1、电力系统的开关操作电力系统的开关操作 图5.1 关合三相对称短路的电压电流在电力系统的开关操作中，关合有两类情况:1.正常负载情况下正常负载情况下 的分合的分合2.短路状态下的分短路状态下的分 合。合。第一节第一节 单相短路故障的关合与开断单相短路故障的关合与开断 一、关合短路一、关合短路对三相对称短路而言，其中的每一相实质上都存在一个过渡过程。我们不妨以单相短路为例来讨论。设关合瞬时电源电压为 eEtmsin()其中R是短路点前的线路电阻理论推导(理想电弧近似)满足方程满足方程)sin(tEiRdtdiLm初始条件初始条件0,0it)sin()sin(TtmmezEtzEi求解得求解得RL1
2、tg其中其中22)(RLz关合瞬时电源电压的相角,T=L/R 回路的阻抗角(5-1)公式5-1分析n若=(回路的阻抗角等于关合瞬时电源电压的相角),第二项为零，即暂态分量不存在。关合直接进入稳态。（概率太小，很难碰到！)n通常情况总是存在某种大小的非周期分量通常情况总是存在某种大小的非周期分量 2当 时，从式(5-1)可得 ZEIeIeIIImdmTdmTdmdmch )1()1(其中(5-2)最坏情况公式5-2分析 的取值范围为0，而 的取值范围在0/2，但到不了/2。当=0，=/2 (R-0),T=IIeIchdmdm()120nndmdmchIIIeII55.228.1)8.01()1(
3、045.001.0式中In为短路稳态有效值 请回忆第一章=0时的短路电流波形 图5.2 =0时的短路电流波形 冲击系数冲击系数.短路电流最大冲击值短路电流最大冲击值Ich与与Idm之比称之比称为冲击系数。为冲击系数。在现代电网中，冲击系数冲击系数有些地方可能达1.9，但冲击系数绝不会大到冲击系数绝不会大到2，由于1.8的系数在相关行业中使用了数十年，因此目前的断路器标准中仍沿用系数为1.8。关合过程主要考核的是电流的关合过程主要考核的是电流的 热效应和力效应。热效应和力效应。二、单相短路的开断 断路器能否开断短路电流，关键在于能断路器能否开断短路电流，关键在于能否熄弧，能否在电流过零期间使弧隙
4、由导否熄弧，能否在电流过零期间使弧隙由导电态状转变为绝缘状态电态状转变为绝缘状态图5-3 出口短路故障 图5-4 开断过程等效电路(忽略R)wLR分析恢复电压的变化情况 忽略短路回路开关电源侧的电阻R，而认为熄弧过程就发生在工频电压的峰值处，即熄弧瞬刻，电源、电压Ue=Ugm，Ugm为工频电压幅值。经这样的分析和简化,我们可以把电弧电流过零熄灭后开关两端的电压变化过程视作一个恒定的电压Ugm经电感L向电容C和电阻r并联电路的接通过程，故有图5.4的等效电路。因而有微分方程：hfLgmudtdiLuiiiCdudturLcrhfhf(5-5)(5-6)整理hfhfhfgmudtdurLdtudL
5、Cu22一元二次常系数微分方程恢复电压 式中uhf为开关两端，也即与开关断口并联的电容C两端的电压，也即恢复电压。图5.5 电感电路熄弧过程波形关系 分析n电弧是阻性元件，电弧电压电弧是阻性元件，电弧电压(uh)总与电弧电流总与电弧电流(ih)同相位。同相位。电弧电流过零熄灭时通常可认为对应于电弧电压的熄弧尖峰，或者说电弧电压的熄弧尖峰处(uhm)是恢复电压uhf的起点。而尖峰处是波形的导数为零处。因此我们从式(5-5)，式(5-6)求解uhf时可有初始条件：视r为常数联解式(5-5)，式(5-6)，并代入初始条件可得uhf的表达式为：恢复电压的的表达式恢复电压的的表达式 前已述及，恢复电压的
6、幅值高、上升陡度快，断恢复电压的幅值高、上升陡度快，断路器熄弧就困难。路器熄弧就困难。下面我们来分析哪些因素会影响恢复电压的变化。在实际开断过程中，冷却强度与恢复电压的变化通过“剩余电阻”被联系起来而有相互影响的关系。LCrCrCpepepppuuuutptphmgmgmhf1)21(21)(22,1121221其中，(5-7)(5-8)弧隙并联电阻r的影响 图5.6 回路无电阻时的等幅振荡波在式(5-7)中，若r=，即无并联电阻的情况，此时pj1 20,0012LCf式(5-7)变为：uuuuthfgmgmhm()cos0恢复电压的初始条件n恢复电压的波形如图(5-6)，是以uhm为起点，绕
