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上海工程技术大学毕业设计外文翻译 1 海拔高度对低压开关设备和控制设备元件运行性能的影响海拔高度对低压开关设备和控制设备元件运行性能的影响 摘摘要要 由于高度的升高，空气密度的降低会影响低压开关柜和控制设备部件的运行性 能。对于高空应用，对这些部件的工作性能的影响知之甚少。空气密度的降低会影响 电介质耐压、热行程、过载校准、接触寿命和中断能力等特性。试验是在一个能够产 生所需电路参数的电气实验室进行的。试验是用真空室人工降低空气密度来模拟海拔 高达 6000 米的高度，并进行了实况调查研究，确定了在较高海拔地区低压元件的工 作性能。 1 引言引言 对于用于低压开关柜、电机控制中心和电池板的低压开关设备和控制设备组件 (LVCS)的高空应用(例如海拔 1000 米至 6000 米)，几乎没有技术指导。这些 LVCs 包 括：塑壳断路器、断开开关、熔断器、起动器、接触器、软起动固态启动器、变频驱 动器、过载继电器、控制继电器和变压器。由于气压和密度随着海拔高度的增加而减 小，影响了 LVCS 的工作性能，理论上降低了耐压、热额定值、影响校准、影响接触 寿命、降低接触器中断性能、降低短路中断能力。有一些基于 IEEE STD 的指导。它 提供了电压额定值(介电承受能力)和电流额定值(热差)的经验修正因子l。 见表一.如何 应用这些高度校正系数的例子见表。然而，没有提供关于运行性能标准的信息，例如 电流中断，这也可能受到在较高度上介电和热特性的降低的影响。因此，在高空应用 设备的工程师几乎没有适当选择 LVCs 的指导，实际上，对于 3000 米以上的应用，根 本没有提供任何指导。 发现高度要求的 LVC 行业标准的一个例子是 NEMA 标准 ICs1-19932。这个 NEMA 标准定义了两个高度等级。1 公里是指海拔不超过 1000 米的设备设施。使用 功率半导体设备的系统通常为 1 公里级。2 公里是指海拔不超过 2000 米的设备设施。 电磁和手动设备为 2 公里级。然而，在本标准中没有对这些高度以上的 LVCs 给予指 导。此外，国际电工委员会(EC)标准 IEC60947-1 载有一项限制，规定 LVCs 不得应用 于 2000 m3以上。然而，iec 60947-1 中包含了一份允许在较高海拔地区使用 LVCs 的 上海工程技术大学毕业设计外文翻译 2 说明，但必须解决降低空气介电强度和冷却效果的问题。正如 NEMA 标准一样，iec 60947-1 中没有为符合 2000 m 以上使用的 LVCs 提供指南，也没有关于如何在较高海 拔地区降低介电强度和冷却效果的指南。 因此，为了在不同的高度解决这些 LVC 的性能和应用问题，启动了一个研究项 目。 该程序不仅研究了高空空气介质强度(耐压性能)和冷却效应(热容量)的降低所造成 的影响，而且还研究了其他运行性能标准，以确定是否有任何显著的性能变化，例如 校准、过载中断、接触寿命和短路中断。为了研究不同海拔高度对 LVCs 工作性能的 影响， 采用真空室模拟了正常情况下在相应高度上的空气密度。 见图 1。 被测试的 LVCs 包 括 符 合 IEC 标 准 、 NEMA 标 准 和 承 保 人 实 验 室 标 准 ( 标 准 等)3141516171919110 lU 11的部件。 上海工程技术大学毕业设计外文翻译 3 2 测试程序注释测试程序注释 必须指出的是，这项调查并不是一个合格的类型测试程序，而是一个程序，以 确定是否有显着变化的性能数据由于空气密度的变化。因此，为了作出这一决定，试 验参数有时比常模更严格。此外，这些测试装置被选为 LVCs 的代表性样本，并希望 对这些特定样本的测试能够显示出有意义的发现。这是一个第一步的过程，以确定哪 些经营业绩将表明重大的趋势。可能需要进一步的测试，以更准确地确定高度对作战 性能的确切影响。 在本次调查中所述的 0 米高度，气压标准为 101.3 kPa，实际上不是在海平面， 而是在测试实验室的高度，大约为 200 米12。每组试验前记录实验室的气压，范围为 99.9kPa103.3 kPa。在最大试验高度 6000 米时，试验室内的气压为 47.1 kPa。