淺談電網頻率50Hz與60Hz對于高壓開關型式試驗項目區別

姚永其

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山467001）

0 引言

中國和歐洲國家電力系統采用的頻率為50Hz，而美國、加拿大、日本(部分地區)以及我國臺灣地區等則采用60Hz 頻率。對于頻率60Hz 和50Hz 產品互用問題，國際上有以下三種做法：美國是單一60Hz 電網的國家，不達到美國標準的電工產品(包括50Hz 產品)不允許進入美國電網。日本和韓國電網50Hz 和60Hz 并存，對一些重要性能試驗，規定的允許頻率偏差放寬到±20%，也就是說50Hz 和60Hz 產品基本通用。IEC 標準包括50Hz 和60Hz，其要求介于美國和日本之間，標準規定試驗項目的允許頻率偏差比日本嚴，有些試驗也允許做50Hz 和60Hz 替代試驗，但對試驗結論有一定保留。

隨著國內高壓開關技術的發展與成熟，陸續有出口到60Hz 電網國家的需求。50Hz 產品應用于60Hz 電網系統中，頻率的變化將會對開關設備，尤其是斷路器的主要性能和參數產生影響，這些影響需要做更進一步的研究，本文重點針對72.5kV 及以上高壓開關設備（斷路器、隔離開關、接地開關、氣體絕緣金屬封閉開關設備等）從50Hz 與60Hz 型式試驗項目差異上進行探討，意在能夠為 “50Hz 高壓開關進行60Hz 試驗”或者“同時按照2 個頻率設計試驗”的高壓開關設計人員提供一些幫助。

1 頻率對高壓開關主要性能的影響

1.1 頻率對絕緣水平的影響

絕緣水平是在工頻電壓或雷電沖擊電壓下，產品對內部過電壓和大氣過電壓的耐受能力。其中雷電沖擊電壓波很陡，它與頻率無關。而工頻耐壓試驗中，頻率的變化對絕緣性能的影響很小，可忽略不計，產品50Hz 和60Hz 的耐壓試驗結果可以互用。

1.2 頻率對額定電流和溫升的影響

設備的額定電流取決于主導電回路的發熱功率、散熱狀況及其零部件允許的運行溫度，高壓開關載流發熱主要由主導電回路的電阻性損耗發熱和鋼鐵構件鐵磁損耗發熱兩部分組成。對鋼鐵件的鐵磁損耗而言，頻率越高，磁通趨膚效應越明顯，渦流損耗越大。對有鄰近鋼鐵構件的50Hz 工頻斷路器來說，如用于60Hz 工頻電網，鐵磁損耗發熱的溫升會增加。所以50Hz 溫升試驗不能取代60Hz 試驗。

1.3 頻率對額定峰值耐受電流和額定短路關合電流(峰值)的影響

額定峰值耐受電流與額定關合電流數值是一致的，兩者都是由交流分量和直流分量組成。峰值電流沖擊系數(峰值電流與交流分量有效值比值)50Hz 為2.5，60Hz 為2.6。IEC694第6.5 條規定短時電流試驗允許頻率偏差為±10%，如試驗頻率偏差擴大，則需慎重考慮。

1.4 頻率對斷路器短路開斷電流的影響

50Hz 產品用于60Hz 時，對瞬態恢復電壓特性影響不大，但工頻頻率對短路開斷有重要影響。50Hz 和60Hz 其半波時間從10ms 縮短到8.3ms。另外，頻率為60Hz 時，盡管半波電流通流時間有所降低(電流有效值不變)，但電弧電流過零的電流變化率(di/dt)有所提高，這就增加了過零開斷的難度。

1.5 頻率對容性電流開斷的影響

開斷容性電流時工頻恢復電壓對容性電流開斷有舉足輕重的影響。由于斷路器滅弧室弧后介質強度處于臨界狀態，工頻60Hz 的工頻恢復電壓上升陡度比50Hz 高，則有可能50Hz 不發生重擊穿而60Hz 發生重擊穿。對于容性電流開斷，IEC 561987 第6.111.2 款的注1、 注2 中有詳細的規定，意味著如果想用50Hz 試驗替代60Hz 試驗，則必須提高試驗電壓，以達到工頻恢復電壓上升陡度等價，也就是提高了試驗要求條件。

1.6 頻率對操作機構的影響

目前，大部分斷路器的操作機構、脫扣裝置等均采用直流電源，不存在工頻頻率變化問題。但對一些老產品及某些特殊場合下，操作機構及脫扣裝置還用交流電源的，那么，頻率的變化將對交流操作機構的電磁力產生一定的影響。

2 相關的試驗標準及標準中頻率差異的規定

我國目前采用單一的50Hz 電網，因此國標是主要針對50Hz 的標準，而IEC 標準包括50Hz 和60Hz，因此要研制60Hz 產品必須對IEC 標準進行研究，尤其是涉及頻率不同的區別要進行系統分析。

