斷路器開斷過程知識分享

1、高壓斷路器的開斷過程,電氣二班知識分享,第一節(jié) 概述,第二節(jié) 電阻、電容、電感電路的開斷,第三節(jié) 斷路器開斷不同形式的短路,第四節(jié) 近區(qū)短路故障,第五節(jié) 反向開斷,第六節(jié) 并聯(lián)開斷,第七節(jié) 斷路器開斷空載長線,第八節(jié) 斷路器開斷變壓器和小電感,綱 要,第一節(jié) 概 述,交流電弧是否熄滅，與斷路器開斷的電流大小，滅弧裝置的熄弧能力以及電流過零后加在斷路器觸頭的恢復電壓有關。,一、影響恢復電壓的主要因素：,1、斷路器安裝地點的電網(wǎng)接線方式和電網(wǎng)的參數(shù)。斷路器在電網(wǎng)中使用時，可能安裝在不同的地點。因此，斷路器開斷時電網(wǎng)的接線方式和參數(shù)的配合可能不同，于是恢復電壓變化規(guī)律不同。,2、被開斷電路的性質。被

2、開斷的可能是短路電流，也可能是負荷電流；可能是空載變壓器的勵磁電流，也可能是空載長線的電容電流。被開斷的電路的性質不同，恢復電壓的變化規(guī)律不同。,3、發(fā)生短路故障的地點和短路種類。,二、電力系統(tǒng)中，斷路器的開斷情況：,1、切除線路出口短路故障，即緊靠斷路器出口的短路故障。,2、切除線路上的近區(qū)短路故障，即短路故障點在線路上距電源幾公里處。,3、反向開斷。斷路器安裝在兩個電力系統(tǒng)的聯(lián)絡線上，電力系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障后出現(xiàn)失步現(xiàn)象。因頻率不同，斷路器跳閘時兩側電壓可能相位相反，被切斷的聯(lián)絡線電流可能很大，觸頭間的恢復電壓也可能很大。,4、開斷或接通空載長距離線路。,5、開斷或接通空載變壓器。,6、開斷

3、發(fā)展性故障。,7、并聯(lián)開斷。,第二節(jié) 電阻、電容和電感電路的開斷,一、開斷電阻性電路,斷路器切斷電阻性電路時，由于電流與電壓是同相位的，在電流過零時，電弧自然熄滅。,電壓恢復速率為：,恢復電壓速率較低電弧容易熄滅。,dUhf/dt= 2f Um cos t,觸頭間恢復電壓與電源電壓同相，恢復電壓跟隨電源電壓增大，當t= /2，即t=0.005s時，恢復電壓的最大值：,Uhf.m= Um,t1：斷路器開斷電路，觸頭電壓按馬鞍形的電弧 電壓變化。,t2：電弧電流第一次過零，電弧自然熄滅。,t3：弧隙介質強度恢復值較低，電弧重燃。,t4：電弧電流第二次過零時，觸頭開距加大，介質 強度恢復也大，電弧熄

4、滅。,斷路器的開斷過程如下：,二、開斷電容性電路,斷路器切斷電容性電路時，電流超前于電壓90度。,t2時：電弧電流第一次過零時，電弧暫時自然熄滅。,此時，電容器上的電荷因電路已經(jīng)切斷而不能釋放，電壓保持著- Um 。,以t2計算，電源電壓的表達式為：,u = - Um cos t,t1時：斷路器開斷，觸頭間產(chǎn)生電弧，觸頭兩端的電弧電壓為uA。,斷路器觸頭兩端的恢復電壓為：,uhf= u-uc = - Um cos t - (- Um )= Um(1- cos t),當t= ，即t=0.01s時，恢復電壓達到最大值：,Uhf.m= Um(1- cos )=2 Um,ui,t1,t2,uc= -U

