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国产断路器用于60Hz电网中技术问题的分析


第 46 卷 第 4 期 2010 年 04 月 2010 年 04 月

High Voltage Apparatus

第 46 卷 Apr.

Vol.46 No.4 第4期 2010

· 81·

国产断路器用于 60 Hz 电网中技术问题的分析
付松卜 1, 赵 芳2

(1. 施耐德(陕西)宝光电器有限公司, 陕西 宝鸡 721013 ; 2. 陕西宝光真空电器股份有限公司, 陕西 宝鸡 721006 )

摘要: 为满足国产断路器出口的需要,从技术角度入手,对 50 Hz 产品适用于 60 Hz 电网中所涉及的主要技术参数,试验标准 和性能影响进行了分析和比较;对两种工频条件下产品间的相互代用,提出了自己的一些合理建议和措施,为国内制造厂商出 口业务作出了借鉴。 关键词: 频率; 电力系统; 高压断路器; 参数和性能 中图分类号:

TM561.2

文献标志码:A

文章编号:1001 - 1609 (2010 )04 - 0081 - 03

Analysis of Technic for Indigenous Circuit Breaker Applied on 60 Hz Power System
FU Song-bo1, ZHAO Fang2
(1. Schneider (Shaanxi ) Baoguang Electrical Apparatus Co. , Ltd. , Baoji 721013 , China ; 2. Shaanxi Baoguang Vacuum

Electric Devices Co. , Ltd. , Baoji 721006 , China ) Abstract: The key technology parameters , test standard and performance of 50 Hz high-voltage circuit breaker applied on 60Hz power system were analyzed and compared for the need of export. Some Reasonable proposals and measures were introduced for the substitution between the products under different frequency. It was to supply references to the domestic manufacturers on the export business. Key words: frequency ; power systems ; high-voltage circuit breaker ; parameters and performance

0

引言
中国加入 WTO 后,对外贸易高速发展,高压断

每 秒 钟 切 割 磁 力 线 60 次 ,与 电 压 、电 流 、电 阻 等 参 数没有关系。 交流电的频率是由发电机的磁极对数

m 和转速 n 决定的。 它们有下列关系 f=(mn) /60 1.2
确定频率的因素 频率大小的确定与发电机、电动机及变压器等 的构造、材料等有关。 现代电力系统的频率,即电力系统中的同步发 电机产生的正弦基波电压的频率 , 是整个电力系统 统一的运行参数,一个电力系统只有一个频率。 在电力系统内,发电机发出的功率与用电设备 及送电设备消耗的功率如果不平衡 ,将引起电力系 统运行不稳定。 频率的高或低,各有利弊。 频率提 高,可使发电机和变压器的铜材、钢材耗用量减少, 重 量 轻 ,成 本 低 ;但 会 使 电 气 设 备 和 输 电 线 路 的 感 抗增 大,容抗减少 ,损 耗 增 大 ,从 而 降 低 了 输 电 效 率。 频率过低,会使电气设备用料增多,重量大,成 本高。 考虑到各种因素,经过技术经济比较,证明交 变电流频率采用 50 Hz 、60 Hz 比较适宜。 飞机上的 (1 )

路器陆续出口到 60 Hz 电网国家,同时,也从美国、 加拿大等国家持续进口高压电器产品 ,因此有必要 研究开发 50 Hz 和 60 Hz 兼用的高压电器产品。 建 议标委会认真讨论,在中国相关标准中扩大适用工 频 频 率 范 围 ,参 照 IEC (及 美 国 标 准 )增 加 对 60 Hz 产品要求的规定;且国家检测中心建立适当容量变 频电源, 以满足 60 Hz 的温升试验及 60 Hz 交流操 作电源的要求。

1
1.1

频率的定义及相关因素
定义 交流电的频率指的是发电机在发电运转时每

对磁极在一秒钟时间内所切割磁力线的次数,50 Hz 指发电机每秒钟切割磁力线 50 次,60 Hz 指发电机

收稿日期:2009 - 07 - 09 ;

