IEEE标准气体绝缘开关柜的主要要求(一)

摘要：随着我国开关设备技术水平、制造能力的快速提升，国内中压开关设备的供给已经明显供大于求，越来越多的制造厂开始积极探索国外市场，中压开关设备的国标基本等同采用 IEC 标准，因此国产中压开关设备应用到国外 IEC 市场相对比较容易，但对于北美等市场采用的是 IEEE 标准，标准的要求和国内的产品还是有些差异的。本文主要对 IEEE 标准的气体绝缘开关柜的要求，以及与国内产品的差异进行解读，以帮助国内厂家了解北美气体绝缘开关柜的要求。     

1. 0.      引言 ，    

IEEE 标准是美国电气和电子工程师学会制定的标准，以确保电气设备的正确运行和互操作性，促进不同设备之间的互联性，提高设备的可靠性和安全性，在北美等地区广泛使用。据统计，全球采用 IEC 标准的国家占 78% ，采用 IEEE 标准的国家占 8% ，采用 GOST （俄罗斯标准）标准的国家占 9% 。采用中国 GB 标准的国家占 1% ，其余 4% 的国家是多种标准混合采用。 IEEE 标准通常包括两种类型：推荐标准（ Recommended Practice ）和标准（ Standard ）。推荐标准是建议性的技术指南，而标准则是必须遵循的规范。  

IEEE 标准开关设备的标准系列主要有如下标准：  

a). IEEE StdC37.20.2 ^TM 金属铠装开关设备标准；  

b). IEEE StdC37.20.3 ^TM 金属封闭开断设备开关柜标准 (1 kV~38 kV) ；  

c). IEEE StdC37.20.4 ^TM 金属封闭户内开关柜中使用的交流开关 (1kV~38kV) ；  

d). IEEE StdC37.20.6 ^TM . 4.76 kV 到 38 kV 金属封闭开关柜接地和测试装置；  

e). IEEE StdC37.20.7 ^TM . 金属封闭开关柜内部电弧测试；  

f). IEEE StdC37.20.1 ^TM 金属封闭低压 (1000 Vac 及以下 , 3200 Vdc 及以下 ) 电力断路器开关柜；  

g). IEEE StdC37.20.9 ^TM 气体绝缘系统金属封闭开关柜（ 1 kV~52 kV ）；  

h. IEEE Std C37.23 ^TM 金属封闭母线；  

i). IEEE std C37.04 交流高压断路器标准额定结构。  

其中 IEEE StdC37.20.9 ^TM 标准定义了交流电压 1kV 到 52kV 高于环境压力的气体作为绝缘介质的金属封闭开关设备（英文简称 MEGIS ）的设计、试验以及安装。包括但不限于断路器、开关、套管、母线、计量互感器、电缆端头、仪表和控制保护继电器。开关柜的垂直单元、一些或所有的中压隔室采用充有压力的气体作为主绝缘介质，标准适用于室内和室外安装。  

一直以来，美国市场的主流开关柜是空气绝缘金属铠装开关柜，环网配电采用美式箱变，负荷开关和高压熔断器等高压元件与变压器铁芯、绕组放置在充满高燃点油的油箱内部，或是采用空气绝缘负荷开关。因此，气体绝缘开关设备的使用较晚。随着 ABB 、施耐德等欧洲厂家生产的气体绝缘开关柜引进到美国，客户开始接受并使用气体绝缘开关柜，因此气体绝缘开关柜的 IEEE 标准制定较晚， 2019 年才正式发布，基本上是参照 IEC 标准编制的，只是对于参数、结构、试验等按照 IEEE C37.20.2 等标准进行了修改，以满足 IEEE 标准对于产品安全方面的要求。  

1. 1.    使用环境条件      

a ）使用温度：最高 40 ^O C ， 24 小时平均温度不超过 35 ^O C ；最低 -5 ^O C 。  

b ）海拔高度：不超过 3300 英尺（ 1000 米）。  

c ）防护等级：室内 NEMA250 1 类（ IP20 ），户外 3R 类 (IP24) 。  

按照 GB/T11022 标准，户内开关柜的最低气温等级有 -5 ^O C 、 -15 ^O C 、 -25 ^O C 三种， IEEE C37.20.9 气体绝缘开关柜的标准规定的最低温度高于 IEEE C37.20.2 空气绝缘开关柜标准规定的最低使用温度 -30 ^O C 。因此对于满足我国标准的气体绝缘开关柜在环境上是完全可以满足的。    

1. 1.    参数等级      

2. 2.1 额定电压和绝缘电压    

IEEE C37.20.9 标准中有关额定电压、额定工频耐受电压、额定冲击耐受电压的规定，如表 1 所示。  

表 1   IEEE C37.20.9 气体绝缘开关柜的绝缘电压

北美标准的开关设备电压不同于我国的标准，因此，气体绝缘开关柜需要满足 IEEE 标准规定的额定工频耐受电压和额定冲击耐受电压的要求，如国内的 12kV 气体绝缘开关柜仅能满足美标 4.76kV 电压等级的耐压要求， 24kV 气体绝缘开关柜可以满足 27kV 及以下电压等级的绝缘要求 。 IEEE 386 ： 2016 是额定 2.5 千伏至 35 千伏配电系统用可分离绝缘连接器标准 , 即美式肘型插头标准，常用于美式箱变，电缆分支箱等美标设备中，而国内气体绝缘开关柜更多使用的是 EN50181 标准的电缆套管及插头。 IEEE 气体绝缘开关柜标准针对于不同电缆连接附件规定了耐压要求。

2.2 额定电流  

IEEE 气体绝缘开关柜（ MEGIS ）主母线额定连续电流推荐值有 200A 、 600A 、 1200A 、 2000A 、 2500A 、 3000A 和 4000A ，和国内的 630 A 、 1250A 、 3150A 有所不同。  

1. 2.3 额定频率    

IEEE 的额定频率 60Hz ，与国内额定频率 50Hz 不同。 60Hz 频率对于温升、短路开断电流等影响比较大，按照 GB/T11022 标准对于额定频率为 50Hz 和 60Hz 且载流部件附近没有铁磁元件的开关设备和控制设备，在 50Hz 下进行连续电流试验时，如果实测的温升值不超过最大允许值的 95% ，则应认为涵盖了两个频率，即满足 60Hz 温升的要求。对于气体绝缘开关柜因散热困难，温升裕度比较小，因此需要改进设计以满足 60Hz 要求。对于国内通过 1.1 倍额定电流温升试验的产品，可以满足 60Hz 要求。  

1. 2.4 温升要求    

IEEE 气体绝缘开关柜温升限值如表 2 所示，与 IEC62271-1 、 GB/T11022 标准对比，镀银触头及连接、标准连接器等的最大温升限值要低 10k ，因此国产气体绝缘开关柜需要改进传导、对流、辐射等设计以满足 IEEE 标准要求。  

表 2   IEEE C37.20.9 标准与 IEC/GB 标准温升限值对比

2.5 额定短时耐受电流和额定峰值耐受电流

IEEE 气体绝缘开关柜的推荐短时耐受电流值如表 3 所示，不同于国内短时持续时间是 3 s 或 4s ， IEEE 标准定义的短路持续时间是 2s 。由于 IEEE 标准是 60Hz ，因此不同于 50Hz ，额定峰值耐受电流是额定短时耐受电流的 2.6 倍，如额定短时耐受电流 31.5kA 对应的额定峰值耐受电流是 82kA ，比国内 80kA 稍高，对于触头等需要提高压力以承受峰值短路电流产生的电动力。  

表 3   IEEE 气体绝缘开关柜的推荐短时耐受电流值