短時耐受電流試驗分析.doc

短時耐受電流能力試驗第1節(jié) 概述短時耐受電流能力試驗，是用來考核開關(guān)電器在發(fā)生過載和短路故障的情況下，并不分?jǐn)嚯娐返珣?yīng)能承受短時間、大電流所形成的點動力和熱效應(yīng)的作用而不致破快的能力。由于開關(guān)電器所使用的場合不同，短時耐受電流能力試驗可分為兩種：（1） 額定短時耐受電流的承載能力試驗。（2） 耐受過載電流能力試驗。低壓配電線路發(fā)生短路故障時，由于線路總阻抗減小，短路電流超過該線路的額定電流許多倍，對于大容量的低壓配電系統(tǒng)，短路電流可能達(dá)到幾萬到幾十萬安培。短路電流產(chǎn)生的巨大電動力效應(yīng)和熱效應(yīng)會使導(dǎo)體變形、絕緣破壞、短路電路中的電氣元件損壞。裝置在線路上的電器在短路障礙的短暫時間內(nèi)應(yīng)該能經(jīng)受住短路電流的沖擊，不受破壞。籠型電動機(jī)啟動時，電動機(jī)的啟動電流較大，一般均大于6倍電動機(jī)的額定電流，用于接通和分?jǐn)嚯妱訖C(jī)的電器，應(yīng)能耐受由于啟動和加速電動機(jī)過程中出現(xiàn)的過電流及正常工作中一定時間內(nèi)過載所引用的過電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)。短路故障電流通過電器時，同時產(chǎn)生點動力效應(yīng)和熱效應(yīng)，并同時對電器起作用，而且這兩種效應(yīng)對電器的破壞作用又是相互關(guān)聯(lián)的。電動力效應(yīng)在電器的動、靜觸頭間所產(chǎn)生的斥力可使觸頭的接觸電阻增大，從而增大觸頭的發(fā)熱，即熱效應(yīng)增加。而熱效應(yīng)可使電器的所有載流部件的機(jī)械強度下降，從而降低了耐受電動力的能力。因此，電動穩(wěn)定性試驗和熱穩(wěn)定性試驗嚴(yán)格說來是不應(yīng)該分開進(jìn)行的。短時耐受電流能力試驗就是對電器的電動穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的一種綜合考核 。圖7-1 平行直流載流導(dǎo)體間的電動力1、 電動力分析因為通有電流的導(dǎo)體在其周圍要形成 磁場，而處于磁場中的載流導(dǎo)體要受到機(jī)械力的作用，所以兩個載流導(dǎo)體 之間也同樣存在機(jī)械力的作用，這種由于電流的存在而產(chǎn)生的力通常稱為電動力。1、 兩導(dǎo)體間的點動力。如圖7-1所示的兩平行直線導(dǎo)體，導(dǎo)體a中通過的電流在導(dǎo)體b處產(chǎn)生磁場，其強度為，的大小正比于導(dǎo)體a中的電流值，即，磁場的方向可用右手螺旋定則來確定。處于磁場中載流導(dǎo)體b受到電動力F的作用，磁場對載流導(dǎo)體的作用力方向可用左手定則來判定，而F的大小正比于磁感應(yīng)強度B和導(dǎo)體b中的電流，即。同理可知，處于載流導(dǎo)體b所產(chǎn)生的磁場中的載流導(dǎo)體a同樣受到電動力F的作用。a、b兩導(dǎo)體的電動力可簡單表示為 （7-1）式中 每相導(dǎo)體上所受的點動力； 單位電流的電動力，決定于導(dǎo)體的回路形式、導(dǎo)體長度及相互間的位置； 導(dǎo)體中所通過的電流值。在電器結(jié)構(gòu)中的載流導(dǎo)體間，如圖7-2所示的兩平行或垂直的直流載流導(dǎo)體、兩同軸線且平行放置的載流線圈、環(huán)形或U形回路等，都有電動力的相互作用。