修回日期:2009 - 11 - 23

作者简介:付松卜(1979 —),男,工程师,从事真空断路器的技术工作。

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交流电源,其 频率采用 400 Hz ,是 由 于 机 场 的 情 况 比较特殊:机载发电机要求体积小、重量轻,只有提 高频率才能满足功率要求,军用的更高的也有。

于容抗减小,介损 tanδ 会增加,但不影响使用,工频 对局放、泄漏电流等的影响通常也可以忽略。

2.2

额定电流和温升 额定电流主要由主导电回路发热、散热情况及

1.3

各国目前电力系统的频率现状及要求 中国和世界上大多数欧洲国家电力系统的额

其零部件允许温度来决定,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铁磁损耗 发热两种构成。

定频率为 50 Hz。 国外电网也有采用 60 Hz 频率的,如 美国、加拿大、日本以及中国台湾等。 大多数国家规 定频率偏差在 0.1~0.3Hz 之间。 在中国,300 万千瓦 以 上 的 电 力 系 统 频 率 偏 差 规 定 不 得 超 过 ±0.2 Hz ,

2.2.1 电阻损耗功率
电阻损耗功率 P 为

300 万千瓦以下的小电力系统的频率偏差规定不得
超过 ±0.5 Hz 。 超过允许的频率偏差,大机组将会跳
[1]

P=I2 有 效 值 R
式(2 )中,R=R
导电回路电阻

(2 )

+R 接 触 电 阻 ,由式(2)可知,工频

闸, 这不利于系统的安全稳定运行。 对于工频 60 Hz 和 50 Hz 产品互用问题,国际上有以下 3 种做法:美 国是单一 60 Hz 电网国家, 美国电工产品标准很严 格,不达到美 国标准的电 工 产 品 (包 括 50 Hz 产 品 ) 不允许进入美国电网;日本和韩国电网 50 Hz 和 60 Hz 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 50 Hz 和 60 Hz 产品基 本 通 用 ;IEC 标 准 包 括 50 Hz 和 60 Hz [2],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, 但有时也允许 50 Hz 和 60 Hz 替代试验,但对试验结论有一定保留 。 我国电力系 统的标称频率为 50 Hz [1],且所有的强电流试验站, 基准频率均为 50 Hz , 断路器应在额定频率允差范 围(±8% )内进行试验,然而,为了试验方便,稍许超 出允差是允许的。 如 50 Hz 的断路器在 60 Hz 下进 行试验,反之亦然,但在解释试验结果时要谨慎 ,要 考虑到所有重要的因素,如断路器的形式和所进行 试验的类型 [3]。因此,60 Hz 产品无法试验。这样对于 一些出口到 美国、巴西、菲 律宾、沙特阿拉伯等地的 真空断路器及元器件,如 50 Hz 和 60 Hz 之间要相互 代用,究竟会影响哪些性能? 我们又该如何合理地 处理呢?

变化对主回路电阻性损耗发热影响不大。

2.2.2 钢铁件的铁磁损耗
导体载流时,其附近的钢铁零件等会发生涡流 磁滞损耗。 磁通趋于表面,涡流离表面越近,电流密 度越大,损耗越大,磁通渗透深度 a 为 [3]

α=6 700 姨Hρ/(fBm )
单位表面积涡流损耗 P1(W/cm2)为

(3 )

P1=2×10-4 姨ρfBmH2

(4 )

式(3)、(4)中, ρ 为电阻率,Ω m;H 为磁场强度,A/m ; ·

Bm 为钢铁件表面磁感应强度最大值,T; f 为频率,Hz。
可 见 工 频 越 高 ,磁 通 趋 肤 效 应 越 明 显 ,涡 流 损 耗越大。 对钢铁框架结构、铁磁元件与载流部件相 邻的 50 Hz 工频断路器而言,如用于 60 Hz 电网时, 铁 磁 损 耗 会 显 著 增 加 ,发 热 随 之 增 加 ,温 升 也 会 提 高。 IEC 62271 — 1:2007 第 6.5.2 款及第 6.5.5 款中对 温升试验的允许频率偏差规定为-5%~2%, 在 50 Hz 下试验温升不超过最大允许值的 95% 。 所以,严格 来讲 50 Hz 温升试验不能取代 60 Hz 试验。

