系統頻率60 Hz對中壓開關柜及其元器件的影響

李立

（廈門ABB開關有限公司，福建 廈門361000）

目前中國裝備制造業正呈現快速發展趨勢，中壓開關柜也逐漸走出國門，在海外市場中大展身手。中壓開關柜自身作為電力系統中接受、分配、測量、保護和控制電能的重要設備，它所存在的一次回路頻率不同的問題可能會嚴重影響開關柜的電氣性能。

1 中壓開關柜及其元器件種類

中壓開關柜滿足GB 3906—2006《3～35 kV交流金屬封閉開關設備》標準中的有關要求，它主要由柜體與斷路器兩大部分組成，其中具有架空進出線、電纜進出線、母線聯絡等功能內容。而柜體外部則包括了殼體、電器元件、絕緣件、各種分支機構、二次端子和連線。中壓開關柜作為一種電器設備，它主要用于電力系統發電、輸電、配電與電能轉換，可確保開關柜開合有效控制并保護用電設備，中壓開關柜代表了開關柜的一種電壓等級，它一般用于變電站、石油化工、冶金軋鋼生產等領域[1]。

中壓開關柜包括半封閉式中壓開關柜、金屬封閉中壓開關柜、金屬鎧裝式中壓開關柜、間隔式開關柜、箱式開關柜、絕緣封閉式開關柜等。還可根據元件在柜內安裝方式的不同，將中壓開關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，整個單元都可移走并隨意更換；而后者代表了可以將活動的元件直接移動到隔離位置，并在觸頭之間形成隔離斷口或分隔，合理化設置隔離位置與試驗位置，有效處理抽出式元件部分[2]。

2 系統60 Hz對中壓開關柜元器件的影響

當按GB標準設計的額定頻率為50 Hz的中壓開關柜需要應用在頻率為60 Hz的電力系統中時，系統頻率對中壓開關柜中所有元器件的影響都相對明顯，主要圍繞6點展開論述。

2.1 對開關柜絕緣性能的影響

中壓開關柜擁有專門的絕緣性元器件，它的絕緣性能表現突出。為了驗證這一點，需要對它的絕緣性能進行監測，并嚴格遵照GB標準與IEC標準要求進行中壓開關柜的額定工頻耐受電壓試驗，在試驗過程中，要求試驗頻率平均為45～65 Hz，試驗時長約為1 min。另外在考慮雷電沖擊的耐受電壓試驗時，結合GB標準與IEC標準的試驗過程可發現試驗要求完全相同。基于上述要點可見，60 Hz系統頻率的電力系統對中壓開關柜中絕緣件的影響并不大。以下結合GB額定電壓標準給出中壓開關柜的絕緣水平相關數據，如表1所示[3]。

表1 GB額定電壓標準下的中壓開關柜絕緣水平

2.2 對開關柜溫升的影響

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。對鄰近鋼鐵構件的50 Hz工頻斷路器來說，如用于60 Hz工頻電網，鐵磁損耗發熱的發熱量會增加，所以50 Hz溫升試驗不能取代60 Hz試驗。

另外由于集膚效應的作用，當50 Hz系統應用于60 Hz時，主導電回路的感應電動勢增加，導體中心環面積增大，導體電流流通的有效面積減小，相應的導體電阻增加，同等額定電流時，發熱量升高。因此當在電力系統中展開嚴格的溫升試驗，且實測其溫度上升值不超過最大允許值的95%時，50 Hz開關柜機元器件就能直接應用于60 Hz頻率。舉個例子，如果某一點的溫升最大允許值是65 K，通過溫升試驗測得最大值應該不超過65 K×95%=61.75 K。

在設計60 Hz系統時，應該考慮為系統增加導體截面，有效減少開關柜發熱情況，這是為了增加散熱或降容而特意設計的[4]。

2.3 對開關柜局部放電的影響

60 Hz電力系統對中壓開關柜元器件局部放電的影響不大。按照試驗要求，局部放電電壓頻率應該在45～65 Hz范圍內測量，因此頻率變化不影響開關柜及元器件的局放值，在設計過程中無需特殊考慮。

2.4 對開關柜短時耐受電流與峰值耐受電流、時間的影響

按GB、IEC兩項標準，在試驗過程都是將試驗頻率調整到45～65 Hz范圍內，始終保持短時內耐受電流值不變，要求峰值電流按照2.6倍進行修正，以達到匹配60 Hz電力系統的效果。如果在試驗過程中，開關柜按50 Hz系統的峰值電流值（2.5倍修正系數）進行試驗，則其耐受時間系數需要調整為1.095倍，通過試驗驗證表明開關柜能滿足60 Hz內部燃弧要求[5]。

2.5 對元器件開斷和關合能力的影響

在針對元器件的開斷與關合能力影響分析過程中，需要基于60 Hz電力系統的開斷電流波形展開試驗分析。例如將開斷60 Hz短路電流設置為短電弧，保證其電弧比50 Hz電力系統更短，能量更小。例如在具體的關合試驗過程中就需要按照2.6倍系數峰值進行修正，即保證60 Hz系統關合峰值電流值達到開斷電流值的2.5倍左右，確保試驗報告中的試驗測量數值小于修正值，然后再按照修正值進行進一步的試驗驗證分析[6]。中壓開關柜元器件頻率對短路額定關合電流的影響很大，如果電壓波處于峰值處關合，會產生一個對稱的短路電流以及最長的預擊穿電流；如果在電壓波的零點處關合，則無預擊穿，此時會產生一個完整的非對稱短路電流，如圖1所示。

圖1電壓波峰值處關合

相比較于50 Hz，合閘時60 Hz的峰值出現時間更早，預擊穿電弧所產生的時間也更長，它會使觸頭溫度提升加速，對關合性能造成一定影響。目前研究表明，頻率不同對于關合性能影響相對較小，正常情況下可不予考慮，電壓波零點處關合如圖2所示。

圖2電壓波零點處關合

2.6 對開關柜內部故障電弧的影響

最后要對元器件內部故障電弧的影響進行分析，同樣在GB標準與IEC標準中，規定中壓開關柜的試驗頻率設定為45～65 Hz，且保證短路電流值不變，60 Hz系統的峰值電流需按照2.6倍修正系數進行調整，而50 Hz只需按2.5倍修正系數執行。如此可確保60 Hz系統在試驗耐受時間范圍內不用再修正數值。舉例來說，如果中壓開關柜60 Hz系統中存在內部故障電弧，需要分別對其短路電流、峰值電流以及燃弧時間進行分析，結果會發現60 Hz系統對短路電流不會產生影響，對峰值電流會產生影響，需要按照2.6倍峰值進行修正，而對燃弧時間不會產生影響[7]。

3 結束語

綜上所述，系統頻率60 Hz對中壓開關柜及其元器件的影響較大，根據影響合理調整設計電力系統是有必要的，它基于GB和IEC兩大標準展開設計分析并進行試驗驗證，確保60 Hz電力系統運行穩定，以達到提高中壓開關柜安全生產運行效率的最終目的。