1、教教 学学 内内 容容第第7章章 高压电器概述高压电器概述 第第8章章 电力系统短路故障的关合与开断电力系统短路故障的关合与开断 第第9章章 高压断路器高压断路器第第10章章 六氟化硫断路器和全封闭组合电器六氟化硫断路器和全封闭组合电器 第第11章章 真空断路器真空断路器第第12章章 其他高压电器其他高压电器第第13章章 高压开关设备试验高压开关设备试验本章讨论：本章讨论：什么是高压电器？什么是高压电器？高压电器的作用和特点？电力高压电器的作用和特点？电力系统对高压电器有要求和高压电器的工作条件？高压系统对高压电器有要求和高压电器的工作条件？高压电器的工作环境？高压电器的分类？高压电器的基本电
2、器的工作环境？高压电器的分类？高压电器的基本技术参数？高压电器设备的发展？技术参数？高压电器设备的发展？第第7 7章章 高压电器概述高压电器概述一、高压电器一、高压电器 是指是指运行于电运行于电压压 及以上，及以上，频率频率 或或 及以下及以下的电力系统中，的电力系统中，起控制、保护、安全隔离和测量作用起控制、保护、安全隔离和测量作用的电器。的电器。二、高压电器的作用：二、高压电器的作用：根据电力系统安全、可靠和经济运行的需要，根据电力系统安全、可靠和经济运行的需要，开断和关合正常线路和故障线路，开断和关合正常线路和故障线路，隔离高压电源，隔离高压电源，起控制（起控制（使电力线路、使电力线路、
3、设备投入或退出运行设备投入或退出运行）、保护（）、保护（切除故障线路或设备，切除故障线路或设备，建立可靠的绝缘断口，建立可靠的绝缘断口，将停运的电力线路或设备可靠接地将停运的电力线路或设备可靠接地）和安全隔离的作用。和安全隔离的作用。三、高压电器的特点：三、高压电器的特点：可靠性高；可靠性高；能承受很大的瞬时功率；能承受很大的瞬时功率；动作时间快。动作时间快。第第7 7章章 高压电器概述高压电器概述 四、设计高压电器时，应全面考虑自然工作环境的影响，四、设计高压电器时，应全面考虑自然工作环境的影响，包括周围空气温度，海拔，包括周围空气温度，海拔，湿度湿度，地震，污秽，风力等。，地震，污秽，风力
4、等。五、高压电器的分类：五、高压电器的分类：分类一：按分类一：按额定电压高低的不同，可细分为中压级（额定电压高低的不同，可细分为中压级（及以下及以下者）、高压级（者）、高压级（、）、超高压级（、）、超高压级（）和特高压级（）和特高压级（及以上者）四类电器。及以上者）四类电器。分类二：分类二：按用途和功能的不同，分为高压开关电器（按用途和功能的不同，分为高压开关电器（）、高压限制电器、高压保护）、高压限制电器、高压保护电器、高压变换电器、高压成套电器与组合电器五大类电器、高压变换电器、高压成套电器与组合电器五大类。第第7 7章章 高压电器概述高压电器概述）真空断路器真空断路器）断路器断路器）隔离
5、开关隔离开关）负荷开关负荷开关）高压真空接触器高压真空接触器.高压开关电器高压开关电器由导电回路、可分触头、灭弧装置、绝缘部件、底座、传动机构、操动机构等组成。图图 典型高压开关电器的结构典型高压开关电器的结构合分单元合分单元绝缘支撑单元绝缘支撑单元传动单元传动单元基座基座操动机构操动机构.高压开关电器高压开关电器.高压开关电器高压开关电器（1）高压开关电器高压开关电器按功能和作用不同，可分为：元件及其组合：包括高压断路器高压断路器（高压断路器又称高压开关，是能接通、分断承载线路正常电流，也能在规定的异常电路条件下（如短路）和一定时间内接通、分断承载电流的机械式开关电器）、高压隔离开关、高压接
6、地开关、重合器、分断器、高压负荷开关、高压高压隔离开关、高压接地开关、重合器、分断器、高压负荷开关、高压接触器、高压熔断器接触器、高压熔断器以及上述元件组合而成的高压负荷开关高压负荷开关 高压熔断高压熔断器组合电器器组合电器、高压接触器高压接触器 高压熔断器（高压熔断器（）组合电器）组合电器，隔离负荷隔离负荷开关开关、熔断器式开关熔断器式开关、敞开式组合电器敞开式组合电器等。.高压开关电器高压开关电器（1）高压开关电器高压开关电器按功能和作用不同，可分为：成套设备：将上述元件及其组合与其他电器产品（如变压器、电流互感器、电压互感器、电容器、电抗器、避雷器、母线、进出线套管、电缆终端和二次元件等
