断路器开断过程知识分享

高压断路器的开断过程电气二班知识分享第一节概述第二节电阻、电容、电感电路的开断第三节断路器开断不同形式的短路第四节近区短路故障第五节反向开断第六节并联开断第七节断路器开断空载长线第八节断路器开断变压器和小电感纲要第一节概述交流电弧是否熄灭，与断路器开断的电流大小，灭弧装置的熄弧能力以及电流过零后加在断路器触头的恢复电压有关。一、影响恢复电压的主要因素：1、断路器安装地点的电网接线方式和电网的参数。断路器在电网中使用时，可能安装在不同的地点。因此，断路器开断时电网的接线方式和参数的配合可能不同，于是恢复电压变化规律不同。2、被开断电路的性质。被开断的可能是短路电流，也可能是负荷电流；可能是空载变压器的励磁电流，也可能是空载长线的电容电流。被开断的电路的性质不同，恢复电压的变化规律不同。3、发生短路故障的地点和短路种类。二、电力系统中，断路器的开断情况：1、切除线路出口短路故障，即紧靠断路器出口的短路故障。2、切除线路上的近区短路故障，即短路故障点在线路上距电源几公里处。3、反向开断。断路器安装在两个电力系统的联络线上，电力系统出现短路故障后出现失步现象。因频率不同，断路器跳闸时两侧电压可能相位相反，被切断的联络线电流可能很大，触头间的恢复电压也可能很大。4、开断或接通空载长距离线路。5、开断或接通空载变压器。6、开断发展性故障。7、并联开断。第二节电阻、电容和电感电路的开断一、开断电阻性电路u=UmSinωtR断路器切断电阻性电路时，由于电流与电压是同相位的，在电流过零时，电弧自然熄灭。电压恢复速率为：恢复电压速率较低电弧容易熄灭。dUhf/dt=2πfUmcosωttuiui触头间恢复电压与电源电压同相，恢复电压跟随电源电压增大，当ωt=π/2，即t=0.005s时，恢复电压的最大值：Uhf.m=UmuAuA：电弧电压tuiuiuAt1t2t3t4t1：断路器开断电路，触头电压按马鞍形的电弧电压变化。t2：电弧电流第一次过零，电弧自然熄灭。t3：弧隙介质强度恢复值较低，电弧重燃。t4：电弧电流第二次过零时，触头开距加大，介质强度恢复也大，电弧熄灭。断路器的开断过程如下：二、开断电容性电路断路器切断电容性电路时，电流超前于电压90度。u=UmSinωtCuciuc=-Umt1uhfUmcosωtt2t2时：电弧电流第一次过零时，电弧暂时自然熄灭。此时，电容器上的电荷因电路已经切断而不能释放，电压保持着-Um。以t2计算，电源电压的表达式为：u=-Umcosωtutuit1时：断路器开断，触头间产生电弧，触头两端的电弧电压为uA。断路器触头两端的恢复电压为：uhf=u-uc=-Umcosωt-(-Um)=Um(1-cosωt)当ωt=π，即t=0.01s时，恢复电压达到最大值：Uhf.m=Um(1-cosπ)=2Umuit1uhft2uc=-UmtUmcosωt容性电路切断时，恢复电压最大值比电阻性大一倍，但比电阻性电路出现晚0.005s，并且不是在电流过零时出现的，在电弧重燃时将会出现过电压。tui三、开断电感性电路FLSZt1：断路器开断。触头间产生电弧，触头间电压uA如图所示：CuAt1t2：电流过零电弧暂时熄灭，由于恢复电压较高，弧隙介质强度恢复值较低，在此点又即刻重燃。t2t3Uhf.m=（1.3-1.6）UmuhfUhf.m电感性电路的电弧是不易熄灭的。iut3：触头开距足够大，加之去游离作用使弧隙介质强度恢复到足够大，恢复电压不能使弧隙再击穿。恢复电压按振荡方式增加f0=1/（2π√LC），在t=（1/2）f0时出现最大值：电阻、电容、电感电路开断时恢复电压比较电阻电路电容电路电感电路恢复电压波形最大值出现时间恢复速率灭弧难易Um2Um2Um实际（1.3-1.6）t=0.005st=0.01st=1/2f0低低高容易容易，但重燃时会出现过电压不易uhftUmt=0.005suhft2Umt=0.01suhft2Umt=1/2f0第三节断路器开断不同形式的短路一、断路器开断三相短路xLÚAxLÚBxLÚCABCOO’ÚABÚBCA’B’C’ÙA’O’断路器切断短路电流时，三相每对触头间都出现电弧，但各相短路电流不会同时过零，因此三相电弧也不能同时熄灭。