開關電器開斷時弧隙上的電壓變化過程

1、開關電器開斷時弧隙上的電壓變化過程1.開斷三相電路時首開極弧隙上的恢復電壓恢復電壓(recovery voltage)開斷電流熄弧后，出現于開關一個極的兩端子間的電壓。該電壓可以認為是連續(xù)的兩段連續(xù)的兩段，起初是瞬態(tài)恢復電壓，接著是工頻恢復電壓。瞬態(tài)恢復電壓（transient recovery voltage, 簡稱TRV）：具有顯著瞬態(tài)特性時間內的恢復電壓。工頻恢復電壓（power-frequency recovery voltage，簡稱PFRV）：瞬態(tài)電壓現象消失后的恢復電壓。以上的基本概念是根據IEC標準和國家標準給出的。（1 1）恢復電壓的基本概念）恢復電壓的基本概念對開關電器開斷

2、性能來說，在熄弧過程中起重要作用的恢復電壓對開關電器開斷性能來說，在熄弧過程中起重要作用的恢復電壓正是瞬態(tài)恢復電壓，但它的大小又受到工頻恢復電壓大小的影響。正是瞬態(tài)恢復電壓，但它的大小又受到工頻恢復電壓大小的影響。 另外還有一種分析方法，也符合電工術語標準，即把恢復電壓看成是它的工頻分量和非工頻衰減分量兩部分疊加。這在數學分析上較為有用，從時間上自始至終將恢復電壓看成是兩個分量的疊加。這兩種分法從原則上講并不矛盾，但不能混淆。這是兩種不同場合的規(guī)定，是不同的名詞術語，且本身含義也不同。既不能簡單地把恢復電壓與瞬態(tài)恢復電壓等同，又不能把恢復電壓的工頻分量就叫做工頻恢復電壓。 （2 2）開斷單相電

3、路時的恢復電壓）開斷單相電路時的恢復電壓在斷路器出口處發(fā)生短路，則斷路器DL打開，產生電弧。在電弧電流過零時電弧熄滅，于是在間隙兩端將發(fā)生一個電壓恢復過程，最后間隙上的電壓即為電源電壓。顯然，間隙上的電壓恢復過程同時受到電網參數和弧隙參數兩方面的作用。 sinmeUtRLZCDLsinmeUtRLCBrDL假定斷路器 DL 為一個帶有并聯電阻 rB的理想弧隙（帶有 rB的目的是使討論情況具有一般化。rB代表的具體意義可有不同，后面將陸續(xù)提到）這樣， 在觸頭未打開和電弧燃燒時， 觸頭兩端沒有壓降。 電路中的電流為正弦電流； 熄弧后，弧隙即為介質，其殘余電阻為無限大。而熄弧時的電壓即為熄弧電壓XU

4、（理想弧隙時，XU應為零。這里考慮XU是為了兼顧到一般情況） 。 L、R 為發(fā)電機和線路的電感與電阻（都看作為集中參數） 。C為發(fā)電機、斷路器、線路等在斷路器觸頭處的等效總電容。通常實際電壓恢復過程的時間很短，為便于分析，認為在此過程中電源電壓瞬時值的變化并不大，以一常數0E來代表，0E為電流過零時熄弧瞬間的電源電壓瞬時值。 斷路器 DL 打開后間隙兩端的電壓恢復過程，實際上就是電源向電容C的充電過程。當開關K 閉合后在間隙上的電壓變化過程就是間隙兩端的電壓恢復過程。 在K閉合瞬間， 間隙上的電壓為XU，即熄弧電壓值，取負號表明與電源電勢反向。 BrCBhfhfrChfridtiCrudtdu

5、CiiiEuRidtdiL10LCEuBdtduBdtudhfhfhf02122LCLCrRBCrLRBBB1121從特征方程的根可以看出： 若 LCLCrRCrLRBB12122 (1) 則21,為實數，微分方程可得到非周期性過程的解答。 若 LCLCrRCrLRBB12122 (2) 則1和2為實數重根，仍得非周期性解答。 若 LCLCrRCrLRBB12122 (3) 則1和2為虛數。微分方程得到周期性過程的解答。 tXhfeUEEu1)(00第一種情況v此時電壓恢復過程為非周期性的，最大值不會超過工頻電源電壓的幅值。v恢復電壓由兩部分所組成。一是穩(wěn)態(tài)分量；另一是與穩(wěn)態(tài)分量反向的衰減分量