7、）进行合理配置，有机地组合在金属封闭外壳内，具有相对完整使用功能的产品。如金属封闭开关设备（开关柜）金属封闭开关设备（开关柜）、气体绝缘金属封闭开关设备（）气体绝缘金属封闭开关设备（）和高低压预装式变电站高低压预装式变电站等。（2）高压开关电器高压开关电器按电路控制器件不同，有利用触头来合分电路的机利用触头来合分电路的机械开关电器械开关电器和利用半导体可控导电性来关合电路的半导体开关电器利用半导体可控导电性来关合电路的半导体开关电器。2.2.高压限制电器高压限制电器（174-175174-175）主要有电抗器、电阻器、电力电容器、避雷器电抗器、电阻器、电力电容器、避雷器。3.3.高压保护电器高
8、压保护电器主要有高压熔断器、高压避雷器，以及负荷开关高压熔断器、高压避雷器，以及负荷开关 熔断器熔断器组合电器、接触器组合电器、接触器 熔断器（熔断器（）组合电器、隔离负）组合电器、隔离负荷开关、熔断器式开关荷开关、熔断器式开关等。4.4.高压变换电器高压变换电器 又称高压互感器，包括高压电压互感器和高压电流互感器两大类。用来把电路中的大电量信号按比例变换成小信号，并将相关电量信息传递给测量仪器、仪表和控制装置，以便提供测量和继电保护所需信号。5.5.高压开关设备高压开关设备包括空气绝缘敞开式高压开关设备（）空气绝缘敞开式高压开关设备（）、气体绝缘金属封闭式高压开关设备（，气体绝缘金属封闭式高
9、压开关设备（，全封闭组合电器）全封闭组合电器）及混合技术高压开关混合技术高压开关设备（，指利用敞开式开关设备组合及设备（，指利用敞开式开关设备组合及气体绝缘金属封闭开关设备组合而成的高压开气体绝缘金属封闭开关设备组合而成的高压开关设备）关设备）。由高压开关与控制、测量、保护、调节装置以及辅件、外壳和支持件等部件及其电气和机械连接组成的设备，总称为高压开关设备。1）电压电压高压电器的基本技术参数高压电器的基本技术参数标称值标称值是标识一个元件、器件或设备的合适的近似量值。是标识一个元件、器件或设备的合适的近似量值。标称电压是系统被指定的电压。标称电压是系统被指定的电压。额定值额定值是由制造厂对一
10、个元件、器件或设备在规定工作条件下所规定是由制造厂对一个元件、器件或设备在规定工作条件下所规定的一个量值。的一个量值。2、电流电流高压电器的基本技术参数高压电器的基本技术参数3、时间、时间高压电器的基本技术参数高压电器的基本技术参数4、压力（密度）、压力（密度）高压电器的基本技术参数高压电器的基本技术参数高压电器设备的发展高压电器设备的发展我国第一座我国第一座750kV750kV高压变电站高压变电站-750kV官亭变电站是目前海拔最高的特高压变电站,对打通我国“西电东送”北通道发挥了重要作用。第第8 8章章 电力系统短路故障的关合与开断电力系统短路故障的关合与开断8-1 综综 述述一、短路故障
11、关合与开断电路时电弧的燃烧与熄灭一、短路故障关合与开断电路时电弧的燃烧与熄灭1.断路器关合和开断断路器关合和开断电力系统电力系统某些元件某些元件时，都会出现时，都会出现电弧电弧。关合与开断。关合与开断的电流愈大，电弧愈强烈，工作条件也愈严重，尤以的电流愈大，电弧愈强烈，工作条件也愈严重，尤以开断开断为甚。为甚。2.介质强度介质强度ujf（指触头间能承受的电压值指触头间能承受的电压值）和恢复电压）和恢复电压uhf（电流过零电流过零后在断口两端出现的外加电压后在断口两端出现的外加电压）是影响电力系统开断的两个重要因素，其）是影响电力系统开断的两个重要因素，其恢恢复过程复过程分别用分别用ujf（t）
12、和和uhf（t）表示，表示，如图如图8-1所示。所示。当当恢复电压的上升速度比介质强度的增长快恢复电压的上升速度比介质强度的增长快时，时，ujf（t）和）和uhf（t）两曲线将两曲线将相交相交（a图图），），电弧会重燃电弧会重燃，电流继续以电弧形式通过断口，电路，电流继续以电弧形式通过断口，电路不能开断。不能开断。当当介质强度的增长比恢复电压的上升快介质强度的增长比恢复电压的上升快时，时，ujf（t）和）和uhf（t）两曲）两曲线将线将不会相交不会相交（b图图），电弧不再重燃，电路即被开断。），电弧不再重燃，电路即被开断。二、高压断路器关合与开断不同负载时的过电压二、高压断路器关合与开断不同负
13、载时的过电压在在开断小电感电流开断小电感电流（如（如空载变压器空载变压器、电抗器电抗器或或电动机电动机）、）、电电容性电流容性电流（如（如空载长线空载长线或或电容器组）电容器组）以及以及关合电容性电流关合电容性电流时，时，高压高压断路器常产生断路器常产生过电压过电压（危及包括断路器本身在内的电力系（危及包括断路器本身在内的电力系统中的各种电气设备）。为此，必须对各种统中的各种电气设备）。为此，必须对各种时，时，电力系统中电压和电流的过渡过程进行研究。电力系统中电压和电流的过渡过程进行研究。讨论可讨论可先从单相回路先从单相回路着手，阐明物理过程，然后再分析三相着手，阐明物理过程，然后再分析三相问
