高壓開關(guān)設(shè)備出口的低值化問題研究

高壓開關(guān)設(shè)備出口的低值化問題研究

0電網(wǎng)頻率分布隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的發(fā)展，中國高壓設(shè)備的進(jìn)出口貿(mào)易額迅速增加。但是，世界各國對電力設(shè)備的要求不盡相同，其中一項最重要的技術(shù)指標(biāo)就是電器設(shè)備的額定頻率。中國的電網(wǎng)頻率統(tǒng)一為50Hz，而大部分美洲國家及部分亞洲國家的電網(wǎng)頻率為60Hz。那么，在50Hz頻率下進(jìn)行型式試驗(yàn)的高壓開關(guān)設(shè)備是否滿足額定頻率60Hz電網(wǎng)的使用要求呢？反過來又如何呢？因此有必要對50Hz與60Hz高壓開關(guān)設(shè)備的互用的問題進(jìn)行分析研究，以利于高壓開關(guān)設(shè)備的選用和在電網(wǎng)系統(tǒng)中的安全運(yùn)行。筆者從理論及IEC標(biāo)準(zhǔn)要求方面就額定頻率50Hz和60Hz氣體絕緣高壓開關(guān)設(shè)備的互用問題進(jìn)行分析闡述。1頻率對高壓開關(guān)設(shè)備性能的影響1.1提高到60hz時，設(shè)備容抗和介質(zhì)損耗會引起相應(yīng)的折射性由于頻率的變化，高壓開關(guān)設(shè)備與頻率相關(guān)的參數(shù)會發(fā)生變化，如50Hz提高到60Hz時，設(shè)備容抗會減小，介質(zhì)損耗會增加，但對絕緣性能影響很小，可以忽略。雷電沖擊耐受電壓與操作沖擊耐受電壓均是很陡的沖擊電壓，與頻率無關(guān)。1.2不同電流和不同熱度計劃的發(fā)熱效果導(dǎo)體的回路電阻包括導(dǎo)體的體電阻和接觸電阻，電阻的損耗功率P=I2R，由于有集膚效應(yīng)的影響，60Hz較50Hz集膚效應(yīng)更明顯，同一導(dǎo)體通過相同的電流60Hz較50Hz的發(fā)熱要嚴(yán)重一些；另外高壓開關(guān)設(shè)備中采用鐵磁材料零件的渦流損耗會增加，對整個設(shè)備的溫升會產(chǎn)生不利影響。1.3關(guān)合電流的影響額定短時耐受電流反映設(shè)備承受短路電流的短時熱效應(yīng)，由于短路時間較短，整個過程可以視為絕熱過程。工頻變化對導(dǎo)體載流發(fā)熱影響不大。額定峰值耐受電流與額定短路關(guān)合電流數(shù)值是一致的，都由交流分量和直流分量組成。最大峰值電流發(fā)生在起始短路是電源電壓零值，1/2半波后交流分量方向與直流分量一致，且半波時，交流分量達(dá)最大值，疊加后瞬時電流也為最大值，但此時的直流分量已經(jīng)過半波時間的阻尼衰減比起始值略有差別。50Hz時T=20ms,60Hz時T=16.67ms，以此計算峰值電流沖擊系數(shù)(峰值電流與交流分量有效比值)，50Hz為2.54,60Hz為2.58，四舍五入圓整后，50Hz為2.5,60Hz為2.6。1.4過零過零情況下系統(tǒng)開斷時間50Hz與60Hz時瞬態(tài)恢復(fù)電壓特性影響不大，而工頻恢復(fù)電壓本身對開斷影響可忽略，但工頻頻率對短路開斷的影響主要有以下幾個方面。1)50Hz和60Hz其半波時間從10ms縮短到8.3ms，三相系統(tǒng)每隔60°依次過零一次，兩次連續(xù)過零間隔時間由3.3ms縮短到2.8ms。如將50Hz產(chǎn)品用到60Hz系統(tǒng)，最小允許開斷時間、燃弧區(qū)間、最大開斷時間(均以半波數(shù)表示)等特性，都保持不變的話，則必須進(jìn)一步提高斷路器開斷時的弧隙介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度，如提高分閘速度、縮短分閘時間、提高分合閘同期性、提高SF6氣體壓力等。2)60Hz時，盡管半波電流通流時間有所降低，電流有效值不變，但電弧電流過零的電流變化率(di/dt)有所提高，這增加了過零開斷的難度。1.5工頻恢復(fù)電壓容性電流開斷時，由于容性電流通常較小，電弧能量、電流過零變化及瞬態(tài)恢復(fù)電壓等在容性電流開斷中不起主導(dǎo)作用，因此對開斷影響不大，但工頻恢復(fù)電壓對容性開斷有較大影響。