设开断后A相电流首先过零，则A相电弧首先熄灭。此时B、C两相电弧形成两相短路：ÚAÚBÚCÚABÚBCÙA’O’0.5ÚBC=ÙBO’ÍBCÍBCÍBCIBC=UBC/2xLA相断路器断口的工频恢复电压：Úgh.A=ÚA，B，=ÚAB+ÙBO’ÙBO’=jxLÍBC=jxLÚBC/2jxL=ÚBC/2Úgh.A=ÚAB+ÚBC/2由图可得：Úgh.A=ÚAB+ÚBC/2=1.5ÚA可见，第一相断开后，工频恢复电压为相电压的1.5倍。ÚAÚBÚCÚABÙA’O’0.5ÚBC=ÙBO’ÍBCÚBC二、断路器开断两相短路上述A相电弧熄灭后，就变成了两相短路的情形。从相量图可以看出，当ÍBC过零时，B，C两相断口的电弧同时熄灭，每段弧隙的恢复电压为：Ugh.B=Ugh.C=UBC可见，两相短路开断时，工频恢复电压为相电压的0.866倍。所以，选用高压断路器时不考虑两相短路开断。三、断路器开断单相短路断路器开断单相短路比开断三相短路的第一相容易。因为单相短路开断时的恢复电压较小（为相电压），一般认为，断路器开断单相短路的能力比三相大15%。在中性点直接接地的电力系统中，单相短路电流可能大于三相短路电流。所以，选用断路器要验算能否开断同一地点的单相短路故障（断路器的额定开断电流乘1.15）。四、中性点直接接地的恢复电压：三相短路先开断相：1.3Uxg两相短路：1.25Uxg单相短路先开断相：1.0Uxg第四节近区故障短路一、近区故障短路距离断路器安装地点几公里处发生的短路故障称近区短路故障。一般认为，断路器能可靠开断出口短路故障，就必然能开断近区短路故障。其实不然，运行经验也充分证实了这一点。这是因为：虽然近区短路故障的短路电流比出口短路电流小，可是开断近区短路故障时，断路器的恢复电压起始部分上升速率却大得多。恢复电压很快超过介质强度，发生重燃因而不能熄弧。二、近区短路故障的恢复电压L1：电源的电感C1：电源对地电容L2：线路的电感C2：线路对地电容L0：线路每公里电抗1、在S公里处的短路电流L1ABC1uAL2C2uBuhfUxgDLSIdId=Uxg/ω(L1+L2)=Uxg/ω(L1+L0S)触头间电弧未熄灭时，A、B两点的电压相等的，其幅值：UAm=UBm=√2IdωL2=L0SUxg.m/(L1+L0S)Id可见，短路点愈远则电压愈大。当短路电流过零时，电弧熄灭，此时电路被分成相互独立的两部分。在右侧部分中，电弧熄灭时，C2上的电压为UBm电弧熄灭后，UBm要在L2和C2串联回路中放电，B点电压依下式变化：uB=UBmcos2πf2tf2=1/（2π√L2C2）=1/（2πS√L0C0）其频率为：UBmuBtTBL1ABC1uAL2C2uBuhfuxg可见，故障点越远（S越大），f2越小；故障点越近（S越小），f2越大。发生近区短路故障时，S很小，f2很大（可达几万赫兹）。由于线路L0和C0是分布参数，uB不是上式的余弦波，而是锯齿波，其频率为：f2=1/4√L2C2=1/4√L0C0×1/StuB左侧电路中，A点的电压uA也要按振荡形式发生变化：UBm其频率为：uA=uxg–(Uxg.m–UAm)cos2πf1ttuAUAmUxg.mf1=1/2π√L1C1TATB通常情况下，f2比f1大得多，即f2＞＞f1。断路器触头间的恢复电压为：uhf=uA-uBTATB/2tuhf2UBm从图可知，近区故障时的恢复电压起始部分上升很快，在半个周期内达到第一个峰值2UBm，很容易超过断口的介质强度Uj，产生再击穿。开断近区故障的主要困难就在这里。tujuhf1tujujuhf2uhf3s1（小）s2（中）s3（大）本节小结：S较小时（s1）：恢复电压uhf1上升很快，但幅值较小，不易再击穿，能够灭弧。