5、m,t,Umcost,容性電路切斷時，恢復電壓最大值比電阻性大一倍，但比電阻性電路出現(xiàn)晚0.005s，并且不是在電流過零時出現(xiàn)的，在電弧重燃時將會出現(xiàn)過電壓。,三、開斷電感性電路,t1：斷路器開斷。觸頭間產(chǎn)生電弧，觸頭間電壓uA如圖所示：,t2 ：電流過零電弧暫時熄滅，由于恢復電壓較高，弧隙介質強度恢復值較低，在此點又即刻重燃。,Uhf.m= （1.3-1.6）Um,電感性電路的電弧是不易熄滅的。,電阻電路,電容電路,電感電路,恢復電壓波形,最大值,出現(xiàn)時間,恢復速率,滅弧難易,Um,2Um,2Um 實際（1.3-1.6）,t=0.005s,t=0.01s,t=1/2f0,低,低,高,容易,容

6、易，但重燃時會出現(xiàn)過電壓,不易,第三節(jié) 斷路器開斷不同形式的短路,一、斷路器開斷三相短路,xL, A,xL, B,xL, C,A,B,C,O,O,AB,BC,A,B,C,斷路器切斷短路電流時，三相每對觸頭間都出現(xiàn)電弧，但各相短路電流不會同時過零，因此三相電弧也不能同時熄滅。,設開斷后A相電流首先過零，則A相電弧首先熄滅。此時B、C兩相電弧形成兩相短路：,I BC = UBC /2 xL,A相斷路器斷口的工頻恢復電壓：, gh.A= A，B， = AB + B O, B O = jxL BC = jxL BC /2 jxL =BC /2, gh.A = AB + BC /2,由圖可得： gh.A

7、 = AB + BC /2=1.5A,可見，第一相斷開后，工頻恢復電壓為相電壓的1.5倍。,二、斷路器開斷兩相短路,上述A相電弧熄滅后，就變成了兩相短路的情形。,從相量圖可以看出，當 BC過零時，B，C兩相斷口的電弧同時熄滅，每段弧隙的恢復電壓為：,Ugh.B = U gh.C = UBC,可見，兩相短路開斷時，工頻恢復電壓為相電壓的0.866倍。所以，選用高壓斷路器時不考慮兩相短路開斷。,三、斷路器開斷單相短路,斷路器開斷單相短路比開斷三相短路的第一相容易。因為單相短路開斷時的恢復電壓較?。橄嚯妷海?，一般認為，斷路器開斷單相短路的能力比三相大15%。,在中性點直接接地的電力系統(tǒng)中，單相短路

8、電流可能大于三相短路電流。所以，選用斷路器要驗算能否開斷同一地點的單相短路故障（斷路器的額定開斷電流乘1.15）。,四、中性點直接接地的恢復電壓：,三相短路先開斷相：1.3Uxg,兩相短路：1.25Uxg,單相短路先開斷相：1.0Uxg,第四節(jié) 近區(qū)故障短路,一、 近區(qū)故障短路,距離斷路器安裝地點幾公里處發(fā)生的短路故障稱近區(qū)短路故障。,一般認為，斷路器能可靠開斷出口短路故障，就必然能開斷近區(qū)短路故障。其實不然，運行經(jīng)驗也充分證實了這一點。,這是因為：雖然近區(qū)短路故障的短路電流比出口短路電流小，可是開斷近區(qū)短路故障時，斷路器的恢復電壓起始部分上升速率卻大得多?；謴碗妷汉芸斐^介質強度，發(fā)生重燃因

9、而不能熄弧。,二、近區(qū)短路故障的恢復電壓,L1：電源的電感 C1：電源對地電容 L2：線路的電感 C2：線路對地電容 L0 ：線路每公里電抗,1、在S公里處的短路電流,Id = Uxg / (L1 + L2) = Uxg / (L1 +L0 S),觸頭間電弧未熄滅時，A、B兩點的電壓相等的，其幅值：,可見，短路點愈遠則電壓愈大。,當短路電流過零時，電弧熄滅，此時電路被分成相互獨立的兩部分。,在右側部分中，電弧熄滅時， C2上的電壓為UBm電弧熄滅后， UBm要在L2和C2串聯(lián)回路中放電，B點電壓依下式變化：,u B= UBm cos 2 f2 t,其頻率為：,TB,可見，故障點越遠（S越大）