7、工频电压幅值无衰减的振荡波，振荡角频率为0，完全由线路参数L和C所确定，因而称之为回路的固有角频率。n显然这是一种实际上不存在的极端情况显然这是一种实际上不存在的极端情况n在这种情况下，恢复电压的幅值可达2ugm。通常情况下回路总是存在电阻的，尤其是与弧隙串联的电阻绝对存在，因而即令并联电阻或剩余电阻都不存在，波形也如下面将要看到的是衰减振荡波，幅值到不了2ugm。分析分析若 式中 rLC12则式(5-8)可写成 pjs1 2,12rCssfrCLC2)21(12，称为振幅衰减系数，s称为电路实际振荡角频率。通常情况下远小于s，当s时可得式(5-7)恢复电压uhf的表达式 teuuuusthm
8、gmgmhfcos)()cos1(teuustgmhf(5-10)在高压系统中常有uhmugm 衰减的恢复电压振荡波 n恢复电压的最大值恢复电压的最大值uhfm与工频电压幅值之比与工频电压幅值之比称为振幅系数称为振幅系数，即振幅系数。即振幅系数。图5.7 衰减的恢复电压振荡波 gmhfmuuK0接近实际恢复电压的平均上升率n在振荡开始后的半个周期，即图中的tm处到达恢复电压的最大值。在这里fs为恢复电压的实际振荡频率，如果从实际波形求振荡频率，那么有 ftsm1 2显然，它比电路的固有角频率要小 fLC021通常K0约1.41.5。振荡频率和振幅系数振荡频率和振幅系数是表征恢复电压特性的两个重
9、要参数，从这两个参数，很容易得到恢复电压的平均上升率为：shfmmhfmhfutudtdu平恢复电压的平均上升率电路振荡处于临界状态，此时恢复电压表达式为：CLr21当tgmgmhfetuuu)1(5-13)gmgmhfuLreeudtdu2max恢复电压的平均上升率 在非振荡的情况下我们不妨作如下的近似分析，在ugm经L向r、C并联电路接通的过程中，在接通瞬刻电容C两端(也即r、C两端)因电压不能突变而使ugm全部加在L上，因而有：uuLdidtLgm恢复电压的平均上升率那么有此时刻电流的上升率为那么有此时刻电流的上升率为 d id tuLg m(5-14)假设在此时刻电流全部经过r而不流入
10、C，那么有r、C两端的电压上升率为：gmttthfuLrdtidrdtriddtdu000)()(5-1)显然这是不振荡情况下电压上升陡度的极限情况，因为若显然这是不振荡情况下电压上升陡度的极限情况，因为若考虑流入考虑流入C中的电流，中的电流，r上的电流更小，上的电流更小，r两端的电压更低，两端的电压更低，也即该瞬刻也即该瞬刻uhf上升率更低些上升率更低些 电阻对开断过程的利弊电阻对开断过程的利弊 n从对并联电阻r的讨论中，可以清楚地看到：n并联电阻能有效地阻尼恢复电压上升的并联电阻能有效地阻尼恢复电压上升的陡度和幅值。陡度和幅值。n弧隙剩余电阻(又称弧后电阻)相当于并联电阻的作用。图5.8
11、不同断路器的介质特性 1.压缩空气断路器 2.少油断路器 3.真空断路器电容对恢复电压的上升速度的影响n以图5.4的等效电路为参考，但在讨论电容的影响时，我们应视r 为无限大。在这里，断口电容C显然包含了电源侧导线的对地电容。电容大则可以降低振荡频率，也即缓解恢复电压的上升速度，对灭弧有利。当电弧开始出现熄弧尖峰时，这些电容充电，减小了断口电流，有利灭弧。当触头间电压从熄弧峰值降到电压零值时，电容有可能对断口放电，不利于灭弧。3、燃弧电压高低的影响、燃弧电压高低的影响 n通常，在相同的开断电流下，电弧电压越高，燃弧期间注入的电弧间在相同的开断电流下，电弧电压越高，燃弧期间注入的电弧间隙的能量越
12、大，开断就越困难。隙的能量越大，开断就越困难。n另一方面，电弧电压对短路电流可以起到减小或限制的作用电弧电压对短路电流可以起到减小或限制的作用，限流熔断器和直流电路的开断就是靠抬高电弧电压，使之比电源电压还高才实现的。因此在中、低压范围抬高电弧电压不失为一项有效的灭弧措施。但是在高压，超高压领域要把电弧电压抬得比电源电压还高，显高压，超高压领域要把电弧电压抬得比电源电压还高，显然是难以办到的，因而为了介质恢复快，能使电弧过零熄灭，反而希然是难以办到的，因而为了介质恢复快，能使电弧过零熄灭，反而希望其愈低愈好。望其愈低愈好。n此外，由于电弧是阻性耗能元件，它在短路回路中的接入使电路参数电弧是阻性
13、耗能元件，它在短路回路中的接入使电路参数中中R R和和 L L的比例发生了变化，使电路的功率因素得到改善，的比例发生了变化，使电路的功率因素得到改善，这意味着过零期间，电源电压偏离峰值更远电弧电压越高，偏离的程度会越大，工频恢复电压会越低从这个角度看，抬高电弧电压又有有利于灭弧的一面。n 4、短路电流非周期分量的影响、短路电流非周期分量的影响 n当保护系统给断路器分闸命令的时间较短时，往往还有相当的非周期分量非周期分量。从图5.9可见，由于非周期分量由于非周期分量if的存在，使的存在，使短路电流短路电流id过零点所对应的电源电压过零点所对应的电源电压u的值小于周期分量的值小于周期分量iz过过零