6、，是非周期性的上升特性。 第二種情況（臨界情況）tXhfetUEEu)1)(00恢復電壓仍是一個非周期性的過程，且最大值也不會超過工頻電源電壓的幅值。 電阻 R 串聯在回路中，如令Br，即不考慮觸頭上的并聯電阻，則式（2）變?yōu)椋?LCLR122 滿足這一條件時的串聯電阻值稱為臨界串聯電阻LjR CLRLj2 要使這個電路得到非周期性的恢復過程，就必須使串聯電阻 R 不得小于CL/2，即電阻要足夠大。但是對于電路短路情況來說，R 數值很小，因此一般不發(fā)生非周期性的電壓恢復過程。 當線路參數當線路參數L與與C為已知定值時，分析電阻為已知定值時，分析電阻R與的數值和作用與的數值和作用 在考慮并聯電阻

7、Br的作用時，認為 R也是已知定值，且通常1/BrR，則式（2）近似為： LCCrLRB12122 滿足這一條件時的并聯電阻 rB的值稱為臨界并聯電阻LjR。 則 )(21LRLCCRLj 當 R 很小時，還可近似成更簡單形式：)(21CLRLj 如并聯于理想弧隙上的電阻LjBRr 時，電壓恢復過程為非周期性；而當LjBRr 時，就為周期性過程。 第三種情況teUEEutXhf100cos)(CrLRB212212121CrLRLCrRLCBB如果考慮tEeMcos且電弧電流過零時的電源電壓瞬時值為)2/cos(tEM，為電路功率因數角，那么恢復電壓表達式為： teUEtEutXMMhf1co

8、s)sin(2cos 顯然，其中的穩(wěn)態(tài)分量就是電源的工頻電壓。 如果當弧隙上的并聯電阻Br時，即沒有并聯電阻。 是一個理想弧隙，則： LR20 稱為線路的固有振幅衰減系數； LCLRLC12120 稱為線路的固有振蕩角頻率。 而 LCf121200 稱為線路的固有振蕩頻率。 顯然，000,f都只是與線路本身的參數有關，與弧隙無關。 因此稱它們是線路所固有的特性參數。 在不計衰減時，00。則理想弧隙上的電壓變化的關系式： tUEEuXMMhf0cos)( 當0021fttM時，恢復電壓達最大值。 XMXMMhfmUEUEEu2)( 如果電弧電流過零時，0E即為工頻電源電壓的幅值ME時，則恢復電壓

9、的幅值可超過電源電壓幅值的兩倍。 當開斷時觸頭上的電壓恢復過程發(fā)生高頻振蕩，則恢復電壓的幅值和恢復速度都隨之增加，這對滅弧造成不利的影響。理想弧隙上的電壓恢復過程只取決于電網的參數。而弧隙上的并聯電阻可以改變恢復電壓的特性，即改變恢復電壓的幅值和恢復速度。當并聯電阻的數值低于臨界電阻時，還可把周期性振蕩的恢復過程轉變成非周期恢復過程。從而大大降低了恢復電壓的幅值和恢復速度。即并聯電阻可起增加斷路器開斷能力的作用。 在實際電路中，所遇到的情況并非象上述那么簡單，而要復雜得多。不僅電壓恢復過程可能是多頻率的振蕩過程，而且線路本身的參數也是分布的，因此計算只能等效近似地進行?；∠秴祵﹄妷夯謴瓦^程的

10、影響實際弧隙與理想弧隙不同，電流過零后弧隙電阻并不一定立即變成無限大，有的情況還存在著殘余電阻。正是由于有殘余電阻，才使電弧過零后，間隙上所發(fā)生的電壓恢復過程與間隙的介質強度恢復過程互相聯系和互相影響。因此，弧隙參數對恢復電壓的影響主要就是殘余弧隙參數對恢復電壓的影響主要就是殘余電阻所起的影響電阻所起的影響。 如果把一個具有殘余電阻的實際弧隙看成是一個理想弧隙與一個電阻的并聯，而這個并聯電阻就是殘余電阻。殘余電阻的存在降低了恢復電壓的幅值和恢復速度，即殘余電阻的存在降低了恢復電壓的幅值和恢復速度，即對電壓恢復過程起阻尼作用對電壓恢復過程起阻尼作用。殘余電阻大小的不同，使恢復電壓可以是周期性的振

11、蕩，也可以是非周期性過程。實際上，殘余電阻是隨時間變化的，因此阻尼作用的強弱也隨時在變化著。 實際弧隙的電壓恢復過程不僅取決于電網的參數，在很大程度上還取決于斷路器的性能。而殘余電阻的大小正是在一定條件下表征了電弧電流過零后弧隙的去游離強弱和介質強度恢復的快慢。存在著兩種不同情況的實際弧隙：當弧隙的去游離作用很強時，介質強度的恢復就快，殘余電阻就大（甚至接近或等于無限大）。此時弧隙上的電壓恢復過程主要由電網參數來決定。 相反的，當弧隙去游離作用較弱時，殘余電阻就小，電壓恢復過程在很大程度上受到殘余電阻的影響 。 （3）三相電路開斷時的恢復電壓中性點不直接接地系統(tǒng)的三相短路故障假定A相電流先過零