容性電流開斷的工頻恢復(fù)電壓波形以1-cosωt變化。在180°時有近2Um的最大值；在電流過零90°以后弧隙重建電弧稱重?fù)舸羞^電壓；在180°時重?fù)舸﹦t有最大過電壓。由于工頻60Hz的工頻恢復(fù)電壓上升陡度比50Hz高，則有可能50Hz不發(fā)生重?fù)舸?，?0Hz發(fā)生重?fù)舸?。這就意味著以50Hz替代60Hz試驗(yàn)，必須提高試驗(yàn)電壓，以求工頻恢復(fù)電壓上升陡度等價性。1.6開斷小電容電流電壓的影響開合小電感電流包括切空變、電動機(jī)和并聯(lián)電抗器，開斷小電感電流過電壓是由截流產(chǎn)生的，過電壓與截流大小、損耗、采取的泄能限壓措施有關(guān)。一般與工頻頻率關(guān)系不大。1.7電機(jī)用量對輸出扭矩的影響50Hz和60Hz高壓開關(guān)設(shè)備互用時應(yīng)考慮頻率變化對機(jī)構(gòu)儲能電機(jī)等的影響，由于交流電機(jī)的輸出扭矩近似與電源頻率的平方成反比，50Hz電動機(jī)用于60Hz時，最大輸出扭矩顯著減少，平均力矩也降低(或負(fù)荷電流增大)，要求有更大功率電動機(jī)。相反60Hz電動機(jī)用于50Hz，一般問題不大。對于交流電機(jī)，工作電壓影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩、滑差、有功和無功功率，工作頻率主要影響轉(zhuǎn)速。2高壓開關(guān)設(shè)備的產(chǎn)IEC標(biāo)準(zhǔn)是國際電工委員會制定的一系列標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)國家對高壓開關(guān)設(shè)備的要求都執(zhí)行該系列標(biāo)準(zhǔn)。IEC標(biāo)準(zhǔn)中對每項試驗(yàn)都有與試驗(yàn)頻率相關(guān)描述，標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)的內(nèi)容摘錄見表1。3有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文本的分析和解釋3.1產(chǎn)品測試階段的確定由于標(biāo)準(zhǔn)允許的試驗(yàn)頻率范圍為45～65Hz，完全覆蓋了50Hz和60Hz，因此在額定頻率為50Hz或60Hz的產(chǎn)品對該項試驗(yàn)可以通用。3.2短路電流的重新選擇應(yīng)用對于額定頻率50Hz的產(chǎn)品，如果試驗(yàn)電流是額定短路電流的2.5倍，應(yīng)用于60Hz系統(tǒng)中時，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)則應(yīng)重新進(jìn)行試驗(yàn)，以達(dá)到2.6倍額定短路電流的要求；如果試驗(yàn)電流超過額定短路電流的2.6倍，則可直接使用。額定頻率60Hz的產(chǎn)品，可直接使用于50Hz系統(tǒng)中。3.3工頻電流下試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中對試驗(yàn)頻率的要求很嚴(yán)格，因此對GIS產(chǎn)品，必須在相應(yīng)的頻率下進(jìn)行試驗(yàn)，即50Hz的產(chǎn)品必須重新在60Hz的工頻電流下重新試驗(yàn)才能應(yīng)用于60Hz系統(tǒng)中。根據(jù)頻率對溫升的影響機(jī)理可知，60Hz的產(chǎn)品可直接使用于50Hz系統(tǒng)中。3.4隔離開關(guān)打開母電流，母電流充滿電流額定頻率50Hz和額定頻率60Hz的產(chǎn)品可以通用，沒有影響。3.5連接開關(guān)的打開和空氣流額定頻率50Hz和額定頻率60Hz的產(chǎn)品可以通用，沒有影響。3.6同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口間同極斷口分合閘對于極間和多斷口斷路器的同極斷口間的分合閘同期性要求是與頻率有關(guān)的，極間的同期性要求為合閘不大于1/4周波，分閘不大于1/5周波，多斷口斷路器的同極斷口間同期性分合閘均為1/8周波。