10、， f2越??；故障點越近（S越小） ， f2越大 。發(fā)生近區(qū)短路故障時，S很小， f2很大（可達幾萬赫茲）。,由于線路L0和C0是分布參數(shù)， u B不是上式的余弦波，而是鋸齒波，其頻率為：,左側電路中，A點的電壓u A也要按振蕩形式發(fā)生變化：,其頻率為：,u A= uxg (Uxg.m UAm ) cos 2 f1 t,TB,通常情況下， f2比f1大得多，即f2 f1 。,斷路器觸頭間的恢復電壓為：,uhf= uA - uB,從圖可知，近區(qū)故障時的恢復電壓起始部分上升很快，在半個周期內達到第一個峰值2UBm ，很容易超過斷口的介質強度Uj ，產(chǎn)生再擊穿。,開斷近區(qū)故障的主要困難就在這里。,s

11、1 （?。?s2 （中）,s3 （大）,本節(jié)小結：,S較小時（ s1 ）：恢復電壓uhf1上升很快，但幅值較小，不易再擊穿，能夠滅弧。,S很大時（ s3 ）：恢復電壓uhf3上升很慢，雖然幅值很大，也易不引起再擊穿，也能夠滅弧。,S不大不小時（ s2 ）：恢復電壓uhf2的幅值和上升都很快，容易發(fā)生再擊穿，電弧無法熄滅，影響系統(tǒng)安全運行。,第五節(jié) 反相開斷,一、反相開斷,如圖的兩個系統(tǒng)，當K點發(fā)生短路時，兩個系統(tǒng)輸出的有功功率將有不同程度的減少，頻率增加的快慢也不一樣，系統(tǒng)失步。,兩個系統(tǒng)完全失步時，U1和U2的電壓相位可能達到反相，聯(lián)絡線上出現(xiàn)振蕩電流。此時斷路器的開斷過程稱反相開斷。,二、

12、反相開斷的特點,失步時，若相位差為180度，則聯(lián)絡斷路器觸頭兩端電壓差為：,UAB = 2 U1,被聯(lián)絡斷路器切斷的電流為：,IS = 2U1 / （ L1 + L2 ）,對于大電力系統(tǒng)，因L1和L2都很小，電流IS很大。聯(lián)絡斷路器必須能切斷這樣大的電流。并且斷路器跳閘后觸頭兩端的恢復電壓UAB也很大，比開斷一般短路故障嚴重的多。,所以，110KV以上斷路器要進行反相開斷試驗。規(guī)定工頻恢復電壓為兩倍相電壓，開斷電流為額定開斷電流的25%。,第六節(jié) 并聯(lián)開斷,一、并聯(lián)開斷,在圖示接線的B點短路時，斷路器并聯(lián)向短路點供短路電流，又同時開斷短路電流，稱為并聯(lián)開斷。,二、并聯(lián)開斷的特點,短路電流：,I

13、S = Uxg / (LF1 / LF2 + LAB / LDB),IS1 = IS LDB/ (LAB+ LDB),IS2 = IS LAB/ (LAB+ LDB),可見，短路電流按電感分流，如果LAB和LDB相等，則IS1 = IS2 。,假設DL1首先開斷并熄弧，則DL2的短路電流可能從很小的數(shù)值猛增至很大的數(shù)值，此時DL2的觸頭已經(jīng)分斷達很大的開距，電流的猛增將會給斷路器的工作帶來很大困難。,并聯(lián)開斷實際上是一種發(fā)展性故障，即故障在斷路器的開斷過程中。所以，超高壓斷路器要進行并聯(lián)開斷試驗。,第七節(jié) 斷路器開斷空載長線,一、開斷空載長線,在圖示雙電源線路，無論誰先開斷，后開斷的即構成切斷