2.3

额定峰值耐受电流与额定短路关合电流(峰值) 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。 最大 峰值电流发生在起始短路是电源电压零值附近,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, 叠加后瞬时电流也为最大值, 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。 50 Hz 和 60 Hz 因半波时间不一 致而略有差别,IEC 62271 — 100:2006 中推荐衰减时 间常数 45 ms , 可计算半波时的峰值电流和冲击系 数。 50 Hz 半波时间为 10 ms ,60 Hz 为 8.3 ms ,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)50 Hz 为 2.54 ,60 Hz 为 2.58 。 IEC 取 2.5 , 美国取 2.6[ 2 ] 。 IEC62271 — 1:2007 第 6.6 条规定短时 电流试验允许频率偏差为 ±10% , 如试验频率偏差

2
2.1

工频对断路器主要性能和参数的影响及 分析
对额定电压下绝缘水平的影响 绝缘水平指工频耐压和雷电冲击水平,旨在验

证大气过电压和内部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 忽 略 ,50 Hz 与 60 Hz 的 工 频 耐 压 试 验 结 果 可 互 用 (美国 标 准 中 工 频 耐 压 试 验 规 定 的 允 许 频 率 偏 差 为 ±20%)。 工频对额定工作电压下的某些绝缘性能 有影响, 如介质损耗,50 Hz 升为 60 Hz 工作时,由

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扩大,则需慎重考虑。

2.7

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

2.4

断路器短路开断电流

50 Hz 产品用于 60 Hz 时, 对瞬态恢复电压特
性不会有多大影响, 但工频频率对短路开断有重要 影响。50 Hz 半波时间为 10 ms,60 Hz 半波为 8.3 ms , 三相系统每隔 60° 依次过零一次, 两次连续过零间 隔时间由 3.3 ms 缩短到 2.8 ms 。 如将 50 Hz 产品用 到 60 Hz 系统,最小允许开断时间、燃弧区间、最大 开断时 间(均以半波 数表 示 )等 特 性 都 保 持 不 变 的 话, 则必须进一步提高断路器开断时的弧隙介质恢 复强度,如提高分闸速度、缩短分闸时间、提高分合 闸同期性等,否则可能会在开断电流、开断时间以及 开断特性方面有一定程度牺牲。 另外,60 Hz 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。 再次,北美 60 Hz 电网,其短路关合开断试验的 额定操作顺序为 “CO — 15 s — CO ”, 与中国的“O —

采用直流电压,不存在工频变化引起的问题,但对一 些老产品及某些特殊场合下,操作机构及脱扣装置 还需要交流电源控制。 对交流恒磁链电路,其端子 侧施加电压 U 与频率 f 的关系为

U=4.11fω准 F=(准/5 000)· 1/S
过的截面积。
2

(5 ) (6 )

式(5)、(6 )中,准 为磁通量;F 为电磁力;S 为磁通 通

2.7.1

脱扣装置的影响 由式(5)、 (6)可知,当操作电压与线圈匝数不变

时,频率 f 由 50 Hz 增大到 60 Hz 时,磁通量减小约

16.5%,电磁力减小约 30.5%。 同理,如 60 Hz 电磁铁
用于 50 Hz ,则电磁力就相应增加。 这必然影响产品 脱扣装置动作的可靠性。

2.7.2

对交流储能电机的影响 工频对电动机力矩有很大影响,平均力矩 M 为

0.3 s—CO—180 s—CO”有明显差别,出口到北美的
高压断路器应补做相应试验。

M=KTΦI2cosφ2

(7 )

