系統(tǒng)頻率60 Hz對(duì)中壓開關(guān)柜及其元器件的影響

李立

（廈門ABB開關(guān)有限公司，福建 廈門361000）

目前中國(guó)裝備制造業(yè)正呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)，中壓開關(guān)柜也逐漸走出國(guó)門，在海外市場(chǎng)中大展身手。中壓開關(guān)柜自身作為電力系統(tǒng)中接受、分配、測(cè)量、保護(hù)和控制電能的重要設(shè)備，它所存在的一次回路頻率不同的問題可能會(huì)嚴(yán)重影響開關(guān)柜的電氣性能。

1 中壓開關(guān)柜及其元器件種類

中壓開關(guān)柜滿足GB 3906—2006《3～35 kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)要求，它主要由柜體與斷路器兩大部分組成，其中具有架空進(jìn)出線、電纜進(jìn)出線、母線聯(lián)絡(luò)等功能內(nèi)容。而柜體外部則包括了殼體、電器元件、絕緣件、各種分支機(jī)構(gòu)、二次端子和連線。中壓開關(guān)柜作為一種電器設(shè)備，它主要用于電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電與電能轉(zhuǎn)換，可確保開關(guān)柜開合有效控制并保護(hù)用電設(shè)備，中壓開關(guān)柜代表了開關(guān)柜的一種電壓等級(jí)，它一般用于變電站、石油化工、冶金軋鋼生產(chǎn)等領(lǐng)域[1]。

中壓開關(guān)柜包括半封閉式中壓開關(guān)柜、金屬封閉中壓開關(guān)柜、金屬鎧裝式中壓開關(guān)柜、間隔式開關(guān)柜、箱式開關(guān)柜、絕緣封閉式開關(guān)柜等。還可根據(jù)元件在柜內(nèi)安裝方式的不同，將中壓開關(guān)柜中劃分為兩種抽出形式，分別為可移開元件形式與可抽出元件形式。前者代表了在主回路帶電條件下，整個(gè)單元都可移走并隨意更換；而后者代表了可以將活動(dòng)的元件直接移動(dòng)到隔離位置，并在觸頭之間形成隔離斷口或分隔，合理化設(shè)置隔離位置與試驗(yàn)位置，有效處理抽出式元件部分[2]。

2 系統(tǒng)60 Hz對(duì)中壓開關(guān)柜元器件的影響

當(dāng)按GB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的額定頻率為50 Hz的中壓開關(guān)柜需要應(yīng)用在頻率為60 Hz的電力系統(tǒng)中時(shí)，系統(tǒng)頻率對(duì)中壓開關(guān)柜中所有元器件的影響都相對(duì)明顯，主要圍繞6點(diǎn)展開論述。

2.1 對(duì)開關(guān)柜絕緣性能的影響

中壓開關(guān)柜擁有專門的絕緣性元器件，它的絕緣性能表現(xiàn)突出。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，需要對(duì)它的絕緣性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并嚴(yán)格遵照GB標(biāo)準(zhǔn)與IEC標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行中壓開關(guān)柜的額定工頻耐受電壓試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中，要求試驗(yàn)頻率平均為45～65 Hz，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)約為1 min。另外在考慮雷電沖擊的耐受電壓試驗(yàn)時(shí)，結(jié)合GB標(biāo)準(zhǔn)與IEC標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)過程可發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)要求完全相同。基于上述要點(diǎn)可見，60 Hz系統(tǒng)頻率的電力系統(tǒng)對(duì)中壓開關(guān)柜中絕緣件的影響并不大。以下結(jié)合GB額定電壓標(biāo)準(zhǔn)給出中壓開關(guān)柜的絕緣水平相關(guān)數(shù)據(jù)，如表1所示[3]。

表1 GB額定電壓標(biāo)準(zhǔn)下的中壓開關(guān)柜絕緣水平

2.2 對(duì)開關(guān)柜溫升的影響

設(shè)備的額定電流取決于主導(dǎo)電回路的發(fā)熱功率、散熱狀況及其零部件允許的運(yùn)行溫度，高壓開關(guān)載流發(fā)熱主要由主導(dǎo)電回路的電阻性損耗發(fā)熱和鋼鐵構(gòu)件鐵磁損耗發(fā)熱兩部分組成。對(duì)于鋼鐵件的鐵磁損耗而言，頻率越高，磁通越高，渦流損耗越大。對(duì)鄰近鋼鐵構(gòu)件的50 Hz工頻斷路器來(lái)說，如用于60 Hz工頻電網(wǎng)，鐵磁損耗發(fā)熱的發(fā)熱量會(huì)增加，所以50 Hz溫升試驗(yàn)不能取代60 Hz試驗(yàn)。

另外由于集膚效應(yīng)的作用，當(dāng)50 Hz系統(tǒng)應(yīng)用于60 Hz時(shí)，主導(dǎo)電回路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增加，導(dǎo)體中心環(huán)面積增大，導(dǎo)體電流流通的有效面積減小，相應(yīng)的導(dǎo)體電阻增加，同等額定電流時(shí)，發(fā)熱量升高。因此當(dāng)在電力系統(tǒng)中展開嚴(yán)格的溫升試驗(yàn)，且實(shí)測(cè)其溫度上升值不超過最大允許值的95%時(shí)，50 Hz開關(guān)柜機(jī)元器件就能直接應(yīng)用于60 Hz頻率。舉個(gè)例子，如果某一點(diǎn)的溫升最大允許值是65 K，通過溫升試驗(yàn)測(cè)得最大值應(yīng)該不超過65 K×95%=61.75 K。