圖7-2 各種導(dǎo)體布置的電動力在式（7-1）中，如，則 （7-2）由式（7-2）可知，導(dǎo)體間相互作用的電動力F不僅與通過導(dǎo)體的電流有關(guān)，也與電器的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。但力F與電流I的平方成正比，因此電流大小對電動力的影響是主要的。2、 觸頭間的電動力當(dāng)電流通過觸頭的接觸點時，由于電流線在接觸面附近發(fā)生收縮，在觸頭間會產(chǎn)生點動力，這是一種電流自身磁場作用下的電動力，如圖7-3所示。如果把電流線看作載流元導(dǎo)體，各元導(dǎo)體所受電動力F垂直于電流線，將電動力F分解成水平方向分力和垂直方向分力，因電流線分布對稱，則水平方向分力相抵消，接觸面兩側(cè)垂直方向分力相加，且其合力方向相反，這就是觸頭間的電動斥力。根據(jù)觸頭接觸面附近電流的收縮區(qū)電流電位場的理論分析，觸頭間的電動斥力與觸頭電流的平方成正比，當(dāng)短路故障電流通過觸頭時，在觸頭間產(chǎn)生很大的電動斥力，當(dāng)電動斥力大于觸頭壓力時，就會使觸頭斥開而產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致觸頭的嚴(yán)重?zé)龘p或發(fā)生觸頭熔焊，甚至整合電器遭到破壞，以致擴(kuò)大短路事故。3、 交流電流時的電動力式（7-2）同樣適用于交流電，設(shè)導(dǎo)體系統(tǒng)中通有相位相同的單相正弦電流時的電流式中 交流正弦電流的幅值。則導(dǎo)體所受的電動力為 由式（7-4）可知，單相交流正弦電流的電動力由兩部分所組成：一部分為恒定分量，也是交流電動力的平均值；另一部分是交變分量，它以兩倍電源的頻率而變化。單相交流電流時電動力隨時間的變化規(guī)律如圖7-4所示。從圖7-4可見，電動力的最大值為恒定分量的兩邊，即 電動力的最小值為 電動力的作用方向不變。圖7-4 單相交流電流的電動力曲線當(dāng)發(fā)生單相短路時，短路電流的過渡過程中常包括周期分量和非周期分量兩部分，周期分量的大小和回路的功率因素角、短路瞬間電壓的相位角有關(guān)。設(shè)短路前電流為零，短路時的電源電源為 式中 交流電源電壓的幅值； 短路瞬間電壓的相位角。根據(jù)短路的過渡過程分析，短路電流為 式中 電路阻抗； 電流滯后電壓的相角； 電路電阻； 電路電感； 短路電流周期分量的幅值。式（7-6）中第一項為周期分量即穩(wěn)態(tài)分量，第二項為非周期分量即暫態(tài)分量。圖7-5給出了單相短路電流隨時間的變化規(guī)律。圖7-5 單相短路電流曲線由式（7-6）可知，當(dāng)合閘相角時，電流中非周期分量為零，也就是說，短路后不經(jīng)過過渡過程而立即立即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)合閘相角時，非周期分量電流最大，短路電路過渡過程最長。要計算可能發(fā)生的最大電動力，就應(yīng)按可能出現(xiàn)的最大電流來考慮。當(dāng)時候，最大，即 （7-7）當(dāng)，即，即第一個周期電流峰值，稱為短路沖擊電流。此時出現(xiàn)最大電動力，即。與此相應(yīng)所產(chǎn)生的電動力隨時間的變化曲線如圖7-6所示。可知，電動力的方向不變，而電動力的數(shù)值是變化的，可將電動力隨時間的變化曲線分為兩列半波，一列半波有逐漸減小的峰值；另一列半波有逐漸增大的峰值。