12、，且A極電弧熄滅 pAdUU5 . 1 首開極上的工頻電壓是1.5倍的電源相電壓，并不是電源的相電壓，這是因線路的影響所至。 經過5ms后，B、C兩相電流同時過零而電弧同時熄滅，此時電源的線電壓加在兩個串聯的斷口上，如認為兩斷口是均勻分布，則每一斷口只承擔一半電壓，但很快三相電壓均向電源電壓恢復。 中性點直接接地系統(tǒng)的三相接地短路故障首開極A極 熄弧時PadUU3 . 1即其工頻電壓為1.3倍的電源相電壓。 從電路上看，緊接著A相過零的是C相，然后才是B相電流過零。第二開斷極C極 熄弧時PcdUU25. 1即為1.25倍的電源相電壓。 C相電流分斷后，此時電路中電流只剩下B相一相，而在熄弧時的

13、工頻電壓即為電源相電壓。 首開極系數從上面分析可看出，三極斷路器分斷時，三極斷口所開斷的電流大小和其上的恢復電壓的大小均不相同。但均可得到以首開極為最高，即首開極的開斷條件最為嚴酷。因此，根據約定，在不加明確說明時，三相系統(tǒng)中的恢復電壓就是指首開極上的恢復電壓。首開極系數即為首開極的恢復電壓工頻分量有效值與電源相電壓有效值之比。 （4 4）瞬態(tài)恢復電壓）瞬態(tài)恢復電壓瞬態(tài)恢復電壓的表示法 斷路器必須在電網中可能出現的最嚴重的恢復電壓下可靠分斷。當斷路器在進行開斷能力試驗時，所施加的恢復電壓應該有一個統(tǒng)一的要求。這就對瞬態(tài)恢復電壓應有一個共同的描述方法，并按此確定額定參數?，F行標準中規(guī)定的額定瞬態(tài)

14、恢復電壓的表示法有兩種： 在某些情況下，特別是電壓高于100kV的系統(tǒng)中，短路電流相對于所考慮點的最大短路電流而言是比較大的，瞬態(tài)恢復電壓包括一個高上升率的起始階段，繼之而來的后一階段上升率比較低。這種波形一般適宜于用四參數法確定的三條線段所組成的包絡線來表示。 在另外一些情況下，特別是在電壓低于100kV的系統(tǒng)中，或系統(tǒng)電壓雖高于100kV而短路電流相對較小且經變壓器供電的條件下，瞬態(tài)恢復電壓接近于一種阻尼的單頻振蕩波，這種波形適宜用于兩參數確定的兩條線段所組成的包絡線來表示。 （1）兩參數加延時線法 以兩個基本參數和三個附加參數組成： CU瞬態(tài)恢復電壓峰值，kV； 3t峰值參考時間，s；

15、dt時延時間，s； U時延參考電壓，kV； t時延參考時間，s。 因實際試驗時，線路電容的影響，恢復電壓起始階段上升較慢，從而可能影響試驗結果，故采用加延時線來限制，即試驗時所加實際的瞬態(tài)恢復電壓波形與延時線不能相交兩點，最多只可相切于一點。 （2）四參數加延時線法 以四個基本參數和三個附參數組成： CU瞬態(tài)恢復電壓峰值，kV； 2t峰值參考時間，s； 1U第一波幅值，kV； 1t第一波幅值參考時間，s； dt時延時間，s； U時延參考電壓，kV； t時延參考時間，s。 四參數法比兩參數法更科學、合理，尤其對電壓等級較高、實際恢復電壓可能是多頻振蕩的波形更加合適。 起始瞬態(tài)恢復電壓（ITRV）

16、 在電壓較高和容量大的電網中，在開斷短路時，由于母線上電壓波反射的結果，會在恢復電壓起始上升的零點幾微秒內出現一個比第一波幅值較低的高峰，這對熄弧又起很大影響，因此在額定值中又加進了額定起始瞬態(tài)恢復電壓的要求，即起始峰電壓iU，kV，和起始峰值時間it，s。 ITRV的上升率決定于開斷的短路電流，而其幅值決定于沿母線到第一個不連續(xù)點的距離。額定ITRV表示為：在坐標原點與(ui，ti)點之間畫的直線和從(ui，ti)點作水平線與規(guī)定的TRV時延線在A點相交的直線。 2.近區(qū)故障近區(qū)故障是指在大容量的系統(tǒng)中，距斷路器出線端幾百米至幾公近區(qū)故障是指在大容量的系統(tǒng)中，距斷路器出線端幾百米至幾公里的架