14、题。问题。一、电力系统短路一、电力系统短路1.1.定义定义：是指：是指电力系统中一相或多相导体电力系统中一相或多相导体接地接地或或互相互相短接短接而而将负载阻抗短接掉将负载阻抗短接掉。2.2.形式形式：单相接地短路单相接地短路、两相接地短路两相接地短路、两相不接地两相不接地短路短路、三相接地短路三相接地短路、三相不接地短路三相不接地短路和和断路器异侧两相断路器异侧两相接地短路接地短路。理想的短路前提是。理想的短路前提是三相负载相等三相负载相等。3.3.类型类型；（1 1）正常关合正常关合：指关合前线路或电气设备不存在绝缘：指关合前线路或电气设备不存在绝缘故障；故障；8-2 8-2 短路故障的关
15、合短路故障的关合（2 2）短路故障的关合短路故障的关合：指关合前线路或电气设备已：指关合前线路或电气设备已存在绝缘故障，甚至处于短路状态的情况。存在绝缘故障，甚至处于短路状态的情况。因短路故障关合因短路故障关合问题最严重，问题最严重，因此，只讨论因此，只讨论短路故障短路故障的的关合关合。出现短路故障关合的四种前提：出现短路故障关合的四种前提：存在未被发现的预伏故障；存在未被发现的预伏故障；试探性自动重合闸；试探性自动重合闸；人为的接地短路；人为的接地短路；误操作。误操作。二、二、短路电流短路电流 参看图参看图8-2（a）。设电源电压）。设电源电压e=Emsin（ta），），a为电源电压的初相角
16、，忽略电源阻抗，可得图为电源电压的初相角，忽略电源阻抗，可得图8-2（b）所示的计算短路关合电流的等值线路图，图中，所示的计算短路关合电流的等值线路图，图中，L、R分分别为包括变压器和输电线回路的电感和电阻。别为包括变压器和输电线回路的电感和电阻。1 1、短路电流短路电流 i id d的表达式：的表达式：如如t=0t=0时关合，则短路电流时关合，则短路电流i id d通过解微分方程，为：通过解微分方程，为：式中，第式中，第1 1项为项为稳态短路电流稳态短路电流 i iz z，也称，也称短路电流周期分量短路电流周期分量；第；第2 2项，是项，是按指数规律衰减的非周期暂态电流，也称为短路电流的非周
17、期分量，用按指数规律衰减的非周期暂态电流，也称为短路电流的非周期分量，用 i if f表示，其衰减快慢由回路时间常数表示，其衰减快慢由回路时间常数T T决定。决定。2.2.短路冲击电流：短路冲击电流：当正弦电压过零（即当正弦电压过零（即 =0=0）时合闸，时合闸，将出现的将出现的短路电流最大值短路电流最大值I Ichch 。由于由于非周期分量非周期分量的存在，的存在，短路电流的最大值短路电流的最大值 I Ich ch 一般在短一般在短路发生后的半个周期（即路发生后的半个周期（即 t=/=0.01s）时出现。时出现。I Ichch可由下式求出：可由下式求出：高压电器标准规定：高压电器标准规定：短
18、路冲击电流短路冲击电流Ich一般为一般为短路电流周期分短路电流周期分量幅值量幅值的的1.8倍倍，为，为短路电流周期分量有效值的短路电流周期分量有效值的2.55倍倍。（试证？）。（试证？）Ith=Ib 式中，式中，Ith：额定热稳定电流（：额定热稳定电流（It）；）；Ib：额定短路：额定短路电流（电流（INK）。）。Idm=Icm 式中，式中，Idm：短路冲击电流（：短路冲击电流（Ich）；）；Icm：额定短路：额定短路电流（电流（ING）3.各电流额定值之间的相互关系：各电流额定值之间的相互关系：一、恢复电压一、恢复电压 1、图、图8-3（a）：开断：开断中性点直接接地发电机电路中性点直接接地
19、发电机电路中的母线单相接地故障。中的母线单相接地故障。2、图、图8-3（b）：其等）：其等值线路图。图中，值线路图。图中，L、R分分别为发电机的电感和电阻，别为发电机的电感和电阻，C为发电机的对地电容。为发电机的对地电容。8-3 8-3 单相短路故障的开断单相短路故障的开断图图 开断中性点直接接地开断中性点直接接地发电机电路中的母线单相短路故发电机电路中的母线单相短路故障障 设触头分离瞬间，短路电流的非周期分量已衰减完，即不设触头分离瞬间，短路电流的非周期分量已衰减完，即不考虑短路电流的非周期分量；忽略电弧压降考虑短路电流的非周期分量；忽略电弧压降u uh h。由三要素法，经简化计算，可得断口
