系统频率60 Hz对中压开关柜及其元器件的影响

2020-09-04李立

科技与创新 2020年17期

李立

（厦门ABB开关有限公司，福建厦门361000）

目前中国装备制造业正呈现快速发展趋势，中压开关柜也逐渐走出国门，在海外市场中大展身手。中压开关柜自身作为电力系统中接受、分配、测量、保护和控制电能的重要设备，它所存在的一次回路频率不同的问题可能会严重影响开关柜的电气性能。

1 中压开关柜及其元器件种类

中压开关柜满足GB 3906—2006《3～35 kV交流金属封闭开关设备》标准中的有关要求，它主要由柜体与断路器两大部分组成，其中具有架空进出线、电缆进出线、母线联络等功能内容。而柜体外部则包括了壳体、电器元件、绝缘件、各种分支机构、二次端子和连线。中压开关柜作为一种电器设备，它主要用于电力系统发电、输电、配电与电能转换，可确保开关柜开合有效控制并保护用电设备，中压开关柜代表了开关柜的一种电压等级，它一般用于变电站、石油化工、冶金轧钢生产等领域[1]。

中压开关柜包括半封闭式中压开关柜、金属封闭中压开关柜、金属铠装式中压开关柜、间隔式开关柜、箱式开关柜、绝缘封闭式开关柜等。还可根据元件在柜内安装方式的不同，将中压开关柜中划分为两种抽出形式，分别为可移开元件形式与可抽出元件形式。前者代表了在主回路带电条件下，整个单元都可移走并随意更换；而后者代表了可以将活动的元件直接移动到隔离位置，并在触头之间形成隔离断口或分隔，合理化设置隔离位置与试验位置，有效处理抽出式元件部分[2]。

2 系统60 Hz对中压开关柜元器件的影响

当按GB标准设计的额定频率为50 Hz的中压开关柜需要应用在频率为60 Hz的电力系统中时，系统频率对中压开关柜中所有元器件的影响都相对明显，主要围绕6点展开论述。

2.1 对开关柜绝缘性能的影响

中压开关柜拥有专门的绝缘性元器件，它的绝缘性能表现突出。为了验证这一点，需要对它的绝缘性能进行监测，并严格遵照GB标准与IEC标准要求进行中压开关柜的额定工频耐受电压试验，在试验过程中，要求试验频率平均为45～65 Hz，试验时长约为1 min。另外在考虑雷电冲击的耐受电压试验时，结合GB标准与IEC标准的试验过程可发现试验要求完全相同。基于上述要点可见，60 Hz系统频率的电力系统对中压开关柜中绝缘件的影响并不大。以下结合GB额定电压标准给出中压开关柜的绝缘水平相关数据，如表1所示[3]。

表1 GB额定电压标准下的中压开关柜绝缘水平

2.2 对开关柜温升的影响

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。对于钢铁件的铁磁损耗而言，频率越高，磁通越高，涡流损耗越大。对邻近钢铁构件的50 Hz工频断路器来说，如用于60 Hz工频电网，铁磁损耗发热的发热量会增加，所以50 Hz温升试验不能取代60 Hz试验。

另外由于集肤效应的作用，当50 Hz系统应用于60 Hz时，主导电回路的感应电动势增加，导体中心环面积增大，导体电流流通的有效面积减小，相应的导体电阻增加，同等额定电流时，发热量升高。因此当在电力系统中展开严格的温升试验，且实测其温度上升值不超过最大允许值的95%时，50 Hz开关柜机元器件就能直接应用于60 Hz频率。举个例子，如果某一点的温升最大允许值是65 K，通过温升试验测得最大值应该不超过65 K×95%=61.75 K。

在设计60 Hz系统时，应该考虑为系统增加导体截面，有效减少开关柜发热情况，这是为了增加散热或降容而特意设计的[4]。

2.3 对开关柜局部放电的影响

60 Hz电力系统对中压开关柜元器件局部放电的影响不大。按照试验要求，局部放电电压频率应该在45～65 Hz范围内测量，因此频率变化不影响开关柜及元器件的局放值，在设计过程中无需特殊考虑。

2.4 对开关柜短时耐受电流与峰值耐受电流、时间的影响

按GB、IEC两项标准，在试验过程都是将试验频率调整到45～65 Hz范围内，始终保持短时内耐受电流值不变，要求峰值电流按照2.6倍进行修正，以达到匹配60 Hz电力系统的效果。如果在试验过程中，开关柜按50 Hz系统的峰值电流值（2.5倍修正系数）进行试验，则其耐受时间系数需要调整为1.095倍，通过试验验证表明开关柜能满足60 Hz内部燃弧要求[5]。

2.5 对元器件开断和关合能力的影响

在针对元器件的开断与关合能力影响分析过程中，需要基于60 Hz电力系统的开断电流波形展开试验分析。例如将开断60 Hz短路电流设置为短电弧，保证其电弧比50 Hz电力系统更短，能量更小。例如在具体的关合试验过程中就需要按照2.6倍系数峰值进行修正，即保证60 Hz系统关合峰值电流值达到开断电流值的2.5倍左右，确保试验报告中的试验测量数值小于修正值，然后再按照修正值进行进一步的试验验证分析[6]。中压开关柜元器件频率对短路额定关合电流的影响很大，如果电压波处于峰值处关合，会产生一个对称的短路电流以及最长的预击穿电流；如果在电压波的零点处关合，则无预击穿，此时会产生一个完整的非对称短路电流，如图1所示。

图1电压波峰值处关合

相比较于50 Hz，合闸时60 Hz的峰值出现时间更早，预击穿电弧所产生的时间也更长，它会使触头温度提升加速，对关合性能造成一定影响。目前研究表明，频率不同对于关合性能影响相对较小，正常情况下可不予考虑，电压波零点处关合如图2所示。

图2电压波零点处关合

2.6 对开关柜内部故障电弧的影响

最后要对元器件内部故障电弧的影响进行分析，同样在GB标准与IEC标准中，规定中压开关柜的试验频率设定为45～65 Hz，且保证短路电流值不变，60 Hz系统的峰值电流需按照2.6倍修正系数进行调整，而50 Hz只需按2.5倍修正系数执行。如此可确保60 Hz系统在试验耐受时间范围内不用再修正数值。举例来说，如果中压开关柜60 Hz系统中存在内部故障电弧，需要分别对其短路电流、峰值电流以及燃弧时间进行分析，结果会发现60 Hz系统对短路电流不会产生影响，对峰值电流会产生影响，需要按照2.6倍峰值进行修正，而对燃弧时间不会产生影响[7]。