14、点所对应的零点所对应的u的值。即是说若在此种情况下过零熄弧，较低的值。即是说若在此种情况下过零熄弧，较低的工频恢复电压有利于灭弧的工频恢复电压有利于灭弧。图5.9 短路电流非周期分量的影响 第二节第二节 三相短路故障的开断三相短路故障的开断 n在实际电网中，电源的中性点有三种不接地不接地直接接地直接接地经一定的阻抗接地经一定的阻抗接地中性点直接接地系统所产生的内过电压幅值要比中性点不接地系统低20%30%，因此，设备绝缘水平可以降低20%左右；由于额定电压越高，提高绝缘水平所需的费用也越大，且110KV及以上电力线路的耐雷水平高，导线对地距离大，不容易发生单相永久性接地故障；对于瞬时性接地故障
15、，可装设自动重合闸，自动恢复供电。所以。220KV及以上电压级电网一般都采用中性点直接接地方式。一、三相中性点不接地短路故一、三相中性点不接地短路故障的开断障的开断 n当三相短路故障被三相断路器同时开断时，往往是电流首先过零相的电弧先熄灭，我们称首先熄弧相为首开相或首开极。若A相为首开相，其开断过程中各电流电压的变化规律可用图5.10所示的等效电路作初步分析。图5.10 A相电弧熄灭后的等值电路与矢量图(a)等值电路(b)位形图 图图5.11 A相开断时的波形图相开断时的波形图 n5.12 A相开断时的波形图相开断时的波形图实际上，当触头分开并到达当触头分开并到达其最小熄弧距离后那一相最其最小
16、熄弧距离后那一相最先过零，则此相电弧熄灭先过零，则此相电弧熄灭。所谓最小熄弧距离是指开关触头必须拉到这个距离及以上才有可能承受恢复电压的作用而不再复燃电弧，否则即使碰到电流零点也不可能熄弧，开关的最小熄弧距离由灭弧室的结构及介质特性所决定。最先到达最小熄弧最先到达最小熄弧距离的相不一定是最先熄弧距离的相不一定是最先熄弧相。相。熄弧过程n在首开相电流过零熄弧时，另两相的电流正好是大小相等的时候，不过过零熄弧后另两相电流的变化规律就与首开相未熄弧时不一样了，忽略线路电阻R，以图5.10的等效电路为例，未熄弧前有 LPCBAXUIII(5-16)而A相过零熄弧后，有 IIIUxUxIBCBCBCLP
17、LA2320866.从图5.12可见，此时的与相差90的相位角，即再过90电角度，也即0.005S后，也将转到水平位置(即电流为零值)，通常此时B、C两相同时熄弧，三相最终被完全开断，当短路电流中还有直流分量时，不一定是0.005S后另两相熄弧，可能长一点，也可能短一点。首开相工频恢复电压首开相工频恢复电压n因此A相熄弧瞬刻，熄弧断口上的电压为：开断系数开断系数KT，工频恢复电幅值与相电压幅值之比。即首开相工频恢复电压为相电压的即首开相工频恢复电压为相电压的1.5倍倍振荡频率可由从A、O点往整个回路看所得的回路等值电感和电容所确定，不难看出：fLLLCCCABCABC12(/)(/)12112
18、2312()LCL CAAA A(5-17)后两相的燃弧n需要指出的是，实际电网的结构要复杂得多，且需要指出的是，实际电网的结构要复杂得多，且线路是分布参数，线路电阻也必然存在，这里只线路是分布参数，线路电阻也必然存在，这里只是为了从概念上对恢复电压影响因素有所认识是为了从概念上对恢复电压影响因素有所认识。n在后续两相开断时，从恢复电压和开断电流的角度看，显然是要轻松一些，因为除电流只为首开相的0.866外，开断系数(即工频恢复电幅值与相电压幅值之比，对首开相即首相开断系数)也同样减小，两断口共同承担线电压，即=0.866UP，而首开相为1.5UP。n由于后两相的燃弧时间要长一些，这对某些断路
19、由于后两相的燃弧时间要长一些，这对某些断路器并不轻松器并不轻松。二、中性点直接接地系统的三二、中性点直接接地系统的三相接地短路故障相接地短路故障 n图5.13 中性点直接接地系统的三相接地短路故障 我国220kV及以上电力系统(包括部分110kV系统)采用中性点直接接地系统。中性点直接接地系统的三相接短路故障时的电路如图5.13。在这种故障情况下，当三相短路电流都存在时，若电路是完全对称的(即各相阻抗都相等，三相电源对称)，则各相电流的值也是相等的，相位也互差120，电流值的大小仍由式(5-16)决定。O、O是等电位点，因此地中电流为零 分析n通常地中电阻是不为零的，地中电流肯定会产生压降，因