式(7)中,KT 为常数,I2 为负荷电流,cosφ2 为功率因素。 当频率由 50 Hz 提高到 60 Hz 时,由式(5)知,磁 通 准 减小,功率不变时,则必然使负荷电流 I2 增大, 以满足平均力矩保持不变。 这会促使电机发热。 工频变化对最大力矩 Mm 的影响也很大,Mm 为 · Mm=[1/2 (c1 mpu12)]/[2πf(r1+x1+c1x2)] (8 ) 式(8)中,c1 为常数;r1 为原边电阻;x1、x2 原付边漏抗;

2.5

容性电流开断 开断容性电流时,由于容性电流通常较小,电弧

能量、 电流过零变化率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举足轻重的 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 60 Hz 的工频恢复电压上升陡度比50 Hz 高,则有可能 50 Hz 不发生重击穿,而 60 Hz 发生重 击穿,IEC 62271-100:2006 第 6.111.2 款的注 3、注 4 中对此有详细的规定:“在 60 Hz 时进行的试验可以 认为已经证明了 50 Hz 时的开断特性。 但如以50 Hz 试验来验证 60 Hz 下的特性, 则必须在开断后第一 个 8.3 ms 内断口上的恢复电压不低于 60 Hz 试 验 时 的要求, 如重击穿发生在 8.3 ms 后, 则需以 60 Hz 在规定电压 下 试 验 ,如 无 重 击 穿 则 算 通 过。 ”这就 意味着以 50 Hz 替代 60 Hz 试验, 必须提高试验电 压,以求工频恢复电压上升陡度等价,即提高了试验 要求条件。

m 为相数;p 为极对数。
当 频 率 f 上 升 时 ,由 式 (8)知 ,最 大 力 矩 Mm 下 降,此时电动机的额定负载能力下降,功率减小了 1/6 。 因此,IEC 标准要求交 流 电 动 机 允 许 连 续 运 行 的工作电压为 90%~110%, 允许连续运行的工作 频率为 95%~103%,超出此范围运行有可能造成事故。

3

结语
50 Hz 断路器用于 60 Hz 电网时, 所涉及的性

能影响主要有温升、短路关合开断 ( 包括额定操作方 式 ) 、容性电流开断、交流电 动机及交流 电磁装置 开 断等,如裕度大时可通用,但处于临界状态时,操作 功、机械特性等需要重新调整,并重新试验。 容性电 流开断试验必须另行试验或提高试验电压做等价试 验。 对交流电动机或交流电磁装置,电动机启动力 矩和操作电磁力会减少,如裕度大时可兼用,否则应 予更换。 因 50 Hz 的性能多数低于 60 Hz ,且美国标 (下转第 87 页)

2.6

开合小电感电流 开合小电感电流包括切空变、 电动机和并联电

抗器,开断小电感电流过电压是由截流产生的,过电 压与截流大小、损耗、采取的泄能限压措施等有关 。 一般与工频频率关系不大。 50 Hz 与 60 Hz 试验结 果可以通用。

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见表 5 。
表5
序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12

产物值充实神经网络的样本库,才能更准确地进行
20 组测试样本代入模型的测试结果
模型输出量 CO2 16 000 10 000 14 000 14 000 12 000 10 000 9 600 4 200 20 000 15 000 240 980 732 5 4 330 6 643 17 469 4 686 2 904 457 y1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0.999 8 y2 1.001 1 1 y3 1 0.998 0.999 与实际 值比较 符合 符合 符合 符合 符合 符合 符合 符合 符合 符合 符合 符合 不符 符合 符合 不符 符合 符合 符合 符合 [9] [8] [4] [5] [6] [7] [3] [2]

变压器剩余寿命评估。

模型输入量 t 3 4 7 9 9 11 23 13 33 4 6 fur 0.001 0.001 0.01 0.013 0.001 0.01 0.003 0.37 1.27 1.68 0.002 0.01 1.08 0.25 0.23 0.19 0.12 0.08 0.05 0.04 CO 920 850 1 200 1 000 1 100 1 600 930 490 550 770 540 180 1974 239 219 178 1 557 268 208 406

参考文献 :
[1]
尚 勇,董 明,赵 文 彬,等.油 浸 电 力 变 压 器 体 绝 缘 老 化 的 诊 断

[J]. 变压器 ,2002,39(12):35-39. FORCE T, Furanic Compounds Ananlysis: A Tool for Predictive Maintenance Oil -filled Electricalequipment [J]. Electra,1997,175
(3 ):9.