當(dāng)電流達(dá)到穩(wěn)定值后，短路電流中非周期分量即完全消失，此時電動力的兩列半波的峰值也趨于相等，電器結(jié)構(gòu)的機(jī)械強度應(yīng)以電動力的最大值來參考，因此，允許通過的最大峰值電流是短時耐受電流能力試驗的一項主要參數(shù)指標(biāo)，稱為峰值耐受電流，這一電流一般相當(dāng)于短路電流第一個周波的峰值。在三相交流電流系統(tǒng)中，如果各相的負(fù)載相同就，即在負(fù)載對稱的情況下，則各相電流也必然是正弦對稱三相電流，即各相電流的幅值相等而相位互差。三相電力系統(tǒng)的短路形式有多重，其短路電流值及電動力也均不相同。在三相對稱短路時，由于各相電流的相位不同，各相短路電流交替改變其大小和方向，三相導(dǎo)體之間的電動力要由電流瞬時值的大小和方向來決定，在同一短路電流值下，單相短路的電動力大于三相短路的電動力。這是因為在單相短路時，兩相位導(dǎo)體中同時出現(xiàn)短路電流的最大峰值，所以電動力最大；而三相對稱短路時，在三相導(dǎo)體系統(tǒng)中不會同時出現(xiàn)短路電流的最大峰值，三極開關(guān)電器在進(jìn)行三相交流短時耐受電流能力試驗時，除各相的第一周期峰值電流不相同以外，如果第一個周期最大峰值電流是出現(xiàn)在三相的中間相或是出現(xiàn)在三相的邊相（任一邊相），其綜合電動力也將不同。根據(jù)計算分析可知，當(dāng)?shù)谝粋€周期最大峰值電流出現(xiàn)在中間相時將在此開關(guān)極上產(chǎn)生最大的電動力、它比第一個周期最大峰值電流出現(xiàn)在邊相上時的電動力更大。但也必須指出，這時試品更合理的做法應(yīng)是，采用選相合閘開關(guān)把最大峰值電流輪流地加在每極上依次考核。2、 熱效應(yīng)的概念電網(wǎng)發(fā)生短路的一種嚴(yán)重故障，要求保護(hù)電器必須迅速動作，在幾秒鐘或更短的時間內(nèi)切除故障。因此，這就要求主電路上的電路能承受短時間內(nèi)的短路電流發(fā)熱的考驗。即電器能承受故障電流所形成的熱效應(yīng)作用而不致被破壞。電器的導(dǎo)體被短路電流加熱的特征是：電流的數(shù)值很大而持續(xù)時間很短。在這很短的時間內(nèi)，由短路電流所產(chǎn)生的熱量幾乎全部用來升高導(dǎo)體自身的溫度，而來不及向周圍散熱。因此，電路溫度上升很快。如果由于線路發(fā)生短路，電流突然猛增至電器額定電流的幾十倍甚至上百倍時，就會在電器中產(chǎn)生強烈的發(fā)熱。當(dāng)溫升超過一定的限度時，電器的導(dǎo)電零件和觸頭等就必然發(fā)生熔焊、變形或機(jī)械輕度降低；絕緣材料也必然迅速老化，絕緣性能下降；甚至燒毀整臺產(chǎn)品，進(jìn)而擴(kuò)大短路事故。如果電器通電后，其全部發(fā)熱均為電器吸收，并使其溫度升高（散熱為零），則熱平衡關(guān)系變?yōu)?（7-8） （7-9）式中 發(fā)熱體的溫升； 附加損耗系數(shù)； 發(fā)熱體電阻； 發(fā)熱體比熱容； 發(fā)熱體質(zhì)量。由式（7-9）可知，電器在絕熱情況下，溫升與成正比。因此，除第一個周期峰值電流外，穩(wěn)態(tài)電流I和通電持續(xù)時間也是考核短時耐受電流能力的兩個主要 參數(shù)指標(biāo)。前者稱為短時耐受電流，對交流來說是周期分量有效值；對直流來說是穩(wěn)態(tài)電流值。第2節(jié) 額定短時耐受電流的承載能力試驗額定短時耐受電流的承載能力試驗是考核電器在實際運行中當(dāng)電路發(fā)生短時短路故障時是否能耐受此電流的一種模擬試驗。由于在試驗過程中電器只承載試驗電流，而不接通也不分?jǐn)啻嗽囼炿娏鳎虼?，它與前述的短路接通和分段能力試驗及溫升試驗既有相同點又有不同點。