20、此首先开相和第二熄弧相的工频恢复电压都将是相电压与地中电流压降的相量和，仅有最后开断相的工频恢复电压与相电压相等。而显然后两相的电流都小于首开相的电流。n当A相先过零熄弧后，电路已不对称，为求算各相开断时的工频恢复电压和后两相的开断电流可借助对称分量法。当假定各相正序电抗(x1)，负序电抗(x2)和零序电抗(x0)都相等，且x1=x2，x0=3x1时可解得A相开断时，工频恢复电压与相电压的比为1.3，C相开断时(第二熄弧相)为1.25。而C相的电流为式(5-16)的0.892倍，B相(最后开断相)的电流为式(5-16)的0.6倍。nC相电流在A灭弧后4.22mS过零灭弧，而B相又在C相灭弧后再
21、过2.44mS最后熄灭。分析nA相电弧熄灭后，有Ia=0，Ub=0，Uc=0866.05.0)32sin()32cos(31)(3131)(3131)(3122210jjUUUUUUUUUUUUUUUacbaaacbaaacba其中分析（继续）nA相电弧熄灭后，有Ia=00 021IIIIaaA的电路图计算021,UUUaa分析（继续）nA相恢复电压20211020202012020210XXXXXXXXUXXXXXXXXXUUUUAAaa03UUUahfa分析（继续）n当假定各相正序电抗(x1)，负序电抗(x2)和零序电抗(x0)都相等，且x1=x2，x0=3x1时AAhfaUUU3.179
22、三、不同短路形式下的开断系数三、不同短路形式下的开断系数n图5.14 不同短路形式下的首相开断系数或开断系数 不同短路形式下的开断系数不同短路形式下的开断系数 n利用首开相系数KT与系统的最高工作线电压Um可求得断路器首相开断时工频恢复电压的幅值Ughm为：mTghmUKU32(5-18)当振幅系数K0已知时，我们有首开相的瞬态恢复电压的峰值表达式为：mTshmUKKU032(5-19)第三节第三节 实际电网的瞬态恢复电压实际电网的瞬态恢复电压与表示方法与表示方法 n前节所分析的瞬态恢复前节所分析的瞬态恢复电压（电压（transient recovery voltage,简简称称TRV）都是以
23、单频出现的，对于我们从概念上认识电压恢复过程极有帮助。但在实际电网中，由于电网结构参数的不同，电弧熄灭后加于断口两端的电压可能是双频的、三频的、甚至是多频的。实际电力系统是千差万别，参数各异的，实际电力系统是千差万别，参数各异的，所以瞬态恢复电压的波形也是多种多样的所以瞬态恢复电压的波形也是多种多样的 n据大量统计和归纳，电力系统的瞬态恢复电压可大致分为以下两种类型：n第一种：系统电压低于110kV，或虽高于110kV但所开断的电流相对于短路处最大短路电流来说较小，仅为最大短路容量30%以下的情况。此时瞬态恢复电压近似于衰减的单频振荡。这种恢复电压的特性常用瞬态恢复电压的峰值ushm和到达峰值
24、的时间tm来描绘，或者用恢复电压的振幅系数K和固有振荡频率f0来描绘，称之为“两参数法”。一、两参数法n两参数法的不足之处两参数法的不足之处是不能恰当反映恢复电是不能恰当反映恢复电压起始部分的变化情况，而这一部分恰好对电弧压起始部分的变化情况，而这一部分恰好对电弧的重燃有重要影响，对某些断路器，这一部分的的重燃有重要影响，对某些断路器，这一部分的上升陡度对能否开断甚为敏感上升陡度对能否开断甚为敏感 图5.16 两参数法的不足5.17 两参数带时延线法 两参数带时延线法两参数带时延线法(5个参数)两参数带时延线法用下述几个参数来描绘电两参数带时延线法用下述几个参数来描绘电压的恢复过程压的恢复过程
25、:n瞬态电压的最大值uc(即usfm,kV)。n到达最大值的时间t3(s)，t3是按最大平均上升速度上升到过最大值的水平线的交点A所对应的时间。n时延td（s）,td是指与恢复电压的起始部分相切且平行OA的直线(即时延线)与时间轴的交点所对应的时间。n时延参考电压U（kV）及时延参考时间t（s）二、四参数带时延线法二、四参数带时延线法 n另一种类型是系统电压高于110kV，且短路电流相对于短路处最大短路电流较大(大于30%)的情况下，瞬态恢复电压首先包含一个上升率较高，但幅值较低的振荡部分，随之而来的是幅值高，但上升率较缓的部分。对这种恢复电压波，IEC推荐用四参数带时延线法来描述。这四个参数