17、空線路上發(fā)生的短路故障，也有稱為近距故障。里的架空線路上發(fā)生的短路故障，也有稱為近距故障。在斷路器出線端處短路，其短路電流總是最大的。短路點隨著離出線端距離的增加，則短路電流逐漸減小，這是因為線路本身存在著阻抗。起初，總認為斷路器只要能開斷最大的短路電流，則其余各點的短路故障都能開斷。隨著系統(tǒng)容量的增加，情況卻并不完全如此。1957年美國GE公司指出，斷路器可在31kV電壓下開斷45kA的母線短路電流，卻開不斷在約1800m的架空線處的16kA的短路電流。經研究分析說明，斷路器之所以開不斷在近距區(qū)域內的短路故障，主要是因為近區(qū)短路開斷時恢復電壓的波形不同。它具有上升速度很高的起始部分。從而影響

18、了斷路器的開斷能力。隨著電網的集中和容量的加大。近區(qū)故障已經成為斷路器的嚴重開斷條件。 0LDLu11LC0CAB在短路過程中，線路可近似看成是純電感性的。此時近區(qū)短路電路（有效值） )(210lLLUImdl而A、B兩點的對地電壓相等，其有效值為 1lLIUUdlBA在電流過零瞬間，斷路器DL開斷，此時電源電壓為最大值。A、B兩點也為電壓最大值，即 mBBmAmUlLLlLUUU1012在DL開斷以后，斷路器兩側不再有聯系，變成了兩個獨立的回路。它們將按各自的規(guī)律變化 BAABhfuuuutUUUuBmmmA0cos)(0001CL00021CLf斷路器左邊的電源側回路實際上就是電源對電容的

19、高頻充放電過程，最后A點的電壓將過渡到電源電壓。假定此過程中電源電壓不變。且不計衰減，以DL開斷時為計時起點。則開斷后A點的電壓變化為： 斷路器右邊的線路側回路，由于輸電線上具有非零的初始電壓分布，B 點的對地電壓將引起振蕩。根據行波過程理論。BmU將以行波速度111/1CLV （通常即為光速，skmV/3 . 01）在輸電線上進行。行波到達短路點時，由于短路，Z0，反射系數1，被反向反射回來。行波到達線路首端（B 點）時，B 點開路。1，也被全部反射。行波每走過線路長度 l 所需時間為，則 1111CLlV 經過4時間之后， 過程又重復， 在 B 點出現從BmU變到BmU、又回到BmU的三角

20、波電壓，如圖 916 所示，其頻率為： 1114141CLlf ） 三角波電壓的表達式為： )24(1 )1(1ntfUuBmnB） 式中), 3 ,2, 1 ,0(nn可根據時間 t 所在區(qū)間，由下式確定： )1(21ntfn） 線路上總有損耗，實際上 B 點的電壓也是一個衰減的三角波電壓且最后 B 點的電壓為零。 1100CLCLHzff5001恢復電壓的起始階段有一上升速度很高的部分，而且第一波幅值也達到足夠大的數值。對近區(qū)故障的開斷，主要考慮恢復電壓的起始部分，即第一波峰的情況。實際到達第一波幅值的時間很短，只有幾至幾十個微秒，在此時間內Au變化很小，即為BmU。而Bu則按表達式，且

21、n=0 確定。因此，恢復電壓的起始部分即為： tUftfUUuuuBmBmBmBAhf1104)41 (在121f時到達恢復電壓第一波峰。且第一波幅值為 BmBmmhfUfUfuA2214110因為輸電線的波阻抗111/CLZ ，且111LvZ ， ，則 1101222vzIUuAdlBmmhf 而恢復電壓起始階段的上升速度（也可簡稱恢復電壓上升速度）為： 111012444VZIlVUfdtduldlBmhfdldlISzI12 式中：12 ZS稱為恢復電壓上升速度系數。 恢復電壓的第一波幅值和上升速度是近區(qū)故障開斷時的兩個重要參數。從上面分析中可見：當在同一個輸電線開斷近區(qū)故障時，恢復電壓第一波幅值隨短路點距離l 的增加而增加；但近區(qū)短路電流dlI和恢復電壓上升速度都隨l的增加而減小。 第一波幅值的增加， 加重斷路器開斷的負擔； 而dlI和恢復電壓上升速度的減小，又使斷路器的開斷負擔減輕。對一定的斷路器必定存在一個特定的線路長度，使斷路器開斷時的負擔最重。根據分析和實驗測得，對于壓氣式6SF斷路器。影響最嚴重的情況是短路發(fā)生在nbdlII) 9 . 06 . 0(處（nbI為斷路器額定短路開斷電流） ，通常在85 . 0lkm處。 3.失步故障目前電力系統(tǒng)大多是多電源聯網供電。那些用來聯接兩個獨立電源的斷路器被稱為聯絡