0.994 0.999 1.002 1.001 1 1 0.998 1.001 0.571 0.857 0.28 1 0 0.717 1.002 0.471 0.194 0.671

DRVENIZA M. Investigations Efective Methods for Assessing the Condition of Insulation in Aged Power Transformers[J]. IEEE Transactions on Power Delivery ,1998 ,13 (4 ):12-14. DEPABLO A.Furfural and Ageing (How are They Related)[M].The Institution of Electrical Engineers ,1999.
尚 勇 . 油浸电力变压器的故障诊断及可靠性评估技术的研究

10 34

[D]. 西安 : 西安交通大学,2002. GB7252 — 2001 变 压 器 油 溶 解 气 体 分 析 和 判 断 导 则 [S]. 北 京 : 中
国标准出版社,2001.

0.999 7 0.983 0.996 0 0.645 0.884

13 15 14 25 15 25 16 22 17 16 18 11 19 11 20 1

20 834 1.003 2

DEPABLO A, MOLIMANN A. New Guidelines for Furans Analysis as well as Dissolved Gas Analysis in Oil-filled Transformers[C]// CIGRE Session,1996:33-19. DONG M. Aging Diagnosis of Solid Insulation for Large Oil-immersed Power Transformers[C]//Annual Report Conference on Ele ctrical Insulation and Dielectric Phenomena ,2002:400-403.
月冈淑郎 . 变压器的老化诊断和剩余寿命诊断 [J].( 日 ) メィンテナ ンス,1998 (1 ):12-17.

0.997 7 0.658 0.889 0.265 2 0.695 0.901 1 0.996 7 1.002 1.007 0.773 0.917 0.84 0.949 0.896 0.967 0.913 0.972

5

结语
1)综合考虑 CO 、CO2 的和糠醛的体积,利用 BP

[10] MOSER H P, DAHINDEN V. Transformerboard [M].Rapperswil: Weidmann, 1987. [11] MIRZAIE M, GHOLAMI A, TAYYEBI H. Life Time Estimation and Reliability Model for Cellulose Insulation [C]//International Conference on Solid Dielectrics, Winchester, UK, 2007:8-13. [12] BANDYOPADHYAY M N. Condition Monitoring for Power Transformer [C]//International Conference on ConditionMonitoring and Diagnosis, 2008:21-24. [13] 闫 春 江 . 油 浸 电 力 变 压 器 的 固 体 绝 缘 老 化 诊 断 及 其 应 [D]. 西 安 :
西安交通大学,2003.

神经网络来建立固体绝缘老化模型比单一考虑传 统聚合度老化模型更能准确地反映固体绝缘老化 程度。

2)利用油中 CO 、CO2 和糠醛的体积可以对油浸
式变压器固体绝缘寿命的可靠性以及剩余寿命范 围和老化程度进行预测。

3) 不同地区的变压器应多采集实测固体老化

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

(上接第 83 页) 准有一些严格的特殊要求, 如美国标准规定 60 Hz 试验结果可用于 50 Hz , 但交流电磁装置或交流储 能电机应更换,50 Hz 断路器则不能直接用于60 Hz , 所以我国 50 Hz 产品进入北美市场时,需要采取相 应的技术措施来满足 60 Hz 的要求。

参考文献:
[1] [2] [3] [4]
—电力系统频率允许偏差 [S]. GB / T15945 — 2008 电能质量——

IEC 62271 — 1:2007 高压开关设备和控制设备的共用条件 [S]. GB 1984 — 2003 高压交流断路器[S ].
徐国政,张节容,钱家骊,等 . 高压电器原 理 和 应 用 [M ]. 北 京 :清 华大学出版社,2000.


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