20、的恢复电压由三要素法，经简化计算，可得断口的恢复电压hfhf为：为：8-3 8-3 单相短路故障的开断单相短路故障的开断二、二、恢复电压的上升速度恢复电压的上升速度（duduhfhf/dtdt）p p用用高频振荡第一个半周内的恢复电压平均升速高频振荡第一个半周内的恢复电压平均升速表示。表示。不考虑振荡衰减（假设无衰减）时：不考虑振荡衰减（假设无衰减）时：其中，其中，Km是恢复电压的振幅系数，取是恢复电压的振幅系数，取1.41.5。式中，式中，f0：固有振荡频率；：固有振荡频率；Ugh：工频恢复电压。：工频恢复电压。考虑衰减：考虑衰减：恢复电压上升速度：恢复电压上升速度：是是从原点至幅值点从原点
21、至幅值点U Ughmghm所作的所作的直线直线，如如图图8-48-4的的直线直线1 1；tm称称为为 峰值时间峰值时间。最大平均速度：是最大平均速度：是从原点作恢复电压曲线的切线从原点作恢复电压曲线的切线，如，如图图8-48-4的的直线直线2 2。按此速度。按此速度上升，恢复电压最大值的对应时间为上升，恢复电压最大值的对应时间为t t3 3，称为，称为 峰值参考时间。峰值参考时间。图图 瞬态恢复电压的波形瞬态恢复电压的波形 考虑到在短路故障时功率因数一般很低，考虑到在短路故障时功率因数一般很低，cos0.15，sin1，得，得E0=Em，即将，即将工频恢复电压工频恢复电压取为取为电源相电压的幅
22、值，电源相电压的幅值，实际取实际取系统最大工作电压系统最大工作电压等于等于额定电压的额定电压的1.15倍倍。用用系统额定电压系统额定电压Ue（三相线电压三相线电压）表示的）表示的瞬态恢复电压最大值瞬态恢复电压最大值Ughm和和恢复电压的平均上升速度恢复电压的平均上升速度的计算公式分别为：的计算公式分别为：式中，式中，Km是是恢复电压的振幅系数。恢复电压的振幅系数。二、开断电流二、开断电流 指触头分离瞬间，流过断路器断口的电流指触头分离瞬间，流过断路器断口的电流。根据根据继电保护整定值的快慢继电保护整定值的快慢和和断路器动作断路器动作的的快慢快慢不同，触头不同，触头的分离可以出现在非周期分量尚未
23、全部衰减完时，也可以出现在的分离可以出现在非周期分量尚未全部衰减完时，也可以出现在非周期分量已全部衰减完后非周期分量已全部衰减完后。表示方法：表示方法：触头分离瞬间短路电流周期分量的有效值触头分离瞬间短路电流周期分量的有效值 Iz=Izm/2；非周期分量的相对值非周期分量的相对值 If/Izm。思考：思考：为什么在高压开关试验条件中要为什么在高压开关试验条件中要规定规定开断电流的非周期分量平均开断电流的非周期分量平均值值或或直流分量不能大于周期分量最大值或交流分量峰值的直流分量不能大于周期分量最大值或交流分量峰值的2020？三、三、降低过电压的措施降低过电压的措施并联电阻并联电阻 1 1、在为
24、、在为限制操作过电压限制操作过电压而而并联在断路器断口上的电阻并联在断路器断口上的电阻中，中，将将几欧到几十欧几欧到几十欧的称为的称为低值并联电阻低值并联电阻；将；将几百到几千欧几百到几千欧的并联的并联电阻称为电阻称为中值并联电阻中值并联电阻；将几万欧及以上的并联电阻称为；将几万欧及以上的并联电阻称为高值高值并联电阻并联电阻，它通常是为断路器每根有多个断口时均压设计的。，它通常是为断路器每根有多个断口时均压设计的。2 2、在断路器断口两端、在断路器断口两端并联并联低值并联电阻低值并联电阻，可以可以限制短路限制短路电流、降低工频恢复电压和振幅系数、减慢恢复电压上升速度电流、降低工频恢复电压和振幅
25、系数、减慢恢复电压上升速度。3、图图8-5是采用并联电阻的断路器是采用并联电阻的断路器开断发电机母线单相接地开断发电机母线单相接地故障时的电路图故障时的电路图。设高压断路器有。设高压断路器有主断口主断口QF1和和辅助断口辅助断口QF2，并联电阻并联电阻Rb并联在主断口并联在主断口QFl上。上。当断路器开断电路时，主断口先打开，把并联电阻接入；当当断路器开断电路时，主断口先打开，把并联电阻接入；当主断口间的电弧熄灭后，再打开辅助断口主断口间的电弧熄灭后，再打开辅助断口QF2，开断流经并联电，开断流经并联电阻的电流，使电路完全开断。阻的电流，使电路完全开断。采用采用并联电阻并联电阻阻尼阻尼振荡振荡