26、是：nU 1第一参考电压值(kV)，它表征着断路 器首先开断相恢复电压中的工频分量幅值。nt 1到达U1的时间(S)。nUC第二参考电压，即瞬态恢复电压的峰值n (kV)。nt2到达UC的时间(S)。四参数包络线及时延线 n图5.18 (a)四参数包络线及时延线 起始瞬态恢复电压(ITRV)n对某些气吹断路器，瞬态恢复电压起始部分对电弧熄灭特别重要，这部分的瞬态恢复电压称为起始(Initial)瞬态恢复电压(ITRV)。判定方法判定方法n在进行断路器试验时，所加恢复电压应符合标准的规定，以两参数带时延线法为例(请看图5.19)图5.19 判断恢复电压波是否符合标准要求举例说明举例说明n假如按标
27、准推荐的方法，测得了试验回路的预期瞬态恢复电压波形如图5-19所示，那么：n(1)用标准所给uc、t3、td、U 和t 作出参考线OAC和时延线td (U,t)；n(2)画出试验所用预期TRV的最大平均上升速度线(即波形的最大上升率切线)OA及通过最大值点的水平切线AC以形成波形的实际包络线OAC；n(3)比较OAC与OAC，如实际包络线OAC的纵坐标处处在OAC之上或完全重合，且波形的起始部分不与时延线相交。n可认为此预期恢复电压波形符合标准的要可认为此预期恢复电压波形符合标准的要求求。第四节第四节 近区故障的开断近区故障的开断n近区故障是指距断路器数百米到数千米的近区故障是指距断路器数百米
28、到数千米的地点发生的短路故障。地点发生的短路故障。n就短路电流的大小而言，这种故障比断路就短路电流的大小而言，这种故障比断路器出口故障器出口故障(端子短路端子短路)要小，但运行实践表要小，但运行实践表明，能顺利开断出口短路的某些断路器却明，能顺利开断出口短路的某些断路器却不能开断近区故障。不能开断近区故障。Why？nIEC标准规定，额定电压52kV及以上，额定开断电流超过12.5kA，并直接与架空线相连的断路器，要求进行近区故障下的开断试验。分析原因分析原因n近区故障开断试验可以在单相回路中进行。下面以单相故障为例来分析 图5.20 近区故障及其开断过程等效电路图中G为电源，DL为断路器，Ls
29、、Cs为断路器电源侧电感及对地电容，L1、C1为线路侧电感和对地电容，设线路每单位长度的电感及对地电容分别为L和C 开断瞬时，开关两端的电压UA及UB相等nD处的短路电流Is为：)()(LlLULLUIsPlsPs(5-19)设开关电弧电压忽略不计，那么在开断瞬时，开关两端的电压UA及UB相等，且因为电流过零熄灭时电源电压正好在峰值处，因而有：lLIUUBA2(5-20)电弧熄灭瞬时，线路上的对地电压分布如图中的BD线段，B处最高，D处为零。电弧熄灭后n电弧熄灭后，开关电源侧和线路侧将都会因储能元件L、C的存在而有短暂的过渡过程，到稳态后，UA将按电源电压变化，UB将为零，但我们关心的是过渡过
30、程中加入开关上的电压的变化情况：uuuhfAB(5-21)UB的变化情况n先看UB的变化情况 图5.21 行波的流动反射过程图5.22 近区故障开断时的恢复电压 恢复电压uhfn恢复电压uhf在时间段有极快的上升率。若不考虑衰减，图5.22中u1的极限值为：uI l LulLLlLpms12 22(5-25）因而有恢复电压的最大平均上升速度为：zIlLlIdtduhf 22 22(5-26)zLC其中 为线路的波阻抗。如果取z=480，取I为出口短路电流50KA的75%，那么有 skVdtduhf/99.775.0480314502计算结果说明计算结果说明n这个恢复电压的初始上升速度远大于现行
31、国际标准规定的相应上升率2kV/S，因而难于开断。图5.23 不同l下的瞬态恢复电压Uhf(l1 l3 时，式(5-32)可简化为 uEtUEtCmmsin()(sin)cos00(5-33)分析分析n由于0，在0t=时，有t0，由式(5-33)可得 uEUCm20sin(5-34)在实际电路中，由于线路电阻R的必然存在，式(5-33)右边的第二项很快衰减为零，而只剩下等式右边第一项。结论结论(1)关合空载长线时，线路电压与合闸瞬时的电源相角及线路上是否有残余电荷有关。(2)过电压产生的原因完全由电路中有储能元件L、C存在，且激励发生突然改变所导致。若关合瞬时的电源相角为(即U 0=sin)，