图 2 显 示了气压与海拔的相关性，并被用于建立以 101.3 kPa 为基础的海平面气压测试压力 12。 虽然研究中没有考虑湿度，但它可能对某些测试产生了一定的影响。在整个试验 过程中对湿度进行了监测，不同海拔高度(06000 m)的湿度确实发生了变化，湿度分 别从 17%RH 下降到 12%RH。 上海工程技术大学毕业设计外文翻译 4 3 耐压性能分析耐压性能分析 该标准，等，要求通过空气和表面的要求，以及介电耐压试验。这些介电性能要 求是保守的，而且 LVCs 具有非常高的介电承受能力。因此，在产品上进行介电耐压 试验可能不会表明与高海拔地区的野外使用有任何显著的相关性。材料选择、所用材 料的孔隙率、设计结构等因素对 LVC 介质耐压性能的影响可能比在较高海拔高度下 较低的空气密度影响下的介电强度降低更为重要。然而，为了解决在较高的高度上对 介质耐压性能的影响，LVC 样品在设计的电路中进行了测试，该电路基于标准等。介 电耐压试验如下： 1.三条线路终端机通过跳线连接在一起。这三个负荷终端也是由跳线连接在一起 的。在线路和负载端子之间施加了 2200 V 的耐压测试电压，并打开了设备的触点。 见图 3A。 2.空气压力逐渐降低，直至达到海拔 6000 m 的气压，即 06000 m 的高度。 3.电路变了。跳投者被移走了。B 相线路终端通过跳线器连接到地球上。A 和 C 相负荷终端通过跳线连接在一起。 该装置的触点是封闭的， 并且在 B 和 C 相线端子之 间施加了 2200 V 的耐压测试电压。见图 3b。 4.空气压力逐渐增大，直到达到 0 米的气压，即海拔从 6000 米上升到 0 米。 每次 LVC 的测试持续时间约为 4 分钟。在整个测试过程中，对高压电源的电流 进行了监测，并设置为 50 mA 的泄漏电流跳闸。 对下列 LVCs 进行了耐压试验： IEC 接触器、NEMA 接触器、IEC 断路器、NEMA 断路器。所有设备都成功地经受住了 2200 V 的攻击，没有在任何高度发生故障。研 究结果表明，在器件的设计上有足够的馀量，因此在较高的高度上，介质耐压性能不 上海工程技术大学毕业设计外文翻译 5 需要去额定值。 4 热载流量热载流量 众所周知，对于露天的汇流排系统，由于较高海拔的空气密度较低，冷却和产生 的热载流量受到不利影响。因此，如表 1 所示，IEEE 标准 27 提供了关于基于海拔高 度的电流降额的指南1。然而，较高海拔处的空气密度越低，对 LVC 的影响就越小， 因为内部组件载流部件与部件模制品接触。S1.1 瞬时冷却是通过成型材料传导热量来 实现的，成型材料反过来将热量分配给安装板。通过将器件置于高度试验箱中，并在 模拟的高度空气压力下进行温升试验， 评估了该器件对 LVCS 热载流量的影响。 然而， 由于真空试验室的厚铝壁可能起到散热器的作用，并影响试验结果，因此试验样品不 是直接安装在试验室上，而是用金属丝悬挂。 因此，空气密度的变化应是影响温度试验结果的唯一变量。以下 LVC 接受温度 测试：IEC 接触器、NEMA 断路器、HRC 保险丝。所有温度测试均在 LVC 的最大额 定电流下进行。温升试验结果如图 4 所示。试验表明，海拔高度对热容有显著影响。 测试还表明，带有热元件的设备，如断路器和保险丝，比没有热元件的设备受到的影 响更大。热元件，如接触器。有趣的是，保险丝受到的影响如此之大，以至于在高空 使用保险丝时，需要解决这一问题。此外，图 4 中绘制的是基于 IEEE 标准 27 的 O m 至 3000 m 的热校正系数，外推 3000 m 至 6000 m。 上海工程技术大学毕业设计外文翻译 6 5 组件性能校准组件性能校准 提供过载电流保护的 LVC 包含用于监测的双金属，共晶或电子元件。当前， 在 这种情况下，空气密度下降更高的海拔可能会对校准产生影响，因为通过加热实际监 测负载电流或 12R 转移，例如，热量的对流和辐射到双金属片。 而且，电子设备通 常包含热量传感元件，例如热敏电阻。 使用这些元素用于监控环境，电路板，复位 时间等，并可能影响低空作业性能密度。 比较不同的校准通过进行过载校准来评估 高度在过载跳闸设置的 300进行测试并监控。 以下 LVC 受到过载校准测试：NEMA 共晶过载继电器，IEC 双金属过载继电器， IEC 电子过载继电器带电流变压器，IEC 电子过载继电器，具有霍尔效应电流监视器。 