26、后，后，恢复电压最大值恢复电压最大值将将不会超过不会超过工频恢复电压工频恢复电压U Ughgh。并联电阻并联电阻R Rb b愈小愈小，恢复电压的上升速度就愈低，主断口开断恢复电压的上升速度就愈低，主断口开断将比较轻松将比较轻松。恢复电压最大上升速度恢复电压最大上升速度出现在出现在t=0t=0时，该值为：时，该值为：思考：为什么说思考：为什么说“辅助断口的开断条件远比主断口轻松辅助断口的开断条件远比主断口轻松”？8-4 8-4 三相短路故障的开断三相短路故障的开断三相短路故障的开断与三相短路故障的开断与系统接地方式系统接地方式和和短路性质短路性质有关。有关。一、三相一、三相不接地不接地短路故障的
27、开断短路故障的开断图图8-68-6为开断三相不接地短路故障的等值线路图。电源中性点一般为开断三相不接地短路故障的等值线路图。电源中性点一般不接地（也可以接地，如图中虚线所示）。电源相电压的幅值为不接地（也可以接地，如图中虚线所示）。电源相电压的幅值为E Em m。考虑到通常相间电容考虑到通常相间电容C C很小，很小，略去短路电流的电容分量略去短路电流的电容分量，则，则短路电短路电流的稳态值流的稳态值将为：将为：1.首开相的短路电流首开相的短路电流由于三相交流电流过零时刻有先后由于三相交流电流过零时刻有先后，因此，因此，断路器在开断三相短路故障断路器在开断三相短路故障时时各相熄弧也有先后各相熄弧
28、也有先后。先分析。先分析t=0时，首开相时，首开相A相的电弧电流首先过零的的情况。相的电弧电流首先过零的的情况。A相需开断的相需开断的短路电流有效值短路电流有效值为：为：A相中的相中的AA电流过零电弧熄灭后，电流过零电弧熄灭后，图图8-6的等值电路将转化为的等值电路将转化为图图8-8的形式。的形式。此时，此时，A相断口上的恢复电压可由根据相断口上的恢复电压可由根据等值电源定理等值电源定理简化的简化的等值电路等值电路（图图8-9）求得。求得。图图8-88-8中，中，等值电势等值电势E Ed d的大小，等于等值电容的大小，等于等值电容C Cd d拿开后用电压拿开后用电压表在断口间量得的电压值表在断
29、口间量得的电压值U UADAD。由于。由于A A相熄弧后相熄弧后AAAA间无电流流间无电流流过，所以过，所以U UADAD也就是也就是U UADAD。考虑到图。考虑到图8-88-8中接在电源中接在电源 两点间的两点间的负载是对称的，所以点电位就是负载是对称的，所以点电位就是的中点，如图的中点，如图8-108-10所示。所示。A A相断口的瞬态恢复电压相断口的瞬态恢复电压为为：结论：结论：开断三相短路故障开断三相短路故障时，时，首开相的工频恢复电压为电源首开相的工频恢复电压为电源相电压幅值的相电压幅值的1.51.5倍倍，该值比开断单相短路时高。该值比开断单相短路时高。由于短路故障时，由于短路故障
30、时，因此有：因此有：.我们常用我们常用表示首开相系数，表示首开相系数，其大小等于首开相工频恢其大小等于首开相工频恢复电压和电源相电压幅值之比，即复电压和电源相电压幅值之比，即 。3.3.BCBC两相短路两相短路的的开断开断：当当t=0，sinwt=0时，时，A相电流过零熄灭时相电流过零熄灭时，B、C两相间的两相间的线电压线电压eBC为为零零，流过，流过B相和相和C相的电相的电流各达其幅值流各达其幅值 。所以，在所以，在短路短路由三由三相转化为相转化为两相两相后，后，短路短路电流的幅值电流的幅值将下降为将下降为三三相短路相短路时的时的 倍。倍。倍倍A相电流过零开断后，经过相电流过零开断后，经过0
31、.005s，流经，流经B相和相和C相断口的电流相断口的电流将同时过零点而熄灭。将同时过零点而熄灭。设电弧熄灭后加在设电弧熄灭后加在B、C两相串联断口上的恢复电压均匀分配，两相串联断口上的恢复电压均匀分配，则则两相断口两相断口上上工频恢复电压工频恢复电压分别为：分别为：二、二、三相接地三相接地短路故障的短路故障的开断开断：与与“一一”内容不同的是用内容不同的是用“对称分量法对称分量法”（已知（已知I IA A、U UB B、U UC C，可求出，可求出U UA A、I IB B、I IC C）求工频恢复电压。请自行分析。）求工频恢复电压。请自行分析。8-5 8-5 电力系统的电力系统的瞬态恢复电