32、则关合过程无振荡发生，直接进入稳态。关合空载线问题n由于线路阻抗、电晕损耗等原因，关合空载线一般不会超过3倍过电压，这对电压等级较低的线路，由于绝缘裕度大，绝缘不成为问题。n但对220kV及以上的线路，为了限制合作过电压，可用选相合闸或加装合闸并联电阻的办法予以限制。二、空载长线的开断二、空载长线的开断n开断后发生重燃现象n由于线路电容上电压保持不变由于线路电容上电压保持不变,弧后弧后090 内弧隙发内弧隙发生击穿现象不产生过电压生击穿现象不产生过电压,弧后弧后90 180 内弧隙发生内弧隙发生击穿可以产生最高达击穿可以产生最高达3Em过电压过电压.23)(sin2mmCEEu图5.27 开断
33、空载长线有重击穿时的典型电压电流波形分析总结分析总结n习惯上称弧后习惯上称弧后090 内弧隙发生的击穿现象为复内弧隙发生的击穿现象为复燃燃(热复燃可能性大热复燃可能性大)，弧后，弧后90 180 内内弧隙发弧隙发生的击穿称为重击穿生的击穿称为重击穿(电击穿可能性大电击穿可能性大)。n复燃不产生过电压，重击穿产生过电压。复燃不产生过电压，重击穿产生过电压。实际上，由于重击穿不一定正好发生在电源电压最大值处，电弧也不一定就在高频电流第一次过零熄弧，加之客观上总存在电阻、电晕损耗，过电压不会按3、5、7倍递增。在中性点不接地系统中，过电压一般不会超过4.5倍，在中性点直接接地系统中不会超过三倍。33
34、0kV及以上的系统中，因线路与电器设备的绝缘水平较低，要求断路器切空线时不得出现重击穿，否则应采取相应的措施限制过电压水平，通常是改善开关自身的开断特性，包括前面所述的合闸并联电阻，在分闸时也可起阻尼限压作用.三、关合电容器组三、关合电容器组n在我国，用投切电容器组来改善功率因素和电在我国，用投切电容器组来改善功率因素和电压质量的办法在中压等级广泛采用压质量的办法在中压等级广泛采用.n在这些电压等级中，由于设备绝缘水平较高，合闸过电压不一定会造成设备的损坏，但如果不采取限制措施，合闸过程中的涌流往往构成对设备的危害。图5.28 电容器组的接线 1、单组电容器投入时的涌流、单组电容器投入时的涌流
35、 n现在我们分析当各组电容器的断路器都处在分闸状态下，第一组电容器首先投入运行时的情况。设从电源G到断路器DL的线路电感为L，从每台断路器到其所控制的电容C的导线电感为L1，忽略导线电阻R不计，那么单组电容器关合时我们同样可用图5.24(b)的等效电路所表示（LL1）与关合空载长线所不同的是，与关合空载长线所不同的是，在关合空载长线时的电路特征在关合空载长线时的电路特征阻抗阻抗 比关合电容组时的特比关合电容组时的特征阻抗要大得多征阻抗要大得多 CL/uUtUUtUtC1010010sin()(sin)coscossin(5-32)分析分析式中,)(110CLLUEm102022,当0时，式(5
36、-32)可简化为 uEtUEtCmmsin()(sin)cos00(5-33)若关合时电源电压相角=90，则式(5-32)可简化为：(5-35)uEtUEtCmmcos()cos00这里，Em仍为电源电压幅值，U0为电容器关合时的初始电压，为工频角频率，关合时的涌流n图5.29 涌流的波形 关合时的涌流为：tCLEUtCEdtduCimmCC00sinsin通常电容器都接有放电电阻或放电线圈，若非开断过程重击穿引起的涌流，电容器一定处于零初始状态U0=0。波形如左图最大涌流峰值n因为U0=0，所以iECtELCtCmm sinsin0在最不利的情况下可能出现的最大涌流峰值为：IECELCCmm
37、m令Im为电容器组正常工作时的额定电流峰值，即Im=EmC，则 IIIffCmmm()()1100(5-39)式中，f 为电源频率，fLC012其它组电容器投入情形其它组电容器投入情形 第2组电容器投入情形电容器投入情形 n第2组电容器投入情形电容器投入情形 2、第、第n组电容器投入时的涌流组电容器投入时的涌流 n图5.28中的的n组电容器，每组都由一台断路器控制，各组都经断路器接在共同的母线上，称为并联电容器组，又称背靠背电容器组。在这种多组电容器并联的情况下，尽管各组容量相等，但第一组投入后，后续投入的第二组、第三组与第一组投入时的涌流是不同的，越往后涌流越大 图5.30 并联电容器组最后
38、一组投入时的等效电路(n1)组电容器对第n组充电n已充电到Em的(n1)组电容器对第n组充电，充电结束后各组电容器上的稳态电压为：uEnnCm1(5-40)但最后一组未投入时的电压为零，因初态不等于稳态，而电路中有电感，故充电过程一定有振荡，第n组电容器上的电压可表示为：uEnntCm110(cos)(5-41)式中：011111111()()()LnLnC CnCCLC据此可得第据此可得第n组投入的涌流组投入的涌流 n第n组投入的涌流为：tnnItnnCEdtduCimmCC0000sin1sin1(5-43)涌流的最大值为：IInnInnffcmmm1100由于L1L+L1，故0C，负载电
