浅谈电网频率50Hz与60Hz对于高压开关型式试验项目区别

姚永其

（河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山467001）

0 引言

中国和欧洲国家电力系统采用的频率为50Hz，而美国、加拿大、日本(部分地区)以及我国台湾地区等则采用60Hz 频率。对于频率60Hz 和50Hz 产品互用问题，国际上有以下三种做法：美国是单一60Hz 电网的国家，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。日本和韩国电网50Hz 和60Hz 并存，对一些重要性能试验，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。IEC 标准包括50Hz 和60Hz，其要求介于美国和日本之间，标准规定试验项目的允许频率偏差比日本严，有些试验也允许做50Hz 和60Hz 替代试验，但对试验结论有一定保留。

随着国内高压开关技术的发展与成熟，陆续有出口到60Hz 电网国家的需求。50Hz 产品应用于60Hz 电网系统中，频率的变化将会对开关设备，尤其是断路器的主要性能和参数产生影响，这些影响需要做更进一步的研究，本文重点针对72.5kV 及以上高压开关设备（断路器、隔离开关、接地开关、气体绝缘金属封闭开关设备等）从50Hz 与60Hz 型式试验项目差异上进行探讨，意在能够为 “50Hz 高压开关进行60Hz 试验”或者“同时按照2 个频率设计试验”的高压开关设计人员提供一些帮助。

1 频率对高压开关主要性能的影响

1.1 频率对绝缘水平的影响

绝缘水平是在工频电压或雷电冲击电压下，产品对内部过电压和大气过电压的耐受能力。其中雷电冲击电压波很陡，它与频率无关。而工频耐压试验中，频率的变化对绝缘性能的影响很小，可忽略不计，产品50Hz 和60Hz 的耐压试验结果可以互用。

1.2 频率对额定电流和温升的影响

设备的额定电流取决于主导电回路的发热功率、散热状况及其零部件允许的运行温度，高压开关载流发热主要由主导电回路的电阻性损耗发热和钢铁构件铁磁损耗发热两部分组成。对钢铁件的铁磁损耗而言，频率越高，磁通趋肤效应越明显，涡流损耗越大。对有邻近钢铁构件的50Hz 工频断路器来说，如用于60Hz 工频电网，铁磁损耗发热的温升会增加。所以50Hz 温升试验不能取代60Hz 试验。

1.3 频率对额定峰值耐受电流和额定短路关合电流(峰值)的影响

额定峰值耐受电流与额定关合电流数值是一致的，两者都是由交流分量和直流分量组成。峰值电流冲击系数(峰值电流与交流分量有效值比值)50Hz 为2.5，60Hz 为2.6。IEC694第6.5 条规定短时电流试验允许频率偏差为±10%，如试验频率偏差扩大，则需慎重考虑。

1.4 频率对断路器短路开断电流的影响

50Hz 产品用于60Hz 时，对瞬态恢复电压特性影响不大，但工频频率对短路开断有重要影响。50Hz 和60Hz 其半波时间从10ms 缩短到8.3ms。另外，频率为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，这就增加了过零开断的难度。

1.5 频率对容性电流开断的影响

开断容性电流时工频恢复电压对容性电流开断有举足轻重的影响。由于断路器灭弧室弧后介质强度处于临界状态，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。对于容性电流开断，IEC 561987 第6.111.2 款的注1、 注2 中有详细的规定，意味着如果想用50Hz 试验替代60Hz 试验，则必须提高试验电压，以达到工频恢复电压上升陡度等价，也就是提高了试验要求条件。

1.6 频率对操作机构的影响

目前，大部分断路器的操作机构、脱扣装置等均采用直流电源，不存在工频频率变化问题。但对一些老产品及某些特殊场合下，操作机构及脱扣装置还用交流电源的，那么，频率的变化将对交流操作机构的电磁力产生一定的影响。

2 相关的试验标准及标准中频率差异的规定

我国目前采用单一的50Hz 电网，因此国标是主要针对50Hz 的标准，而IEC 标准包括50Hz 和60Hz，因此要研制60Hz 产品必须对IEC 标准进行研究，尤其是涉及频率不同的区别要进行系统分析。