相同點是短路故障電流較大，因而對試驗設(shè)備和線路的要求基本相同；不同點是時間很短，不油被試電器分?jǐn)嘣囼炿娐?，而是人為切斷電源。表征電器承載短路電流能力的參數(shù)是額定短路耐受電流，電器的額定短時耐受電流是在有關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗條件下電器能夠無損地承載的短時耐受電流值。該值由制造廠規(guī)定?，F(xiàn)以低壓斷路器產(chǎn)品為例介紹額定短時耐受電流的承載能力試驗方法。一、試驗條件進(jìn)行額定短時耐受電流的承載能力試驗時，被試電器和試驗電路等應(yīng)滿足如下要求。1、被試電器（1） 試驗應(yīng)該在完好的電器上進(jìn)行。（2） 被試電器應(yīng)按正常使用情況 接線并完整安裝在其固有支架或等效的支架上。（3） 施加到電器接線端子螺釘上的擰緊力矩應(yīng)按制造廠的規(guī)定。（4） 具有整體外殼（構(gòu)成裝置一部分的外殼）的電器應(yīng)完整地安裝在外殼中，正常工作時通常關(guān)閉的孔，在試驗時應(yīng)關(guān)閉。（5） 預(yù)期使用在單獨外殼（僅為容納一臺電器而設(shè)計和確定尺寸的外殼）中的電器，應(yīng)在制造廠規(guī)定的最小外殼中進(jìn)行試驗。（6） 電器應(yīng)在自由空氣中進(jìn)行試驗。（7） 電器在試驗前可以空載操作幾次。 低壓斷路器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的附加要求如下。（1） 除非有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)另有規(guī)定，試驗實在給定殼架等級最大額定電流的斷路器上進(jìn)行，而且被認(rèn)為是包括了該殼架等級的所有額定電流。（2） 試驗時，應(yīng)使斷路器盡可能模擬運行情況進(jìn)行操作。裝設(shè)有關(guān)動力操作的斷路器，試驗時應(yīng)采用控制能源（電壓或氣壓）在其額定值的85%下進(jìn)行閉合。裝設(shè)無關(guān)動作操作的斷路器，試驗時應(yīng)采用儲能到制造廠規(guī)定的最大值的操動機(jī)構(gòu)來完成閉合。假設(shè)儲能操作的斷路器，試驗時應(yīng)采用以輔助電源額定電壓的85%儲能的操作裝置進(jìn)行閉合。（3） 試驗時，斷路器應(yīng)處于閉合位置。如果斷路器具有過電流脫扣器，包括瞬時超越脫扣器（如果有的話），則在試驗過程中很 有可能動作，這是不允許的。為此，應(yīng)采取措施阻止脫扣器動作或使其動作失效。2、試驗電路（1） 試驗電路由電源、負(fù)載電阻器、負(fù)載電抗器和被試電器組成。（2） 電源應(yīng)有足夠的容量，以保證制造廠規(guī)定的電器特性能夠得以驗證。（3） 交流電源可以是沖擊發(fā)電機(jī)或電源變壓器，電源空載電壓波形基本上為正弦，其波線失真不大于5%。（4） 直流電源可以是發(fā)電機(jī)、蓄電池或三相橋式整流電源，電源空載電壓的波紋系數(shù)應(yīng)不大于5%。（5） 試驗負(fù)載應(yīng)由電阻器串聯(lián)空心電抗器組成，電阻器和電抗器應(yīng)能調(diào)整到滿足規(guī)定的試驗條件。電抗值應(yīng)由各個電抗器串聯(lián)耦合得到。只有并聯(lián)的電抗器具有實際上相同的時間常數(shù)的條件下，才允許電抗器并聯(lián)連接。