校准结果性能测试如图 5 所示。测试表明共晶和双金属过载继电器受到影响高海拔地 区的空气密度和电子过载继电器不会受到不利影响。 因此，它会必须使用高度校正 因子与共晶和双金属过载继电器，以避免滋扰跳闸。 研究结果支持使用电子过载继 电器适用于 2000 米以上的应用。 6 工作状况工作状况 触点寿命是电机接触器应用要求的一部分。操作类型影响给定应用的接触器的选 择和尺寸，例如，正常启动和停止操作的次数（AC3），微动和插入占空比的百分比 上海工程技术大学毕业设计外文翻译 7 （AC4）等3。制造商提供接触器寿命曲线和公式，以帮助应用工程师为应用选择合 适尺寸的接触器。但是，如果高海拔地区的接触生活发生重大变化，应用工程师必须 解决这一变化。选择具有众所周知的接触寿命的接触器用于该测试。拆开接触器样品 并仔细称重每个触点。然后重新组装接触器并在各个高度进行接触寿命性能测试。在 测试结束时重新称重接触。使用该数据，评估高度对接触寿命性能的影响。 NEMA 接触器进行接触寿命测试。 接触寿命测试结果的一个例子如图 6 所示。 研究结果表明，高海拔地区较低的空气密度对接触寿命没有显着影响。 相反，调查 结果表明，在更高的海拔高度，接触寿命略有改善。 因此，没有必要改变用于选择 和选择海拔高达 6000 米的接触器的接触寿命标准。 7 超载中断性能分析超载中断性能分析 具有有限中断容量的开关设备，例如作为接触器和断开器，可能需要中断电流为 其额定值的十到二十倍，例如锁定转子电流，浪涌电流等。这种中断能力是不是正常 的工作要求，而是一项要求过载情况。 因此，中断是至关重要的随着海拔的增加， 不应减少容量。具有良好记录的中断能力的接触器是选择进行此测试。每个测试的起 始测试电流比海平面接触器的已知最大中断电流小 50A. 可以理解的是，中断性能水 平存在一些差异，因此，在每个当前级别进行了五次测试。 如果设备通过，则电流 水平增加 50A，并且重复测试系列直到确定最大中断水平。 保持测试条件不变，尽 可能将测试作为开场（0 次拍摄）进行。因此，在这些测试中，外部密闭接触器是用 于消除对测试样品中断性能的任何影响。 IEC 接触器受到接触器过载的影响中断测试。 中断的结果性能测试如图 7 所示。 调查结果表明在更高的海拔高度，接触器中断得到改善。接触器可以成功的电流量中 上海工程技术大学毕业设计外文翻译 8 断， 随着海拔的升高而增加。因此， 不需要中断接触器的额定值将在海拔高度达 6000 米时降级。 8 短路中断性能分析短路中断性能分析 作为测试程序的一部分， HRC 保险丝和反向保险丝时间限流断路器进行了测试 短路情况。 由于有保证这些设备的短路中断能力，决定保持短路测试条件不变。 然 后监测峰值允通电流（I，）允许通过能量（12t）和中断时间，确定是否有任何重大 变化空气密度的变化。 测试是在开放时进行的（仅限 0 次），以保持测试条件更多 不变。 测试站的制作开关用于启动 短路电流。 由于测试 saomples 是最新的限制装置，A 相的试验闭合角为 70选 择因为该角度与电流限制一致保险丝测试标准13。经验表明，这种闭合角度是电流 中断的一个困难案例限制断路器。 以下 LVC 发生短路中断测试：IEC 断路器，NEMA 断路器，HRC 保险丝。短 路中断测试是在 LVC 的额定短路电流和 1 电压。 中断性能的发现示例测试结果如图 8 至图 10 所示表明所有 LVC 似乎都有足够的保证金设备的设计使他们能够打断他们的 高海拔额定中断电流。然而 调查结果还表明，虽然峰值电流仍然存在相当稳定，清理时间更长，在某些情况 下在这种情况下， let-thru 值会在更高的海拔高度上增加。 保险丝似乎受到的影响更大， 特别是在更高的故障电流下，比这个趋势的断路器。在一个组合起动器可能会对组件 造成更大的损坏影响 1 类或 2 类协调分类3。 进一步对组合启动器进行短路测试研究 应考虑这种影响。 上海工程技术大学毕业设计外文翻译 9 9 总结总结 综上所述，该实验是一个事实发现过程，以确定是否有任何高海拔地区的性能发 生重大变化（3000 米至 6000 米）用于 LVC。 如果发生了重大变化确定后，就未来 提出了建议行动，例如，进一步的测试，测试类型，增加采样，等等。 根据该实验确定的内容如下： 1.