在設(shè)計(jì)60 Hz系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該考慮為系統(tǒng)增加導(dǎo)體截面，有效減少開關(guān)柜發(fā)熱情況，這是為了增加散熱或降容而特意設(shè)計(jì)的[4]。

2.3 對(duì)開關(guān)柜局部放電的影響

60 Hz電力系統(tǒng)對(duì)中壓開關(guān)柜元器件局部放電的影響不大。按照試驗(yàn)要求，局部放電電壓頻率應(yīng)該在45～65 Hz范圍內(nèi)測(cè)量，因此頻率變化不影響開關(guān)柜及元器件的局放值，在設(shè)計(jì)過程中無(wú)需特殊考慮。

2.4 對(duì)開關(guān)柜短時(shí)耐受電流與峰值耐受電流、時(shí)間的影響

按GB、IEC兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，在試驗(yàn)過程都是將試驗(yàn)頻率調(diào)整到45～65 Hz范圍內(nèi)，始終保持短時(shí)內(nèi)耐受電流值不變，要求峰值電流按照2.6倍進(jìn)行修正，以達(dá)到匹配60 Hz電力系統(tǒng)的效果。如果在試驗(yàn)過程中，開關(guān)柜按50 Hz系統(tǒng)的峰值電流值（2.5倍修正系數(shù)）進(jìn)行試驗(yàn)，則其耐受時(shí)間系數(shù)需要調(diào)整為1.095倍，通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明開關(guān)柜能滿足60 Hz內(nèi)部燃弧要求[5]。

2.5 對(duì)元器件開斷和關(guān)合能力的影響

在針對(duì)元器件的開斷與關(guān)合能力影響分析過程中，需要基于60 Hz電力系統(tǒng)的開斷電流波形展開試驗(yàn)分析。例如將開斷60 Hz短路電流設(shè)置為短電弧，保證其電弧比50 Hz電力系統(tǒng)更短，能量更小。例如在具體的關(guān)合試驗(yàn)過程中就需要按照2.6倍系數(shù)峰值進(jìn)行修正，即保證60 Hz系統(tǒng)關(guān)合峰值電流值達(dá)到開斷電流值的2.5倍左右，確保試驗(yàn)報(bào)告中的試驗(yàn)測(cè)量數(shù)值小于修正值，然后再按照修正值進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證分析[6]。中壓開關(guān)柜元器件頻率對(duì)短路額定關(guān)合電流的影響很大，如果電壓波處于峰值處關(guān)合，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)稱的短路電流以及最長(zhǎng)的預(yù)擊穿電流；如果在電壓波的零點(diǎn)處關(guān)合，則無(wú)預(yù)擊穿，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)完整的非對(duì)稱短路電流，如圖1所示。

圖1電壓波峰值處關(guān)合

相比較于50 Hz，合閘時(shí)60 Hz的峰值出現(xiàn)時(shí)間更早，預(yù)擊穿電弧所產(chǎn)生的時(shí)間也更長(zhǎng)，它會(huì)使觸頭溫度提升加速，對(duì)關(guān)合性能造成一定影響。目前研究表明，頻率不同對(duì)于關(guān)合性能影響相對(duì)較小，正常情況下可不予考慮，電壓波零點(diǎn)處關(guān)合如圖2所示。

圖2電壓波零點(diǎn)處關(guān)合

2.6 對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧的影響

最后要對(duì)元器件內(nèi)部故障電弧的影響進(jìn)行分析，同樣在GB標(biāo)準(zhǔn)與IEC標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定中壓開關(guān)柜的試驗(yàn)頻率設(shè)定為45～65 Hz，且保證短路電流值不變，60 Hz系統(tǒng)的峰值電流需按照2.6倍修正系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，而50 Hz只需按2.5倍修正系數(shù)執(zhí)行。如此可確保60 Hz系統(tǒng)在試驗(yàn)?zāi)褪軙r(shí)間范圍內(nèi)不用再修正數(shù)值。舉例來(lái)說，如果中壓開關(guān)柜60 Hz系統(tǒng)中存在內(nèi)部故障電弧，需要分別對(duì)其短路電流、峰值電流以及燃弧時(shí)間進(jìn)行分析，結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)60 Hz系統(tǒng)對(duì)短路電流不會(huì)產(chǎn)生影響，對(duì)峰值電流會(huì)產(chǎn)生影響，需要按照2.6倍峰值進(jìn)行修正，而對(duì)燃弧時(shí)間不會(huì)產(chǎn)生影響[7]。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，系統(tǒng)頻率60 Hz對(duì)中壓開關(guān)柜及其元器件的影響較大，根據(jù)影響合理調(diào)整設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)是有必要的，它基于GB和IEC兩大標(biāo)準(zhǔn)展開設(shè)計(jì)分析并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，確保60 Hz電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，以達(dá)到提高中壓開關(guān)柜安全生產(chǎn)運(yùn)行效率的最終目的。