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。