二、試驗依據(jù)斷路器的額定短時耐受電流是制造廠按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗條件下對斷路器確定的短時耐受電流值。額定短時耐受電流應(yīng)不小于表7-1所示的相應(yīng)值。與額定短時耐受電流相應(yīng)的短延時應(yīng)不小于0.05s，其優(yōu)選值為0.05、0.1、0.25、0.5、1s。斷路器應(yīng)處于閉合位置進(jìn)行試驗，預(yù)期電流等于額定短時耐受電流，并在相應(yīng)的工作電壓和規(guī)定的一般條件下進(jìn)行試驗。若試驗站用額定工作電壓進(jìn)行試驗有困難的話，則可在任何合適的較低電壓下進(jìn)行試驗，在此情況下實際試驗電流等于額定短時耐受電流。1、 交流情況下試驗應(yīng)在斷路器的額定頻率下進(jìn)行，頻率的允差為，功率因素根據(jù)表6-9所對應(yīng)的試驗電流，即額定短時耐受電流確定。試驗整定電流值是所有相交電流分量有效值的平均值，平均值應(yīng)等于額定值，整定電流的允差為。每相電流的允差應(yīng)是額定值的。當(dāng)試驗在額定工作電壓下進(jìn)行時候=，整定電流是預(yù)期電流。當(dāng)試驗在任何較低的電壓下進(jìn)行時，整定電流是實際試驗電流。通電時間應(yīng)達(dá)到規(guī)定時間，在此時間內(nèi)交流分量的有效值應(yīng)保持恒定。試驗整定電流在第一個周波中的最大峰值應(yīng)不小于n倍額定短時耐受電流，對應(yīng)于該電流值的n值按表6-9選擇。如果實驗站的特性不能滿足上述要求時，允許作一下適當(dāng)變更，但應(yīng)滿足如下要求。1） 保證不小于規(guī)定值 （7-10）式中 試驗的通電時間； 交流分量不是恒定或有效值不等于額定短時耐受電流時的試驗整定電流； 規(guī)定的通電時間； 交流分量恒定且其有效值等于額定耐受電流時的試驗整定電流。2） 保證最大峰值電流不小于規(guī)定值。如果實驗站的短路電流的衰減使其在通電起始沒有過高的電流而不能得到規(guī)定時間的額定短時耐受電流，則試驗時電流有效值允許下降至地獄規(guī)定值，而通電時間適當(dāng)增加，但最大峰值電流應(yīng)不小于規(guī)定值。如果為了得到規(guī)定的電流峰值，而電流的有效值必須增加至規(guī)定值以上，則試時應(yīng)相應(yīng)減少。2、 直流情況下短路應(yīng)施加規(guī)定的電流值，承載規(guī)定的時間，從整定電流記錄波形中確定其平均值應(yīng)至少等于額定短時耐受電流。如果試驗站的特性在通電起始沒有過高的電流而不能得到規(guī)定時間的額定短時耐受電流，則試驗時電流允許下降至低于規(guī)定值，而通電時間適當(dāng)增加，但最大電流值應(yīng)不小于規(guī)定值。如果實驗站不能進(jìn)行上述直流試驗，則在制造廠和用戶的同意下，某些斷路器可以應(yīng)用交流代替直流試驗。但應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，例如防止試驗電流的峰值超過規(guī)定電流的允許范圍。圖7-7 單極電器的單相交流或直流試驗電路圖G-電源；QP-保護(hù)開關(guān)；PV-電壓測量器；R-可調(diào)電阻器；L-可調(diào)電抗器；SV1、SV2-電壓傳感器；Q-合閘開關(guān)；QF-被試電器（保護(hù)連接電纜）；W-整定用臨時連接線；SA-電流傳感器；E接地點（負(fù)載側(cè)或電源側(cè)僅一點接地）3、 試驗電路額定短時耐受電流的承載能力試驗主電路與短路接通和分?jǐn)嗄芰υ囼炛麟娐奉愅?