2.1 相关试验标准

高压开关试验相关的主要IEC 标准及同国标的对应见表1 如下：

表1 常用IEC 标准与国标的对应表

2.2 高压交流断路器标准中频率差异的规定

高压交流断路器标准（IEC62271-100）中60Hz 和50Hz的差异总结如下：

60Hz 的直流分量的百分数（%dc）大于50Hz 的直流分量的百分数（%dc）。

60Hz 时的ITRV 大于50Hz 的ITRV。

同一时间常数为45ms 情况下，60Hz 时的额定短路关合电流大。

60Hz 的近区故障RRRV（瞬态恢复电压上升率）大于50Hz的RRRV。

敞开式开关装置（主回路、辅助回路和控制回路）在50 Hz 下进行温升试验时，如果实测的温升值不超过最大允许值的95%，则应当认为该开关装置在60Hz 下的性能得到了验证。

在部分情况下，50Hz 和60Hz 的短时耐受电流和峰值耐受电流试验等价。

50Hz 和60Hz 对应的TRV 没有差别。

50Hz 的大小半波持续时间大于60Hz 的大小半波持续时间，50Hz 的继电保护时间（10ms）大于60Hz 的继电保护时间（8.3ms）。即：50Hz 的持续时间长、60Hz 的直流分量大。

在部分情况下，50Hz 和60Hz 的短路关合和开断试验等价。

50Hz 的到达uc 的时间t2 大于60Hz 的到达uc 的时间t2，即TRV 持续时间长。

当额定频率为50 Hz 的断路器在60 Hz 下进行试验，在解释试验结果时要谨慎，要考虑到所有重要因素，如断路器的型式和所进行试验的类型。

断路器60Hz 容性电流试验可用来验证50Hz 的无重击穿开断特性。但如以50Hz 试验来验证60Hz 的特性，则必须在第一个8.3ms 内的恢复电压不低于60Hz 时的要求。如在8.3ms 后发生重击穿，则需以60Hz 在规定电压下作试验无重击穿才算通过。

2.3 高压交流隔离开关和接地开关标准中频率差异的规定

高压交流隔离开关和接地开关开关标准（IEC62271-102）中60Hz 和50Hz 的差异总结如下：

隔离开关：开合母线转换电流试验，开合母线充电电流试验；快速接地开关：开合电磁感应电流试验，开合静电感应电流试验。上述试验标准中关于试验频率的描述：“应优先在额定频率下试验，然而，为了试验方便，可以在50Hz 或60Hz下进行试验且认为是等价的。”

快速接地开关短路关合试验，由于关合电流数值不同，不能等价。

3 型式试验项目替代性探讨

根据标准中60Hz 和50Hz 试验差异规定，高压开关需要进行的试验项目替代性总结如下：

3.1 与试验频率无关（或者关系不大）的试验项目

主回路电阻测量；

防护的验证（外壳防护等级的验证）；

气体密封性试验和气体状态测量；

电磁兼容性试验（EMC）；

辅助和控制回路的附加试验；

外壳的验证试验；

隔板的试验：热性能；隔板的密封性试验；

机械和环境试验：周围温度下的机械操作试验；开关装置的行程—时间特性测量；高低温试验；

绝缘试验：额定雷电冲击耐受电压试验；额定短时工频耐受电压试验；局部放电试验；无线电干扰电压（r.i.v.）试验；湿试验程序。

3.2 频率50Hz、60Hz 下试验认为是等价的试验项目

隔离开关：切合母线转换电流试验；

快速接地开关：开合电磁感应电流试验；开合静电感应电流试验；

断路器基本短路开合试验：T60、 T30 、T10；

断路器：OP2。

3.3 频率60Hz 下试验可以替代50Hz 试验的项目

温升试验；

断路器容性电流开合试验。

3.4 频率50Hz、60Hz 互相不能替代的试验项目

断路器基本短路开合试验： T100a、T100s；

断路器：L90、L75；

快速接地开关：短路关合试验；

电寿命试验；

额定峰值耐受电流和额定短时耐受电流能力的试验。

4 结束语

综上所述，当50Hz 高压开关用于60Hz 电网时，所涉及的性能影响主要有温升、短路关合开断，容性电流开断、交流电动机及交流电磁装置等。本文通过分析试验标准，总结了型式试验项目方面的通用性和差异性，希望对于高压开关设计者在选择进行型式试验时提供一些帮助。

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