50Hz高压电器兼用于60Hz电网的有关技术问题探讨

50Hz高压电器兼用于60Hz电网的有关技术问题探讨
西安高压电器研究所(西安710077) 王晋根
【摘要】分析了50Hz高压电器产品用于60Hz电网时存在的技术问题和应考虑的一些问题。

1 概述
解放前，我国东北等个别电网有60Hz电网，50Hz与60Hz间以变频机组联结交换电力；解放后，60Hz的发电机逐步被淘汰。

目前我国大陆、港澳已成为单一50Hz电网的国家〔1〕。

国际上使用60Hz的国家还不少，如美国、加拿大、日本以及我国台湾等，每年需要60Hz电工产品的数量相当大。

对于工频60Hz 和50Hz产品互用问题，国际上有以下三种做法。

美国是单一60Hz电网国家〔2〕，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50Hz产品)不允许进入美国电网；日本电网50Hz和60Hz并存〔3〕，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50Hz和60Hz产品基本通用；IEC 标准包括50Hz和60Hz〔4〕，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50Hz和60Hz替代试验，但对试验结论有一定保留。

我国的强电流试验站，无论是冲击发电机还是网络试验站，基准频率均为50Hz，且目前工频是不可调的，60Hz产品无法试验。

因此人们普遍关心，50Hz和60Hz产品间互相代用，究竟影响那些性能?影响程度如何?如何合理地处理。

2 工频对高压电器主要性能和参数的影响及分析
2.1 额定电压与额定绝缘水平
工频对正常工作电压下的某些绝缘性能有影响，但不影响使用，如介损，50Hz转到60Hz工作时，由于容抗减小，介损tgδ会增加，这在使用时应注意。

工频对局放、泄漏电流等的影响通常可以忽略。

绝缘水平指雷电冲击、操作冲击和工频耐压水平，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、操作冲击都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，50Hz与
60Hz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%〔2〕)。

2.2 额定电流和温升
额定电流主要由主导电回路发热、散热情况及其零部件允许温度来决定，探讨工频对额定电流的影响，应首先了解工频变化对产品发热的影响。

高压电器产品载流发热主要由两种损耗构成，即：
(1)导电回路的电阻性损耗发热；
(2)钢铁件的铁磁损耗发热。

导电回路电阻(R)包括导体电阻和接触电阻，电阻损耗功率为P=I2R，式中I 是有效值。

导体载流时，其附近的钢铁零件等会发生涡流磁滞损耗。

当铁磁零件(如圆环)横截面较大时，涡流损耗总发热损耗比重较大甚至可达80%。

由于铁环内涡流对磁通的抵消作用，涡流分布是不均匀的，磁通趋于表面，深度只有几mm，涡流离表面越近，电流密度越大，损耗越大，由文〔5〕可知，磁通渗透深度a 为：
这就是说工频的频率越高，磁通趋肤效应越大，涡流损耗越大。

对某些采用钢铁外壳或大型铁磁零件的50Hz高压电器，用于60Hz电网时，铁磁损耗会显著增加，发热随之增加，温升也会提高。

这是应该注意的一个问题，文〔4〕第6.3.2款及第6.3.5款中对温升试验的允许频率偏差的规定较小，+2%～-5%。

所以，50Hz温升试验不能取代60Hz试验。

尤其采用大钢铁零件、钢铁外壳的电器，或载流大、温升裕度小时，应该认真校核。

IEC规定〔4〕在50Hz下试验温升不超过最大允许值的95%，无铁磁元件与载流部件相邻的敞开式开关，试验结果可适用于60Hz。

2.3 额定短时耐受电流、额定峰值耐受电流及额定关合电流
额定短时耐受电流(热稳定电流)反映承受短路电流的短时热效应。

由于时间短(IEC：1s、3s两档，我国标准2s、4s两档)，可以看作绝热过程，因此对主回路导体来讲只考虑自身发热。

工频变化对导体载流发热影响不大，50Hz和60Hz的试验结果可互用。

额定峰值耐受电流与额定关合电流数值是一致的，两电流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。

50Hz和60Hz因半波时间不一致而略有差别，文〔6〕推荐衰减时间常数45ms，可计算半波时的峰值电流和冲击系数，也可计算直流分量衰减瞬时值i t：
50Hz半波为10ms，60Hz为8.3ms，以此计算峰值电流冲击系数(峰值电流与交流分量有效值比值)，50Hz为.54，60Hz为2.58。

