合闸不大于1/4周波，分闸不大于1/5周波，多断口断路器的同极断口间同期性分合闸均为1/8周波。对于额定频率为50Hz的断路器，其极间的同期性要求为合闸不大于5ms，分闸不大于4ms，多断口断路器的同极断口间同期性分合闸均为2.5ms；而对于额定频率为60Hz的断路器，其极间的同期性要求为合闸不大于4.2ms，分闸不大于3.3ms，多断口断路器的同极断口间同期性分合闸均为2.1ms。显然，额定频率为60Hz的断路器的要求更高些。3.7试验频率的偏差断路器的短路关合和开断试验原则上应在额定频率下进行，并且试验频率的偏差为±8%，但是如果试验没有在前述规定的频率下进行试验，则对试验的结果需根据不同的试验类型进行合理的解释。即额定频率50Hz和额定频率60Hz的产品互用时应分析区别对待。3.7.1中性点有效接地系统开断窗口时间标准中没有明确说明额定频率50Hz和额定频率60Hz的产品的互用性。但是，在开断试验中要求电流过零时刻的电流变化率即di/dt尽可能与额定频率的一致，从这一点讲额定频率60Hz的产品要求更高一些；另外，三极产品进行单极试验时，要求的开断窗口时间也与频率有关，其计算公式为:中性点有效接地系统Tw≥T(180°-dα)/360°；中性点非有效接地系统Tw≥T(150°-dα)/360°。其中Tw为开断窗口时间，dα等于18°；T为工频电流的周期，对50Hz,T=20ms,对60Hz,T=16.7ms。通过上述计算公式可知，额定频率50Hz的产品的开断窗口时间不小于9ms(对中性点有效接地系统)和7.3ms(对中性点非有效接地系统)；而额定频率60Hz的产品的开断窗口时间不小于7.5ms(对中性点有效接地系统)和6.1ms(对中性点非有效接地系统)。如果在试验过程中采用了额定频率50Hz的开断窗口时间，同时试验频率为60Hz，则该断路器既可用于50Hz系统又可用于60Hz系统中。否则，须在使用的额定频率下重新试验。3.7.2基本断裂方法为t100a标准中有明确的规定，一般应在使用的额定频率下重新试验后才可使用。3.8显时延和用于gis的巷道对于进行近区故障试验的断路器(试验时的恢复电压无明显时延)和用于GIS中的断路器可不考虑，即与频率无关；对于额定电压高于100kV、额定开断电流大于25kA的其他断路器则应考虑它的影响，并且与频率有关。3.9定额频率50hz的产品适用近区故障试验，由于其线路侧恢复电压的第1个三角波的上升率在额定开断电流相同时，60Hz情况下是50Hz情况下的1.2倍，而这一参数对近区故障试验影响重大。因此，额定频率50Hz的产品用于额定频率60Hz的电网中应按60Hz的要求进行试验，除非可以证明试验中恢复电压的第1个三角波的上升率满足60Hz的要求。当然，仅从近区故障角度看，60Hz的产品可应用于50Hz电网中，只要试验的开断窗口满足要求。3.10作为定额频率60hz的产品用于定额频率60hz的电网开断电试验依据该试验的特点，60Hz的恢复电压上升率为50Hz的1.2倍，所以额定频率50Hz的产品用于额定频率60Hz的电网中应重新进行按60Hz的要求进行试验，除非可以证明断路器断口上的电压在开断后的第1个8.3ms内不低于规定电压下60Hz试验的情况。但是60Hz试验过的产品可直接用于50Hz的系统中。4分析示例以550kV、50Hz、63kA断路器替代420kV、60Hz、50kA断路器为例，从需要考虑的各个方面进行分析说明。4.1trv参数的确定50Hz产品与60Hz产品瞬态恢复电压特性影响不大，工频恢复电压的频率对开断的影响可不考虑。根据相关标准550kV与420kV断路器的TRV参数见表2，开断后TRV参考线见图1。从图1中可直观的看出，基本短路开断试验的恢复电压上升率(RRRV)基本一致，可满足要求，同时开断窗口大于要求的开断窗口时间。4.2附近区域slftrv参数分析线路侧的首个三角波的du/dt见表3，近区故障三角波上升率见图2。4.2.2附近故障预测参数的计算近区故障预期参数见表4。通过表4数据对比，550kV、50Hz、63kA参数可覆盖420kV、60Hz、50kA。4.3hz试验电流过零点的di/dt见表5。容性电开断时，由于容性电流较小，电弧能量、电流过零变化率及瞬态恢复电压等在容性电流开断过程中不起主导作用，对这些特性往往不予考虑，但工频恢复电压对容性电流开断影响很大。容性电流开断的工频恢复电压波形以1-cosωt变化，在180°时有近2Um的最大值，由于60Hz的工频恢复电压上升陡度比50Hz高，因此60Hz发生重击穿的可能性大。IEC62271-100—2006中的6.111.2描述为：只要能证明断路器断口上的电压在开断后的第1个8.3ms内不低于规定电压下60Hz试验的情况，则认为50Hz试验也可以验证60Hz的特性。如果重击穿出现在8.3ms以后，因其瞬态电压高于在60Hz试验时规定的瞬态电压，则试验可在60Hz时重复进行。这意味着采用50Hz代60Hz，必须提高试验电压，以求工频恢复电压上升陡度的等价性，实际上加严了试验条件。按550kV和420kV计算工频恢复电压结果见图3、4。根据图4可以看出，550kV可覆盖420kV，因此，可用550kV、50Hz容性电流开断代替420kV、60Hz容性电流开断试验。4.5trv不能完全覆盖的试验某型550kV断路器的分闸时间为14～20ms，最短开断时间约36～40ms，对于50、60Hz时间常数为45ms，开断最后电流半波参数见表6-8,TRV参考线见图5、6。通过对大半波、小半波TRV参数核对550kV、50HzTRV不能完全覆盖420kV、60Hz(36.0<t≤53.0)TRV。对于T100a试验，开断50Hz与60Hz相比，50Hz的半波时间长，并且采用63kA代50kA高压开关设备，电流大，TRV值高(TRV不能完全覆盖)。因此，550kV、63kA开断最后半波能量较420kV、50kA能量大。综上，采用550kV、50Hz、63kA断路器代替420kV、60Hz、50kA断路器是可行的。5hz的解释