32、压瞬态恢复电压特性特性单相和三相短路故障开断单相和三相短路故障开断中，中，瞬态恢复电压瞬态恢复电压都是都是单频（工频）单频（工频）特特性性。当。当回路结构发生变化回路结构发生变化时，电力系统的时，电力系统的恢复电压恢复电压也也可以是双频可以是双频、三三频频甚至甚至更高频率更高频率。一、一、双频双频电路电路图图 （a a）中开断中性点接地的发电机输电线路在电抗器后）中开断中性点接地的发电机输电线路在电抗器后的单相接地短路。图的单相接地短路。图 （b b）为其等值线路图，图中略去全部电）为其等值线路图，图中略去全部电阻。其中阻。其中L L1 1、C Cl l为断路器电源侧的电感和对地电容，为断路器
33、电源侧的电感和对地电容，L L2 2、C C2 2为电抗器的为电抗器的电感和对地电容。电感和对地电容。1 1、L L1 1、L L2 2电路：电路：忽略断路器开断前流经忽略断路器开断前流经C Cl l和和C C2 2的电流，则电弧电流过零前瞬间，的电流，则电弧电流过零前瞬间，作用在作用在L Ll l、L L2 2、C Cl l和和C C2 2上的电压将为：上的电压将为：2 2、C C1 1、C C2 2电路：电路：从从电流过零电弧熄灭开始电流过零电弧熄灭开始，断口两侧的回路断口两侧的回路将将分开成两个独立分开成两个独立的振荡回路的振荡回路，忽略忽略振荡过程中振荡过程中电源电压变化电源电压变化，
34、可得，可得图图8-128-12（C C）的等的等值线路图值线路图。电容电容C C1 1和和C C2 2上的上的瞬态电压瞬态电压为：为：二、电力系统的二、电力系统的瞬态恢复电压瞬态恢复电压 实际电力系统回路多样，参数各异，瞬态恢复电压实际波形很复实际电力系统回路多样，参数各异，瞬态恢复电压实际波形很复杂，一般要通过实测或用电子计算机计算得出。杂，一般要通过实测或用电子计算机计算得出。根据统计和归纳，根据统计和归纳，电力系统的瞬态恢复电压电力系统的瞬态恢复电压分为分为两种两种：1.系统电压低于系统电压低于110kV，或，或虽高于虽高于110kV但短路电流只有最大短路但短路电流只有最大短路电流的电流
35、的1030，相对较小相对较小的情况。此时，的情况。此时，瞬态恢复电压近似于衰减瞬态恢复电压近似于衰减的单频振荡。的单频振荡。“两参数法两参数法”表示表示瞬态瞬态恢复电压特性恢复电压特性，参数是，参数是瞬态恢复电压瞬态恢复电压峰值峰值Uhfm（kV）和）和峰值时间峰值时间tm（s），或），或恢复电压振幅系数恢复电压振幅系数Km和和固有固有振荡频率振荡频率f0。为反映恢复电压起始部分的变化，为反映恢复电压起始部分的变化，IEC推荐采用推荐采用“两参数带时两参数带时延法延法”。如如图图8-158-15所示。所示。a a 瞬态恢复电压的最大值瞬态恢复电压的最大值U Ughmghm（kV kV）；b b
36、 峰值参考时间峰值参考时间t t3 3（s s）：按最大平均速度上升到最大值：按最大平均速度上升到最大值U Ughmghm的时间；的时间；c c 时延时延t td d（s s）：）：与恢复电压起始部分相切且平行于与恢复电压起始部分相切且平行于OAOA的直线（又称时的直线（又称时延线）与时间轴的交点；延线）与时间轴的交点；d d 时延参考电压时延参考电压U U（kV kV）及及时延参考时间时延参考时间t t（s s）：）：指时延线与恢复电指时延线与恢复电压曲线相切的切点所对应的电压及时间。压曲线相切的切点所对应的电压及时间。两参数法的缺点：不能正确反映两参数法的缺点：不能正确反映恢复电压起始部分
37、恢复电压起始部分的变化情况，因而的变化情况，因而无法确定电弧是否重燃。图无法确定电弧是否重燃。图8-148-14给出断口给出断口介质强度恢复曲线介质强度恢复曲线u ujfjf及两条及两条恢复电恢复电压曲线压曲线u uhf1hf1和和u uhf2hf2。其中，。其中，u uhf1hf1和和u uhf2hf2具有相同的瞬态恢复电压峰值和峰值时间，具有相同的瞬态恢复电压峰值和峰值时间，u uhf1hf1的起始上升速度高，因此，在的起始上升速度高，因此，在t=tt=t1 1时和时和U Ujfjf曲线相交而造成电弧的重燃。曲线相交而造成电弧的重燃。U Uhf2hf2则由于起始上升速度低不和则由于起始上升
38、速度低不和u uj j相交而不重燃。相交而不重燃。恢复电压符合标准的规定恢复电压符合标准的规定 我国各级电压瞬态恢复电压我国各级电压瞬态恢复电压特性的相关规定特性的相关规定,可参看可参看GB1984-2014GB1984-2014 高压交流断路器高压交流断路器8-6 近区故障的开断近区故障的开断近区故障近区故障是指是指距断路器距断路器0.5 km 的线路的线路上上发生的短路故障发生的短路故障。在在超高压超高压电力系统电力系统中，当中，当短路电流短路电流在在2565kA范围范围内，断路器内，断路器开断开断近区故障近区故障时的时的工作条件工作条件较较开断直接在断路器出线端上的短路故障更严重开断直接