14、健全的空載線路。,由于開斷空載長線觸頭間易多次重燃，產(chǎn)生很高的過電壓，對輸電線路和斷路器本身的絕緣都是很嚴重的威脅，所以高壓斷路器必須進行此項開斷試驗，給出“空載線開斷電流”額定值。,二、空載電容,流過架空線路首端斷路器每相電容電流為：,每公里電容電流：,UN（KV）,IC（A/Km）,10,35,60,110,220,0.017,0.06,0.1,0.185,0.37,對于10-35KV線路，電容電流較小，空載開斷問題不大；220KV以上線路，電容電流可達100A以上，分裂導線將增加20%，開斷困難。,三、空載開斷過程,uc,當斷路器開斷空載電流 i 時，電弧在工頻零點 t1時熄滅，此時 u

15、c 恰好為最大值 - Um 。,電弧熄滅后，C上的電荷無處流動，保持為-Um ，而電源電壓 u 仍然按正弦規(guī)律變化，經(jīng)過半波后，在t2時， u 達到Um 。此時觸頭間的恢復電壓：,Uhf = Um ( -Um )=2 Um,3Um,5Um,此時，如果觸頭尚未拉開到足夠的距離，并且介質的絕緣強度也未很好的恢復，觸頭極有可能發(fā)生第一次重燃。這就相當于斷路器切斷后又瞬間重合一下，引起過渡過程和過電壓。,由電工原理，L-C電路由一種穩(wěn)態(tài)變成另一種穩(wěn)態(tài)要發(fā)生振蕩，其電壓的最大值：,Um1 =（穩(wěn)態(tài)值）+（穩(wěn)態(tài)值-初態(tài)值）,Um1 =Um+Um-（-Um）=3Um,同理，如當高頻振蕩電流第二次過零時，電弧

16、第二次熄滅，再經(jīng)過半波后如再次發(fā)生重燃的過電壓為：,Um1 = -Um+ （- Um- 3Um）= - 5Um,斷路器重燃是產(chǎn)生過電壓的根本原因。,實測表明，超過3Um的概率小于5%，超過3.5Um的概率只有2%，因為過電壓受很多因素的影響。,四、影響切空載線過電壓的因素,2、斷路器性能的影響,如果斷路器觸頭分離得很快，觸頭間的絕緣強度也恢復的很快，斷路器就可能不會發(fā)生重燃，過電壓就不高。,1、擊穿時刻的影響,以上分析是在恢復電壓達到最大值時擊穿，實際上擊穿可能在任意時刻發(fā)生，不同時刻擊穿的過電壓是不同的。,3、中性點接地方式的影響,4、切空載線路時運行方式的影響,五、限制切空載線過電壓的措施

17、,1、采用不重燃斷路器，SW2、LW6220。 其中LW6220切、合全長369公里10次無重燃。,2、降低恢復電壓,1）裝設并聯(lián)電阻,2）采用泄流設備。在線路側裝設并聯(lián)電抗器和電磁式電壓互感器。,3、采用避雷器。采用磁吹 避雷器和氧化鋅避雷器。,第八節(jié) 開斷空載變壓器和小電感電流,一、截流現(xiàn)象,空載變壓器的電流很小，如果斷路器的熄弧能力很強，其電弧不在電流過零就被熄滅，因變壓器的電感L0很大，所以L0 di / dt很大，產(chǎn)生過電壓。,這種從某一數(shù)值突然降為零值的現(xiàn)象稱為截流。,二、截流過電壓,WL =1/2 L0 i02,截流后磁場能量全部變成C0的電場能量：,WC =1/2 C0 Um2,過電壓的最大值：,統(tǒng)計表名，在中性點直接接地的110-330KV電網(wǎng)中，此種過電壓一般不超過3倍，最高達6倍；中性點不接地電網(wǎng)中，一般不超過4倍，最高可達7.4倍。,原先儲存在電感中的能量為：,三、影響切空載變壓器過電