介电耐压性能不明显，在较高的高度受影响，进一步的调查是无正当论据。在 较高的高度上，介电耐压性能没有受到明显的影响，因此不需要进一步的研究。 上海工程技术大学毕业设计外文翻译 10 2.具有热元素的 LVCs 在较高的海拔高度上的热 AMPAT 性能受到影响， 对熔断器 有显著的影响。应对此类热元件 LVCs 进行进一步的测试和取样，即热磁路断路器、 熔断器、热型过载继电器。对于没有热元件的元件，没有必要作进一步的研究，即接 触器、断开管、开关。 3.在具有热元件的器件上，校准性能在较高的高度上受到影响，而对采用电子过 流传感的 LVCs 则没有影响。应对热元件 LVCs 进行进一步的测试和取样，即热磁路 断路器、熔断器、热型过载继电器。对于无热元件的 LVCs，尚不需要进一步的研究， 这些器件应考虑在高空应用，如电子型过载继电器、电子跳闸单元断路器等。 4.在较高的海拔高度，接触寿命没有降低，也没有必要进行进一步的研究。 5.在较高的高度上，接触器过载中断性能得到改善，不需要进一步的研究。 6.在较高的海拔高度，短路中断性能受到影响，对引信的影响更为显著。应进一 步进行测试和取样，并应包括组合起动机单元，以确定对第 1 和第 2 类协调分类的影 响。 最后，在今后的测试方案中还应考虑其他附加部件，例如控制电路变压器、软起 动固态启动器、变频驱动器。 鸣谢 这项工程进行了大量工作。进行了 1000 多项试验，并得到了其他人的无数咨询 和协助。 作者要感谢那些帮助和提供了宝贵的援助， 在整个方案， 但特别感谢亨利 查 卡科夫斯基，加里布吕斯基和埃玛贾马雷丁。 上海工程技术大学毕业设计外文翻译 11 参考文献 l ANSI C3.20-1969AEEE Std. 27-1969, “IEEE Standard for Switchgear Assemblies Including “Metal-Enclosed Bus”, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 1969, New York, NY, 10017. 2 NEMA ICs 1-1993, “Industrial Control and Systems, General Requirements”, National Electrical Manufacturers Association, Washington, DC 20037. 3 CEIAEC 60947-1 through -5, “Low-Voltage Switchgear and Controlgear”, International Electrotechnical Commission, 1990-1 999, Geneva, Switzerland. 4 NEMA ICs 2-1993, “Industrial Control and Systems Controllers, Contactors and Overload Relays Rated Not More Than 2000 Volts AC or 750 Volts DC”, National Electrical Manufacturers Association, Washington, DC 20037. 5ANSUUL 98, “Standard for Enclosed and Dead-Front Switches”, Underwriters Laboratories Inc., 12th ed., April 27, 1994, Northbrook, IL 60062. 6 UL 489, “Standard for Molded-Case Circuit Breakers, and Circuit-Breaker Enclosures”, Underwriters Laboratories Inc., 9th ed, October 3 1, 1996, Northbrook, IL 60062. 7 UL 508, “Standard for Industrial Control Equipment”, Underwriters Laboratories Inc., 17th ed., January 28, 1999, Northbrook, IL