39、在断路器出线端上的短路故障更严重。（？）（？）一、近区故障的机制一、近区故障的机制1.参看参看图图8-18（a），），以以中性点接地的发电机的近区单相接地故障中性点接地的发电机的近区单相接地故障为例。为例。图中，图中，电源电压为电源电压为E，D点发生短路点发生短路时的时的短路电流有效值短路电流有效值I为：为：2.在流经在流经断路器断口断路器断口的的电流过零前的瞬间（电流过零前的瞬间（t=0-），断口两断口两端端A点与点与B点的对地电压点的对地电压UA和和UB相等，为：相等，为：3.3.电流过零电弧熄灭电流过零电弧熄灭后（后（t t0 0时），时），断口两侧的回路断口两侧的回路将分开将分开成成两
40、个独立的部分两个独立的部分。如如图图8-188-18（a a）和（）和（b b）所示。参照式（所示。参照式（8-248-24），），A A点对地的电压点对地的电压u uA A将为：将为：B点对地的电压点对地的电压UB则需根据行波理论求出。则需根据行波理论求出。图图8-18（C）是是 t=0时时BD段段线路上的线路上的起始电压分布起始电压分布。当。当t0时，这一时，这一起起始电压分布始电压分布将被将被分解成两个相同分解成两个相同的的行波行波，一个一个前行前行，一个一个反行反行。行波在。行波在开路开路的的B点发生点发生全（正）反射全（正）反射，在，在短路短路的的D点发生点发生负反射负反射。行波沿线
41、路的传播速度为行波沿线路的传播速度为=1/（LC），其中，其中L和和C为线路每单位长度为线路每单位长度的电感和电容。的电感和电容。4.4.图图8-198-19（a a）表示表示u uA A和和u uB B的的波形波形。图图8-198-19（b b）是说明）是说明合成的合成的断口恢复断口恢复电压波形电压波形。先经过。先经过几个极快几个极快的的锯齿振荡锯齿振荡，再进入，再进入角频率角频率为为1 1的振荡。的振荡。0t0t（2l/v2l/v）:这段时间很短，这段时间很短，U UA A变化很小，故取变化很小，故取U UA A=2I=2IL Ll l。恢复电压上升速度恢复电压上升速度duduhfhf/d
42、t/dt和和恢复电压第一个最大值恢复电压第一个最大值U U1 1为：为：duduhfhf/dt/dt与短路电流与短路电流I I成正比，因此随着成正比，因此随着系统短路容量系统短路容量的的增增大大，恢复电压的上升速度恢复电压的上升速度将将增加增加，从而引起，从而引起开断困难开断困难。电弧电弧是否重燃是否重燃还和还和恢复电压的第一个最大值恢复电压的第一个最大值U Ul l有关。有关。U U1 1和和短路点到断路器的距离短路点到断路器的距离l l有关。有关。式中，式中，Z 为线路的为线路的波阻抗波阻抗，一般取为一般取为 500。分析：分析：图图8-20（a）：l值很小值很小，短路电流大短路电流大，d
43、uhf/dt大大，但但U1较小，故较小，故电弧不可能重燃；电弧不可能重燃；图图8-20（c）：）：l值大，值大，U1将将增大增大，但短路电流减小但短路电流减小，duhf/dt 也也减小减小了，因此了，因此电弧也不会重燃；电弧也不会重燃；图图8-20（b）：）：电弧重燃出现在恢复电压的上升速度不低电弧重燃出现在恢复电压的上升速度不低而而恢复电压恢复电压的第一个最大值又较高的第一个最大值又较高时。此时，时。此时，l=0.58km时，称为时，称为近区故近区故障障。n二、二、并联电阻并联电阻在开断在开断近区故障近区故障时的作用时的作用 1.1.作用：作用：改善断路器开断近区故障时的工作条件改善断路器开
44、断近区故障时的工作条件。n2.R2.Rb b的数值：的数值：不能超过数百欧不能超过数百欧的数量级。的数量级。n在在0t2l/v0t2l/v的时间间隔，用的时间间隔，用图图2-332-33（a a）等值线路图计算。图中，与等值线路图计算。图中，与c c1 1串联的直流电源表示串联的直流电源表示C C1 1的的起始电荷起始电荷。2.2.因间隔很短，因间隔很短，电动势变化率极大电动势变化率极大，所以，所以L L1 1的的阻抗非常大阻抗非常大，可认为可认为是是开路开路。图图2-332-33（a a）简化为简化为图图2-332-33（b b）。3.3.列写列写微分方程，可得：微分方程，可得：比较可知比较