2.1 相關試驗標準

高壓開關試驗相關的主要IEC 標準及同國標的對應見表1 如下：

表1 常用IEC 標準與國標的對應表

2.2 高壓交流斷路器標準中頻率差異的規定

高壓交流斷路器標準（IEC62271-100）中60Hz 和50Hz的差異總結如下：

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

60Hz 時的ITRV 大于50Hz 的ITRV。

同一時間常數為45ms 情況下，60Hz 時的額定短路關合電流大。

60Hz 的近區故障RRRV（瞬態恢復電壓上升率）大于50Hz的RRRV。

敞開式開關裝置（主回路、輔助回路和控制回路）在50 Hz 下進行溫升試驗時，如果實測的溫升值不超過最大允許值的95%，則應當認為該開關裝置在60Hz 下的性能得到了驗證。

在部分情況下，50Hz 和60Hz 的短時耐受電流和峰值耐受電流試驗等價。

50Hz 和60Hz 對應的TRV 沒有差別。

50Hz 的大小半波持續時間大于60Hz 的大小半波持續時間，50Hz 的繼電保護時間（10ms）大于60Hz 的繼電保護時間（8.3ms）。即：50Hz 的持續時間長、60Hz 的直流分量大。

在部分情況下，50Hz 和60Hz 的短路關合和開斷試驗等價。

50Hz 的到達uc 的時間t2 大于60Hz 的到達uc 的時間t2，即TRV 持續時間長。

當額定頻率為50 Hz 的斷路器在60 Hz 下進行試驗，在解釋試驗結果時要謹慎，要考慮到所有重要因素，如斷路器的型式和所進行試驗的類型。

斷路器60Hz 容性電流試驗可用來驗證50Hz 的無重擊穿開斷特性。但如以50Hz 試驗來驗證60Hz 的特性，則必須在第一個8.3ms 內的恢復電壓不低于60Hz 時的要求。如在8.3ms 后發生重擊穿，則需以60Hz 在規定電壓下作試驗無重擊穿才算通過。

2.3 高壓交流隔離開關和接地開關標準中頻率差異的規定

高壓交流隔離開關和接地開關開關標準（IEC62271-102）中60Hz 和50Hz 的差異總結如下：

隔離開關：開合母線轉換電流試驗，開合母線充電電流試驗；快速接地開關：開合電磁感應電流試驗，開合靜電感應電流試驗。上述試驗標準中關于試驗頻率的描述：“應優先在額定頻率下試驗，然而，為了試驗方便，可以在50Hz 或60Hz下進行試驗且認為是等價的。”

快速接地開關短路關合試驗，由于關合電流數值不同，不能等價。

3 型式試驗項目替代性探討

根據標準中60Hz 和50Hz 試驗差異規定，高壓開關需要進行的試驗項目替代性總結如下：

3.1 與試驗頻率無關（或者關系不大）的試驗項目

主回路電阻測量；

防護的驗證（外殼防護等級的驗證）；

氣體密封性試驗和氣體狀態測量；

電磁兼容性試驗（EMC）；

輔助和控制回路的附加試驗；

外殼的驗證試驗；

隔板的試驗：熱性能；隔板的密封性試驗；

機械和環境試驗：周圍溫度下的機械操作試驗；開關裝置的行程—時間特性測量；高低溫試驗；

絕緣試驗：額定雷電沖擊耐受電壓試驗；額定短時工頻耐受電壓試驗；局部放電試驗；無線電干擾電壓（r.i.v.）試驗；濕試驗程序。

3.2 頻率50Hz、60Hz 下試驗認為是等價的試驗項目

隔離開關：切合母線轉換電流試驗；

快速接地開關：開合電磁感應電流試驗；開合靜電感應電流試驗；

斷路器基本短路開合試驗：T60、 T30 、T10；

斷路器：OP2。

3.3 頻率60Hz 下試驗可以替代50Hz 試驗的項目

溫升試驗；

斷路器容性電流開合試驗。

3.4 頻率50Hz、60Hz 互相不能替代的試驗項目

斷路器基本短路開合試驗： T100a、T100s；

斷路器：L90、L75；

快速接地開關：短路關合試驗；

電壽命試驗；

額定峰值耐受電流和額定短時耐受電流能力的試驗。

4 結束語

綜上所述，當50Hz 高壓開關用于60Hz 電網時，所涉及的性能影響主要有溫升、短路關合開斷，容性電流開斷、交流電動機及交流電磁裝置等。本文通過分析試驗標準，總結了型式試驗項目方面的通用性和差異性，希望對于高壓開關設計者在選擇進行型式試驗時提供一些幫助。

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