IEC取2.5，美取2.6〔4〕。

实际冲击系数差别不大，但美国取得比IEC高，这一点应该引起重视。

从试验角度看，IEC694第6.5条规定短时电流试验允许频率偏差为±10%，如试验频率偏差扩大，则解释试验结果时需注意。

2.4 断路器端子短路故障的关合和开断
50Hz产品用于60Hz时瞬态恢复电压特性不会有多大影响，而工频恢复电压的频率本身对开断影响可不计，但工频频率对短路开断有重要影响，主要有以下几方面。

(1)50Hz和60Hz其半波时间从10ms缩短到8.3ms，三相系统每隔60°依次过零一次，两次连续过零间隔时间由3.3ms缩短到2.8ms。

如将50Hz产品用到60Hz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、提高SF6气体压力等，否则视断路器而异，在开断电流、开断时间以及开断特性方面会有一定程度牺牲。

(2)60Hz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，这增加了过零开断的难度。

(3)关合电流有所提高(美国标准冲击系数由2.5提高到2.6)，应适当提高关合速度，增加操作功。

(4)50Hz断路器用于60Hz时，为保持原有短路电流开断特性，除需要增加机构操作功外，应调整断路器配用操动机构的机械特性。

(5)额定操作顺序，北美60Hz电网，其短路关合开断试验的额定操作顺序为“CO—15′—CO”，与我国的“O—0.3′(或0.5′)—CO—180′—CO”有明显差别，出口到北美的高压断路器应补做相应试验。

IEC规定〔6〕短路关合开断试验允许频率偏差为±10%，一般50Hz试验结果不能用于60Hz，但文〔1〕第6.103.2款又作了允许放松，但解释试验结果要谨慎，意即开断电流可能降低或开断时间要延长。

美国标准规定60Hz试验结果可用于50Hz，但交流电磁装置或交流储能电机应更换，50Hz断路器则不能直接用于60Hz。

2.5 容性电流开断
容性电流开断时，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。

容性电流开断的工频恢复电压波形以1-cosωt变化，如图1所示，在180°(π)时有近2U m的最大值，在电流过零90°以后弧隙重建电弧称重击穿，有过电压，在180°时重击穿则有最大过电压。

如果断路器灭弧室弧后介质强度处于临界状态，由于工频60Hz的工频恢复电压上升陡度比50Hz高，则有可能50Hz不发生重击穿，而60Hz发生重击穿，文〔6〕第6.111.2款的注1、注2中对此有较详细的规定：“无重击穿断路器60Hz容性电流试验可用来验证50Hz的开断特性，但如以50Hz试验来验证60Hz下的特性，则必须在第一个8.3ms内恢复电压不低于60Hz时，如在8.3ms 后发生重击穿，则另以60Hz在规定电压下试验，如无重击穿则算通过。

”这就意味着以50Hz替代60Hz试验，必须提高试验电压，以求工频恢复电压上升陡度等价，实际是加严了试验条件。

2.6 操动机构的交流电磁控制操作及储能用交流电动机
一般的电磁机构、脱扣装置等均采用直流电压，不存在工频变化引起的问题，但有些场合还是需要交流电磁装置。

交流电磁控制，当电源工频改变时，即使操作电压不变，操作力也有较大改变，对交流恒磁链电路，其施加电压(u)与频率(f)的关系为：
其中，S为磁通通过的截面积。

由式(4)可知，当电压u、匝数不变时，频率f由50Hz增大到60Hz时，相应磁通就按比例减小，由式(5)可知，电磁力与磁通大小的平方成正比，也就是电磁力减小约40%。