對于額定頻率為50Hz的斷路器，其極間的同期性要求為合閘不大于5ms，分閘不大于4ms，多斷口斷路器的同極斷口間同期性分合閘均為2.5ms；而對于額定頻率為60Hz的斷路器，其極間的同期性要求為合閘不大于4.2ms，分閘不大于3.3ms，多斷口斷路器的同極斷口間同期性分合閘均為2.1ms。顯然，額定頻率為60Hz的斷路器的要求更高些。3.7試驗(yàn)頻率的偏差斷路器的短路關(guān)合和開斷試驗(yàn)原則上應(yīng)在額定頻率下進(jìn)行，并且試驗(yàn)頻率的偏差為±8%，但是如果試驗(yàn)沒有在前述規(guī)定的頻率下進(jìn)行試驗(yàn)，則對試驗(yàn)的結(jié)果需根據(jù)不同的試驗(yàn)類型進(jìn)行合理的解釋。即額定頻率50Hz和額定頻率60Hz的產(chǎn)品互用時應(yīng)分析區(qū)別對待。3.7.1中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)開斷窗口時間標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確說明額定頻率50Hz和額定頻率60Hz的產(chǎn)品的互用性。但是，在開斷試驗(yàn)中要求電流過零時刻的電流變化率即di/dt盡可能與額定頻率的一致，從這一點(diǎn)講額定頻率60Hz的產(chǎn)品要求更高一些；另外，三極產(chǎn)品進(jìn)行單極試驗(yàn)時，要求的開斷窗口時間也與頻率有關(guān)，其計算公式為:中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)Tw≥T(180°-dα)/360°；中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)Tw≥T(150°-dα)/360°。其中Tw為開斷窗口時間，dα等于18°；T為工頻電流的周期，對50Hz,T=20ms,對60Hz,T=16.7ms。通過上述計算公式可知，額定頻率50Hz的產(chǎn)品的開斷窗口時間不小于9ms(對中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng))和7.3ms(對中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng))；而額定頻率60Hz的產(chǎn)品的開斷窗口時間不小于7.5ms(對中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng))和6.1ms(對中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng))。如果在試驗(yàn)過程中采用了額定頻率50Hz的開斷窗口時間，同時試驗(yàn)頻率為60Hz，則該斷路器既可用于50Hz系統(tǒng)又可用于60Hz系統(tǒng)中。否則，須在使用的額定頻率下重新試驗(yàn)。3.7.2基本斷裂方法為t100a標(biāo)準(zhǔn)中有明確的規(guī)定，一般應(yīng)在使用的額定頻率下重新試驗(yàn)后才可使用。3.8顯時延和用于gis的巷道對于進(jìn)行近區(qū)故障試驗(yàn)的斷路器(試驗(yàn)時的恢復(fù)電壓無明顯時延)和用于GIS中的斷路器可不考慮，即與頻率無關(guān)；對于額定電壓高于100kV、額定開斷電流大于25kA的其他斷路器則應(yīng)考慮它的影響，并且與頻率有關(guān)。3.9定額頻率50hz的產(chǎn)品適用近區(qū)故障試驗(yàn)，由于其線路側(cè)恢復(fù)電壓的第1個三角波的上升率在額定開斷電流相同時，60Hz情況下是50Hz情況下的1.2倍，而這一參數(shù)對近區(qū)故障試驗(yàn)影響重大。因此，額定頻率50Hz的產(chǎn)品用于額定頻率60Hz的電網(wǎng)中應(yīng)按60Hz的要求進(jìn)行試驗(yàn)，除非可以證明試驗(yàn)中恢復(fù)電壓的第1個三角波的上升率滿足60Hz的要求。