50Hz及60Hz频率下的型式试验适用性技术探讨

2020-03-22 18:31:48严冬生
福建质量管理 2020年10期

严冬生

(施耐德(陕西)宝光电器有限公司 陕西 宝鸡 721013)

引言

对于高压真空断路器产品,为了满足电力系统的安全运行的需要,需要对真空断路器产品进行型式试验,以验证产品满足各种工况条件下的电力运行安全需要。我国电力系统为50Hz,在型式试验中,各项试验均按照50Hz进行试验。当遇到真空断路器产品在出口到60Hz国外市场的时候,50Hz及60Hz的产品是否可以相互替代,型式试验中的哪些内容可以相互借用,影响有哪些性能?如何合理地处理。

一、额定频率及现状

(一)定义

交流电的频率是由发电机的旋转磁场的极对数p及发电机的转速n的乘积决定的,关系式如下:

f=pn/60

(1)

由以上可知,频率的大小取决于发电机,电动机的结构。

(二)现状

我国和世界上大多数国家欧洲国家,电力系统采用50Hz额定频率。国外采用60Hz额定频率的国家也不少,如美国,加拿大,日本及中国台湾等。大多数国家规定频率偏差在±(0.1~0.3)Hz之间。对于额定频率50Hz及60Hz产品的互用问题,国际上有以下3种做法。①美国是单一60Hz电网国家,美国电工茶品标准很严格,不达到美国标准的电工产品(包括50Hz产品)不允许进入美国电网。②日本和韩国电网50Hz和60Hz并存,对一些重要性能试验,标准规定的允许频率偏差放宽到±20%,也就是说,50Hz和60Hz产品基本通用。③IEC标准包括50Hz和60Hz,其要求介于美国和日本之间,标准规定有关试验项目的允许频率偏差比日本严格,但有时也允许50Hz和60Hz替代试验。但对试验结论有一定保留。我国目前采用单一的50Hz电网,且所有的强电流试验站,基准频率均为50Hz。

二、不同频率下型式试验的适用性分析

(一)频率与绝缘试验分析

绝缘试验包括额定短时工频耐受电压和额定雷电冲击耐受电压。旨在验证内部过电压和大气过电压对绝缘性能的影响。雷电冲击是很陡的冲击电压波,与工频频率无关。工频耐压试验中,工频频率变化对绝缘性能的影响一般可以忽略(美国标准中,工频耐压试验规定的允许频率偏差为±20%),因此50Hz和60Hz的绝缘试验结果是可以互用的。

(二)温升试验分析

额定电流是在规定的使用条件下,开关设备能够持续承载的电流的有效值。在主导电回路通额定电流的情况下,断路器会产生温升。温升主要由主导电回路的发热,散热情况及其零部件的允许温升来决定的。断路器载流发热主要由主导电回路的电阻性损耗发热和钢铁件的铁磁损耗发热两种构成。

1.电阻损耗功率为

P=I2R

其中I为额定电流的有效值,R为主导电回路的电阻和接触电阻。由此可知,工频变化时对主回路的电阻性损耗发热影响不大。

2.钢铁件的铁磁损耗

导体载流时,其附近的钢铁零件会发生涡流磁滞损耗。涡流分部不均匀,磁通主要趋于表面,涡流离表面越近,电流密度越大,损耗越大。单位表面积涡流损耗P为

(2)

式中:ρ—电阻率(Ω.m)

f—频率(Hz)

Bm—钢铁件表面磁感应强度最大值(T)

H—磁场强度(A/m)

由式(2)中可以得到,工频越高,磁通趋肤效应越明显,涡流损耗越大。当50Hz断路器产品用于60Hz的电网时,铁磁损耗会明显增加,发热明显增加,温升也会提高。根据IEC62271-306,如果在50Hz试验期间的温升数值没有超过最大允许数值的95%,没有邻近载流回路的铁磁元件的断路器上进行的50Hz的试验可以涵盖60Hz的性能。同时,当60Hz断路器产品用于50Hz的电网时,因发热减少,温升降低,完全可以替代。

(三)短时耐受电流分析

短时耐受电流指在规定的使用条件下,断路器开关设备在合闸位置能够承载的电流的有效值。50Hz产品的半波时间为10ms,而60Hz产品的半波时间为8.3ms.而50Hz产品应用于60Hz的电网中,瞬态恢复电压特性不会有太大影响,因此,50Hz和60Hz的短时耐受电流试验结果是可以互用的。

(四)峰值耐受电流及短路关合电流分析

峰值耐受电流与短路关合电流数值是一致的。峰值耐受电流指在规定的使用条件下,断路器开关设备在合闸位置能够承载的短时耐受电流的第一个大半波的峰值。峰值耐受电流是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时电源电压零值附近。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,交流与直流叠加后瞬时电流形成最大值。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降低。50Hz和60Hz因半波时间不一致而略有差别。峰值耐受电流按照系统特性的直流时间常数来确定,45ms的直流时间常数覆盖了大多数工况且当额定频率为50Hz的情况,50Hz半波时间为10ms,而60Hz产品的半波时间为8.3ms.以此计算的峰值电流冲击系数(峰值电流与交流分量有效值比值),50Hz为2.54,IEC取2.5;60Hz为2.58,美国取2.6。因此,60Hz下的试验结果可以涵盖50Hz的要求,当50Hz产品应用在60Hz时,此项需慎重考虑。

(五)容性电流开断分析

开断容性电流时,由于容性电流通常较小,电弧能量,电流大小及瞬态恢复电压等在容性电流开断中不起主导作用,对这些特性也往往不予考虑,但工频恢复电压对容性电流开断有很大的影响。如果断路器灭弧室弧后介质强度处于临界状态,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。IEC56-1987第6.111.2款的注1,注2中规定,:“无重击穿断路器60Hz容性电流试验可以涵盖50Hz的开断特性,但如以50Hz试验来验证60Hz的特性,则必须在第一个8.3ms内恢复电压不低于60Hz的要求,如无重击穿,则50Hz下的试验适用于60Hz”这意味着需要采用较高的试验电压。按照IEC62271-306的要求,为了用50Hz电压完全涵盖60Hz试验,与50Hz试验电压相比,试验电压需要提高1.44倍。

三、结束语

50Hz断路器用于60Hz电网时,绝缘试验和短时耐受电流试验项目是可以相互适用的;对于温升试验,峰值耐受电流试验,容性电流试验项目是不能直接兼容的,可通过试验的余量或适当的试验参数的调整,已达到相互兼容的目的。同时,因50Hz的试验性能均低于60Hz的要求,且美国电工标准的特殊严格要求,所以,我国50Hz断路器产品进入北美市场时,需要采取相应满足60Hz的技术措施。