tS很大时（s3）：恢复电压uhf3上升很慢，虽然幅值很大，也易不引起再击穿，也能够灭弧。S不大不小时（s2）：恢复电压uhf2的幅值和上升都很快，容易发生再击穿，电弧无法熄灭，影响系统安全运行。第五节反相开断X1U1X2U2DL1DL2L一、反相开断如图的两个系统，当K点发生短路时，两个系统输出的有功功率将有不同程度的减少，频率增加的快慢也不一样，系统失步。两个系统完全失步时，U1和U2的电压相位可能达到反相，联络线上出现振荡电流。此时断路器的开断过程称反相开断。二、反相开断的特点IS失步时，若相位差为180度，则联络断路器触头两端电压差为：UAB=2U1被联络断路器切断的电流为：IS=2U1/ω（L1+L2）对于大电力系统，因L1和L2都很小，电流IS很大。联络断路器必须能切断这样大的电流。并且断路器跳闸后触头两端的恢复电压UAB也很大，比开断一般短路故障严重的多。所以，110KV以上断路器要进行反相开断试验。规定工频恢复电压为两倍相电压，开断电流为额定开断电流的25%。F1L2L1C2C1DLISF2DL1LAB第六节并联开断ISIS1B一、并联开断在图示接线的B点短路时，断路器并联向短路点供短路电流，又同时开断短路电流，称为并联开断。二、并联开断的特点短路电流：IS=Uxg/ω(LF1//LF2+LAB//LDB)ADIS1=ISLDB/(LAB+LDB)IS2=ISLAB/(LAB+LDB)DL1DL2BCISLF1LF2LDBDL2IS2可见，短路电流按电感分流，如果LAB和LDB相等，则IS1=IS2。假设DL1首先开断并熄弧，则DL2的短路电流可能从很小的数值猛增至很大的数值，此时DL2的触头已经分断达很大的开距，电流的猛增将会给断路器的工作带来很大困难。并联开断实际上是一种发展性故障，即故障在断路器的开断过程中。所以，超高压断路器要进行并联开断试验。第七节断路器开断空载长线X1DL1DL2X2一、开断空载长线在图示双电源线路，无论谁先开断，后开断的即构成切断健全的空载线路。由于开断空载长线触头间易多次重燃，产生很高的过电压，对输电线路和断路器本身的绝缘都是很严重的威胁，所以高压断路器必须进行此项开断试验，给出“空载线开断电流”额定值。二、空载电容流过架空线路首端断路器每相电容电流为：每公里电容电流：UN（KV）IC（A/Km）1035601102200.0170.060.10.1850.37对于10-35KV线路，电容电流较小，空载开断问题不大；220KV以上线路，电容电流可达100A以上，分裂导线将增加20%，开断困难。IC=UNωC/√3=UNωC0L/√3三、空载开断过程uLtucit1当断路器开断空载电流i时，电弧在工频零点t1时熄灭，此时uc恰好为最大值-Um。Cuc电弧熄灭后，C上的电荷无处流动，保持为-Um，而电源电压u仍然按正弦规律变化，经过半波后，在t2时，u达到Um。此时触头间的恢复电压：uUhf=Um–(-Um)=2Umt23Um5Umt3此时，如果触头尚未拉开到足够的距离，并且介质的绝缘强度也未很好的恢复，触头极有可能发生第一次重燃。这就相当于断路器切断后又瞬间重合一下，引起过渡过程和过电压。由电工原理，L-C电路由一种稳态变成另一种稳态要发生振荡，其电压的最大值：Um1=（稳态值）+（稳态值-初态值）Um1=Um+Um-（-Um）=3Um同理，如当高频振荡电流第二次过零时，电弧第二次熄灭，再经过半波后如再次发生重燃的过电压为：Um1=-Um+（-Um-3Um）=-5Um断路器重燃是产生过电压的根本原因。实测表明，超过3Um的概率小于5%，超过3.5Um的概率只有2%，因为过电压受很多因素的影响。四、影响切空载线过电压的因素2、断路器性能的影响如果断路器触头分离得很快，触头间的绝缘强度也恢复的很快，断路器就可能不会发生重燃，过电压就不高。1、击穿时刻的影响以上分析是在恢复电压达到最大值时击穿，实际上击穿可能在任意时刻发生，不同