39、感，负载电感LLsL。无截流无截流n由于C上的电压经L不断泄放，Cs和C两电容器的压差就加在已熄弧的间隙K上，若触头间的距离尚拉开很短不能耐受这一压差的作用将因K的被击穿而经电感L向C放电，以补充C上电压的降低，使其恢复到um。但在补充过程中，因L的存在，C上的电压并不只上升到与Cs相等，而是还要过冲一个电压值(如图5.25b)，若不考虑电路的衰减，这个值就是弧隙击穿前二者的差值。多次这种半波重燃的过程多次这种半波重燃的过程 第七节第七节 失步故障及其它开断失步故障及其它开断 n所谓失步是指两个电源系统的相位差不一致，这通常是由于短路故障或负荷突变等原因使一部分发电机过负荷，而另一部分又欠负荷
40、，以致系统失去稳定而产生比正常工作电流大得多的失步电流。作为连接两个电源系统用的联络断路器要承担这种失步故障的开断而使系统解列，以免整个系统崩溃，失步时，两个电源电压之间的相位差大于0，小于180，最严重的失步情况是180，即两电源反向的情况。这种情况下的开断称作反向开断，所开断的失步电流最大，开关断口所承受的恢复电压最高。图5.34 失步开断 反相故障电流反相故障电流 n流经DL1的反相故障电流为：IUxxxf ppsls212(5-48)式中xs1、xs2为电源G1和G2的短路感抗，xl为线路感抗 图5.35 反向开断时的瞬态恢复电压 失步故障失步故障n由于反向开断时，开关断口两端所承受的
41、恢复电压最大值较高，因此断路器开断反向故障也是很困难的。在本章第二节中我们知道在中性点不接地和直接接地两种情况下的首相开断系数分别为1.5和1.3，所以在反向开断下，首开相的工频恢复电压有可能为相电压的2.6到3倍。考虑到两电源完全反向的概率很低，因此在IEC高压断路器标准中规定，断路器首先开断相的工频恢复电压：n(1)对于中性点直接接地系统，为2倍相电压；n(2)对中性点不直接接地系统，为2.5倍相电压。n而反向开断电流定为额定短路开断电流的25%。n对于自能式断路器，因其灭弧能力与燃弧能量或被开断的电流大小有关，因此除应进行25%额定开断电流下的反相试验外，还应进行较小电流下的反相开断试验
42、。二、发展性故障及其开断二、发展性故障及其开断 n所谓发展性故障是指断路器开断感性小电流或容所谓发展性故障是指断路器开断感性小电流或容性小电流时所产生的过电压使系统的绝缘破坏而性小电流时所产生的过电压使系统的绝缘破坏而造成的短路事故，因事故是在正常操作工况下诱造成的短路事故，因事故是在正常操作工况下诱发的，故称之为发展性故障发的，故称之为发展性故障。n发展性故障危害更大发展性故障危害更大n发生发展性故障短路时，断路器的触头已处于分离状态，其间存在着小电流电弧(或者是重燃时引起的过电压造成绝缘破坏，或者是电流截断过程中过大的di/dt感生的过电压使绝缘破坏)，再突然流过强大的短路电流。对油断路器
43、，这可能因巨增的电弧能量使压力过大而爆炸；对气吹断路器，这可能因已过最好熄弧位置，吹弧能力不足而不能熄弧，不能熄弧的结果也是烧坏(炸)开关或越级跳闸。三、断路器的并联开断三、断路器的并联开断 n两台断路器同时开断短路故障称为并联开断两台断路器同时开断短路故障称为并联开断。在电力系统中常采用接线或三角形接线，在这些情况下，若发生短路故障，就会出现两台断路器同时开断故障的情况。断路器动作前，由母线阻抗(包括触头接触电阻)决定了它们之间短路电流的分配，这种分配可能是各占50%，也可能10%:90%，起弧后，电弧电阻对电流的分配也会有一定的影响。n两台断路器同时开断短路电流时，由于电弧特性的负阻性和不
44、稳定性及灭弧能力上的差异，一个断路器的电弧先熄灭，这样使后熄弧断路器的电流由原来所分配的数值突然增大到全部短路电流值。这和前述的发展性故障有相似的性质，给后一断路器增大了机械负荷和开断任务 四、隔离开关开断空载母线四、隔离开关开断空载母线 n隔离开关开断空载母线时，因其动作速度慢，又隔离开关开断空载母线时，因其动作速度慢，又无灭弧装置，在触头间可能出现多次的电弧复燃无灭弧装置，在触头间可能出现多次的电弧复燃和重击穿和重击穿。n空载母线就是一段很短的空载线，在性质上与切合空载长线类似，只是波的折、反射时间短，因而振荡频率高得多。无论合、分操作，只要发生多次重击穿就相当于多次合分一段空载线，就有可
