第5章-不同负荷性质的关合与开断课件.ppt

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 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 其中R是短路点前的线路电阻理论推导(理想电弧近似)满足方程满足方程初始条件初始条件求解得求解得其中其中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 当 时，从式(5-1)可得 (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= 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由导电否熄弧，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： (5-5) (5-6) 整理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电电弧弧是是阻阻性性元元件件，电电弧弧电电压压(uh)总总与与电电弧弧电电流流(ih)同同相相位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，恢恢复复电电压压的的幅幅值值高高、上上升升陡陡度度快快，断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，此时式(5-7)变为： 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 则式(5-8)可写成 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 (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 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 显然，它比电路的固有角频率要小 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： 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： (5-13)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： 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 (5-14) 假设在此时刻电流全部经过r而不流入C，那么有r、C两端的电压上升率为： (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陡并联电阻能有效地阻尼恢复电压上升的陡度和幅值。

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 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，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 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 (5-16) 而A相过零熄弧后，有 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： (5-17) 后两相的燃弧n需需要要指指出出的的是是，实实际际电电网网的的结结构构要要复复杂杂得得多多，且且线线路路是是分分布布参参数数，线线路路电电阻阻也也必必然然存存在在，这这里里只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1.5UPn由于后两相的燃弧时间要长一些，这对某些断路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11。