，在電源端保護(hù)開關(guān)。（1） 單機(jī)電器的單相交流或直流試驗電路如圖7-7所示。（2） 雙極電器的單相交流或直流試驗電路如圖7-8所示。（3） 三極電器的三相交流試驗電路如圖7-9所示。 額定短時耐受電流的承載能力試驗是模擬電路發(fā)生短時故障的條件，它是在被試電器出線端處于短接的情況下驗證電器承受短路電流作用的能力。因此在試驗電路圖7-7圖7-9中，負(fù)載電阻器R和負(fù)載電抗器L應(yīng)鏈接在電源G和被試電器QF之間，被試電器后面不接負(fù)載阻抗。試驗電路應(yīng)有一點接地也允許一點接地，接地點可以是短路連接點、電源中性點或任何其他合適點。試驗電壓可用電壓表PV接在試驗電路的電源端直接測量，在電壓超過1kV時，可通過電壓傳感器SV用光線示波器來測量其波形。并聯(lián)于被試觸頭兩端的電壓傳感器SV，用于測量和記錄試品觸頭的電壓波形，以判定試品觸頭是否被電動力斥開過，因為觸頭如果被電動力所斥開，就必然會有電弧電壓波形出現(xiàn)。試驗整定電流可以通過電流傳感器SA用光線示波器來測量和記錄。圖7-8 雙極電器的單相交流或直流試驗電器圖G-電源；QP-保護(hù)開關(guān)；PV-電壓測量器；R-可調(diào)電阻器；L-可調(diào)電抗器；SV1SV3-電壓傳感器；Q-合閘開關(guān)；QF-被試電器（保護(hù)連接電纜）；W-整定用臨時連接線；SA1、SA2-電流傳感器；E接地點（負(fù)載側(cè)或電源側(cè)僅一點接地）圖7-9 三極電器的三相交流試驗電路圖G-電源；QP-保護(hù)開關(guān)；PV-電壓測量器；R-可調(diào)電阻器；L-可調(diào)電抗器；SV1SV6-電壓傳感器；Q-合閘開關(guān)；QF-被試電器（保護(hù)連接電纜）；W-整定用臨時連接線；SA1SA3-電流傳感器；E接地點（負(fù)載側(cè)或電源側(cè)僅一點接地）4、 試驗方法1、試驗參數(shù)的調(diào)整調(diào)整試驗電路時，用阻抗值可以忽略的臨時連接線W代替被試電器QF，連接線W應(yīng)盡可能地靠近用來連接被試電器的端子。（1） 對于單相交流。調(diào)整可調(diào)電阻器R和可調(diào)電抗器L，通過拍攝預(yù)期電流波形使試驗電流達(dá)到規(guī)定值的要求。為了滿足短時耐受電流能力試驗對通電后第一個周波的最大峰值電流的要求，對于單相試驗，一般都采用選相合閘裝置。試驗時首先測定試驗電路的功率因數(shù)，然后根據(jù)表6-5給出的功率因數(shù)與沖擊系數(shù)關(guān)系，確定滿足電流峰值要求的電流周期分量有效值，并根據(jù)調(diào)整電路參數(shù)。如果選擇的電流周期分量有效值大于或小于要求值，則可以適當(dāng)?shù)販p少或增加通電時間，使相應(yīng)的值等于要求值。（2） 對于三相交流。三極電器進(jìn)行三相交流短路耐受電流能力試驗時，從圖7-9中可知，三相電路中各相的阻抗是相同的，因此通電時各相電流的周期分量也將是相同的，但各相電流的第一個周波峰值電流并不相同，這是因為三相交流電流各相電流的相位互差的緣故。如果選相合閘裝置使其中某一相的第一個周波峰值電流為最大并等于要求值，則其他兩相的第一個周波峰值電流都將小于要求值，這是三相試驗與單相試驗的不同點之一。因此如果不要求指定某一相在某一合閘相角下合閘，則三極斷路器的短時耐受電流能力試驗也可以不必采用選相合閘裝置，即改用一般合閘開關(guān)合閘。因為三相試驗時不論電壓合閘相角如何，總是有一相的第一周波峰值電流達(dá)到最大值或接近于最大值。不過，如果不用選相合閘裝置就不可能預(yù)先選定或預(yù)