45、能碰到母线上的残压与电源相反而又重击穿的情况，因而，极端情况下的过电压是三倍电源电压幅值，但实际情况到不了三倍。n由于过电压的幅值大，频率高，有可能使避雷器动作，还有可能造成阻波器的击穿或电流互感器套管的闪络等。第八节第八节 断路器断口并联电阻断路器断口并联电阻及并联电容的作用及并联电容的作用 n一、断路器并联电阻的作用及取值 断路器断口间并联电阻的作用有二个：增强开断能力；降低操作过电压。早年的多断口断路器也有用105106的高值电阻来均匀断口电压的，目前多为并联电容所取代。1、降低瞬态恢复电压上升陡、降低瞬态恢复电压上升陡度，提高灭弧能力度，提高灭弧能力n在图5.36、图5.37中，虚线框
46、为断路器，框中断口1为主断口，断口2为辅助断口。在断路器的合分操作中，主断口先分后合，辅助断口先合后分，时间相差约在几毫秒到十几毫秒。Rb为断路器的并联电阻。图5.36 并联电阻增强开断能力的作用 图5.37 并联电阻的限压作用1、降低瞬态恢复电压上升陡、降低瞬态恢复电压上升陡度，提高灭弧能力度，提高灭弧能力 n断口1和2断口开断时，Rb在电路中所扮演的角色是不一样的。在1中的电弧熄灭时，所加的恢复电压即A、B两点间的电压，L、C和Rb三者是并联的。此时当 时，瞬态恢复电压是非振荡的。n在2中的电弧熄灭时，所加的恢复电压即A、B两点间的电压，L、C和Rb三者是串联的。此时当 时，瞬态恢复电压是
47、非振荡的。CLRb21CLRb2Rb的取值对的取值对原则原则nRb的取值对断口的取值对断口1的断口的断口2是矛盾的是矛盾的。但Rb的取值不能只考虑某一方面的作用和要求，还要考虑到诸如改善近区故障开断特性，还要考虑到辅助断口的通断能力，电阻自身的热容，尺寸等各方面的因素。因此，用于提高开断能力的并联电阻多在几欧到几十、几百欧的范围。二、多断口断路器的电容均压二、多断口断路器的电容均压 n高压、超高压断路器常常是采用相同灭弧室串联的积木式结构，靠几个断口(也就是灭弧单元)同时灭弧来开断电路 图5.38 决定电压分配的断口电容和对地电容 图5.39 等效电路及均压电容Cb 问题：断口间电压分布非常不
48、均匀问题：断口间电压分布非常不均匀断口的电压分配断口的电压分配n对少油断路器而言，Cc与Ce 通常在几十微微法左右，若Ce=Cc，则U1=2/3U，U2=1/3U，UUCCCCecce12eccCCCUU22(5-52)(5-53)可见两个断口上的电压相差很大。事实上，中间机构箱的对地电容往往比断口电容要大24倍，因而实际情况比上述还严重。对于双柱四断口的情况，各部分之间的电容关系更复杂，若把断口实际承受的电压和电压均匀分配时所承受的电压之比称为电压不均匀系数K，对某型号断路器实测其电容分布后所得的不均匀系数依次为：K1=2.968，K2=0.321，K3=0.476，K4=0.224，其中K
49、1为与电源相接的第一个灭弧室的不均匀系数。可见，这个问题不解决，各断口所承受的恢复电压将极为悬殊，靠串联灭弧室使灭弧电压成倍增长的积木式结构就不能实施。使断口均匀分配电压的措施使断口均匀分配电压的措施 n由于断口电容通常在十几到二十几微微法，为了解决这一由于断口电容通常在十几到二十几微微法，为了解决这一问题，只要在每个断口上并联一个较大数值的电容问题，只要在每个断口上并联一个较大数值的电容(例如例如12002000PF，图，图5.39中虚线所连的中虚线所连的Cb)，将各断口的，将各断口的电容强制成接近相等就行了电容强制成接近相等就行了。这就是多断口的灭弧室常带并联电容的原因，它们起均匀电容以提
50、高灭弧能力的作用。如果一个灭弧室能在55kV下开断21KA的短路电流，那么四个灭弧室相串，就能开断220kV、21KA的短路电流。均压后的断口不均匀系数不宜超过1.1。n断口均压电容在断路器开断近区故障时还可对行波的反射断口均压电容在断路器开断近区故障时还可对行波的反射起缓解作用，降低锯齿状三角波的陡度和幅值，增强断路起缓解作用，降低锯齿状三角波的陡度和幅值，增强断路器开断近区故障的能力。器开断近区故障的能力。n但是在某些特别的工况和场合，断路器的均压电容也有可能与空载母线上的电压互感器构成铁磁谐振而危及设备安全 思考题与习题思考题与习题131.你怎样理解断路器开断特性的优劣，是否灭弧能力越强