45、可知:并联电阻并联电阻Rb降低了降低了duhf/dt|t=0。Rb愈小愈小，效果愈好效果愈好。如取。如取Rb=Z，恢复电压上升速度将减小为无并联电阻时的二分之一。可见，恢复电压上升速度将减小为无并联电阻时的二分之一。可见，为改善断路器在开断为改善断路器在开断近区故障近区故障时的故障条件。时的故障条件。8-7 8-7 失步故障失步故障一、失步故障与联络断路器一、失步故障与联络断路器 图图8-218-21（a a）中，）中，F F1 1和和F F2 2代表两个代表两个电源系统电源系统，QF为为联络用断路器联络用断路器。1.1.正常状态：正常状态：两电源系统两电源系统同步运行，同步运行，断路器两侧断
46、路器两侧电压幅值和电压幅值和相位角相差不大相位角相差不大，断路器流过，断路器流过正常负荷电流正常负荷电流。2.2.失步失步：两电源系统间：两电源系统间因因故障故障引起引起振荡失去稳定振荡失去稳定，两侧，两侧电源电源电压相位差迅速增大，系统中电压相位差迅速增大，系统中出现远大于工作电流的失步电流出现远大于工作电流的失步电流。断路器应开断失步故障，断路器应开断失步故障，使系统使系统解列解列。3.3.反相开断反相开断：当两个电源电压当两个电源电压完全完全反相反相（相差相差180180，回路总电源电压，回路总电源电压E=EE=E1 1+E+E2 2）时，）时，断路器断路器需开断需开断的的失步故障电流最
47、大失步故障电流最大，断口承受，断口承受工频恢复电压最高。工频恢复电压最高。二、二、单相反相开断单相反相开断时的时的故障电流故障电流1.1.由由图图2-342-34（b b），），得得反相开断时失步故障电流值反相开断时失步故障电流值I Is s为为:2.2.在在断路器的出口断路器的出口B B点短路点短路时，时，断路器需开断的短路电流断路器需开断的短路电流I Id d=E=E1 1/X/X1 1，即，即E E1 1=I=Id dX X1 1 。3.3.取取E E1 1EE2 2=E=E，代入式（，代入式（8-288-28）,并可得：并可得：当当X X1 1=X=X2 2，I Is s=I=Id d
48、。因实际的。因实际的X X1 1=X=X2 2/7/7时，此时时，此时I Is s=1/4I=1/4Id d，故断路器试验标准，故断路器试验标准规定规定:失步开断电流为额定短路电流的失步开断电流为额定短路电流的2525（即即1/41/4）。式中，式中，、为断路器两侧的电源电压；为断路器两侧的电源电压；、为断路为断路器两侧的等效电抗。器两侧的等效电抗。n2.2.振荡频率：电弧熄灭起，振荡频率：电弧熄灭起，U UA A由由U U0 0开始以开始以 的振荡频的振荡频率过渡到电源电压率过渡到电源电压E Em m，U UB B 将由将由U U0 0开始以振荡频率开始以振荡频率 过渡到过渡到-E Em m
49、，通常，通常f f1 1f f2 2。三、三、单相反相开断单相反相开断时时断口瞬态恢复电压断口瞬态恢复电压u uhfhf 1.1.电流过零瞬间断路器断口两端电流过零瞬间断路器断口两端A A点和点和B B点对地的电压点对地的电压U UA A、U UB B；图图8-228-22给出了给出了u uA A、u uB B及及断口瞬态恢复电压曲线断口瞬态恢复电压曲线u uhfhf。u uhfhf是一个围绕工频恢复电压是一个围绕工频恢复电压2E2Em m变化的振荡波。变化的振荡波。三、三、三相反相开断三相反相开断时时首开相的工频恢复电压首开相的工频恢复电压：1.1.中性点不直接接地系统中性点不直接接地系统：
50、是：是电源相电压幅值电源相电压幅值E Em m的的3 3倍倍；2.2.中性点直接接地系统中性点直接接地系统：是：是E Em m的的2.62.6倍。倍。3.3.实际失步开断中，电源完全反相的几率很小。实际失步开断中，电源完全反相的几率很小。断路器试验标准规定：中性点不直接接地系统中，失步开断时首断路器试验标准规定：中性点不直接接地系统中，失步开断时首开相的工频恢复电压取电源相电压幅值的开相的工频恢复电压取电源相电压幅值的2.52.5倍，在中性点直接接地倍，在中性点直接接地系统中取系统中取2 2倍。倍。8-8 8-8 电容负荷的关合与开断电容负荷的关合与开断电容负荷电容负荷有有空载长线空载长线和和