同理，60Hz电磁铁用于50Hz，则电磁力就相应增加。

这影响产品使用可靠性与安全性。

当交流电磁装置使用工频改变时，应复核装置操作力，必要时应予更换。

目前使用的液压、气动及弹簧操动机构，普遍采用交流电磁装置及交流电动机储能，当电源频率改变时又如何影响电动机工作呢?
工频对电动机力矩有很大影响，平均力矩M_如下式：
M_=K TΦI2cosφ2(6)
其中KT为常数，I2为负荷电流，cosφ2为功率因素。

当频率由50Hz提高到60Hz时，由式(4)知磁通φ减小，功率因素一般变化不大，则必然使负荷电流I2增大以满足平均力矩保持不变。

这会增加电机发热。

工频变化对最大力矩Mm的影响也很大，如下式：
其中，c1为常数，r1为原边电阻，x1、x2原付边漏抗，m为相数，p为极对数。

由式(7)可知，当频率f上升时，最大力矩M m下降，电动机过载能力下降、由于付边漏抗x2随频率提高而增大，因此最大力矩下降更厉害。

由以上分析可知，50Hz电动机用于60Hz时，最大力矩显著减少，平均力矩也降低(或负荷电流增加)，要求有更大功率电动机。

相反60Hz电动机用于50Hz，一般问题不大。

工作电压影响电机转矩、滑差、有功和无功功率，工作频率影响转速，IEC 对交流电动机允许工作电压和工作频率范围有较严格要求，允许连续运行的工作电压为100±5%，允许连续运行的工作频率100±2%，如图2中的阴影部分。

虚线部分为允许短时间工作的非推荐范围，即工作电压90～110%，工作频率95～103%。

超出虚线部分运行有可能造成事故。

2.7 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。

50Hz与60Hz试验结果可以通用。

3 50Hz与60Hz产品互用的技术措施
3.1 50Hz产品用于60Hz
tgδ的规定值会增大，采用钢铁外壳或大钢铁导磁件的产品应重做温升试验(以绝缘外壳或铜铝为主的不必做温升试验)，如用于美国电网，额定峰值耐受电流裕度大时不必另行试验，但处于临界情况时需要重做试验，开断关合能力试验、开断时间、关合电流、短路电流过零变化率、操作方式等多方面性能有影响，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，否则应更换。

3.2 60Hz产品用于50Hz电网
仅需要换交流电动机及交流电磁装置。

其他性能因裕度更大而不必采取措施。

4 小结
50Hz与60Hz产品兼用所涉及的影响性能主要有温升、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，开断对裕度大的产品是可通用的。

因60Hz性能一般高于50Hz，除交流电动机操作等个别性能需考虑外，60Hz产品用于50Hz可不另做试验，在开断方面，60Hz用于50Hz虽有较多的优势，但半波时间长、电弧能量大，特别对于单相开断有其不利的一面，如真空开关的单相试验似乎比三相试验难。

国外，16.5Hz的开断非常困难。

但50Hz的性能多数低于60Hz，且美国标准有一些严格的特殊要求，我国50Hz产品进入北美市场时，需要采取相应的满足60Hz的技术措施。

随着我国参加WTO，对外贸易的发展，我国高压电器产品出口到60Hz国家，也会从美国、加拿大等国家进口高压电器产品。

因此有必要研究开发50Hz 和60Hz兼用的高压电器产品。

建议采取如下一些措施。

1.在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
60Hz产品要求的规定。

2. 在新建冲击发电机工程中，增加调速功能，同时满足50Hz与60Hz的试验要求。

3. 建议国家检测中心建立适当容量变频电源，以满足60Hz的温升试验及60Hz交流操作电源的要求。

参考文献
1GB 1984—89交流高压断路器
2 C 37—010—1972American National Standard IEEE Standard A pplication
guide for AC High Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical current Basis
3JEC 181—1971交流高压断路器
4IEC 694—1996高压开关设备和控制设备的共用条件
5 张节容，钱家骊等。

高压电器原理和应用。

北京：清华大学出版社6IEC 56—1987交流高压断路器。