當(dāng)然，僅從近區(qū)故障角度看，60Hz的產(chǎn)品可應(yīng)用于50Hz電網(wǎng)中，只要試驗(yàn)的開斷窗口滿足要求。3.10作為定額頻率60hz的產(chǎn)品用于定額頻率60hz的電網(wǎng)開斷電試驗(yàn)依據(jù)該試驗(yàn)的特點(diǎn)，60Hz的恢復(fù)電壓上升率為50Hz的1.2倍，所以額定頻率50Hz的產(chǎn)品用于額定頻率60Hz的電網(wǎng)中應(yīng)重新進(jìn)行按60Hz的要求進(jìn)行試驗(yàn)，除非可以證明斷路器斷口上的電壓在開斷后的第1個8.3ms內(nèi)不低于規(guī)定電壓下60Hz試驗(yàn)的情況。但是60Hz試驗(yàn)過的產(chǎn)品可直接用于50Hz的系統(tǒng)中。4分析示例以550kV、50Hz、63kA斷路器替代420kV、60Hz、50kA斷路器為例，從需要考慮的各個方面進(jìn)行分析說明。4.1trv參數(shù)的確定50Hz產(chǎn)品與60Hz產(chǎn)品瞬態(tài)恢復(fù)電壓特性影響不大，工頻恢復(fù)電壓的頻率對開斷的影響可不考慮。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)550kV與420kV斷路器的TRV參數(shù)見表2，開斷后TRV參考線見圖1。從圖1中可直觀的看出，基本短路開斷試驗(yàn)的恢復(fù)電壓上升率(RRRV)基本一致，可滿足要求，同時開斷窗口大于要求的開斷窗口時間。4.2附近區(qū)域slftrv參數(shù)分析線路側(cè)的首個三角波的du/dt見表3，近區(qū)故障三角波上升率見圖2。4.2.2附近故障預(yù)測參數(shù)的計算近區(qū)故障預(yù)期參數(shù)見表4。通過表4數(shù)據(jù)對比，550kV、50Hz、63kA參數(shù)可覆蓋420kV、60Hz、50kA。4.3hz試驗(yàn)電流過零點(diǎn)的di/dt見表5。容性電開斷時，由于容性電流較小，電弧能量、電流過零變化率及瞬態(tài)恢復(fù)電壓等在容性電流開斷過程中不起主導(dǎo)作用，對這些特性往往不予考慮，但工頻恢復(fù)電壓對容性電流開斷影響很大。容性電流開斷的工頻恢復(fù)電壓波形以1-cosωt變化，在180°時有近2Um的最大值，由于60Hz的工頻恢復(fù)電壓上升陡度比50Hz高，因此60Hz發(fā)生重?fù)舸┑目赡苄源?。IEC62271-100—2006中的6.111.2描述為：只要能證明斷路器斷口上的電壓在開斷后的第1個8.3ms內(nèi)不低于規(guī)定電壓下60Hz試驗(yàn)的情況，則認(rèn)為50Hz試驗(yàn)也可以驗(yàn)證60Hz的特性。如果重?fù)舸┏霈F(xiàn)在8.3ms以后，因其瞬態(tài)電壓高于在60Hz試驗(yàn)時規(guī)定的瞬態(tài)電壓，則試驗(yàn)可在60Hz時重復(fù)進(jìn)行。這意味著采用50Hz代60Hz，必須提高試驗(yàn)電壓，以求工頻恢復(fù)電壓上升陡度的等價性，實(shí)際上加嚴(yán)了試驗(yàn)條件。按550kV和420kV計算工頻恢復(fù)電壓結(jié)果見圖3、4。根據(jù)圖4可以看出，550kV可覆蓋420kV，因此，可用550kV、50Hz容性電流開斷代替420kV、60Hz容性電流開斷試驗(yàn)。4.5trv不能完全覆蓋的試驗(yàn)?zāi)承?50kV斷路器的分閘時間為14～20ms，最短開斷時間約36～40ms，對于50、60Hz時間常數(shù)為45ms，開斷最后電流半波參數(shù)見表6-8,TRV參考線見圖5、6。通過對大半波、小半波TRV參數(shù)核對550kV、50HzTRV不能完全覆蓋420kV、60Hz(36.0<t≤53.0)TRV。對于T100a試驗(yàn)，開斷50Hz與60Hz相比，50Hz的半波時間長，并且采用63kA代50kA高壓開關(guān)設(shè)備，電流大，TRV值高(TRV不能完全覆蓋)。因此，550kV、63kA開斷最后半波能量較420kV、50kA能量大。綜上，采用550kV、50Hz、63kA斷路器代替420kV、60Hz、50kA斷路器是可行的。5hz的解釋