斷路器開斷過程知識(shí)分享

1、高壓斷路器的開斷過程,電氣二班知識(shí)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(fù)電壓有關(guān)。,一、影響恢復(fù)電壓的主要因素：,1、斷路器安裝地點(diǎn)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(shí)，可能安裝在不同的地點(diǎn)。因此，斷路器開斷時(shí)電網(wǎng)的接線方式和參數(shù)的配合可能不同，于是恢復(fù)電壓變化規(guī)律不同。,2、被開斷電路的性質(zhì)。被

2、開斷的可能是短路電流，也可能是負(fù)荷電流；可能是空載變壓器的勵(lì)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(zhì)不同，恢復(fù)電壓的變化規(guī)律不同。,3、發(fā)生短路故障的地點(diǎn)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(diǎn)在線路上距電源幾公里處。,3、反向開斷。斷路器安裝在兩個(gè)電力系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)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(shí)兩側(cè)電壓可能相位相反，被切斷的聯(lián)絡(luò)線電流可能很大，觸頭間的恢復(fù)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(shí)，由于電流與電壓是同相位的，在電流過零時(shí)，電弧自然熄滅。,電壓恢復(fù)速率為：,恢復(fù)電壓速率較低電弧容易熄滅。,dUhf/dt= 2f Um cos t,觸頭間恢復(fù)電壓與電源電壓同相，恢復(fù)電壓跟隨電源電壓增大，當(dāng)t= /2，即t=0.005s時(shí)，恢復(fù)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(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)值較低，電弧重燃。,t4：電弧電流第二次過零時(shí)，觸頭開距加大，介質(zhì) 強(qiáng)度恢復(fù)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(shí)，電流超前于電壓90度。,t2時(shí)：電弧電流第一次過零時(shí)，電弧暫時(shí)自然熄滅。,此時(shí)，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(jì)算，電源電壓的表達(dá)式為：,u = - Um cos t,t1時(shí)：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(fù)電壓為：,uhf= u-uc = - Um cos t - (- Um )= Um(1- cos t),當(dāng)t= ，即t=0.01s時(shí)，恢復(fù)電壓達(dá)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(shí)，恢復(fù)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(shí)出現(xiàn)的，在電弧重燃時(shí)將會(huì)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(shí)熄滅，由于恢復(fù)電壓較高，弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)值較低，在此點(diǎn)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(fù)電壓波形,最大值,出現(xiàn)時(shí)間,恢復(fù)速率,滅弧難易,Um,2Um,2Um 實(shí)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(shí)會(huì)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(shí)，三相每對(duì)觸頭間都出現(xiàn)電弧，但各相短路電流不會(huì)同時(shí)過零，因此三相電弧也不能同時(shí)熄滅。,設(shè)開斷后A相電流首先過零，則A相電弧首先熄滅。此時(shí)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(fù)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(fù)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(dāng) BC過零時(shí)，B，C兩相斷口的電弧同時(shí)熄滅，每段弧隙的恢復(fù)電壓為：,Ugh.B = U gh.C = UBC,可見，兩相短路開斷時(shí)，工頻恢復(fù)電壓為相電壓的0.866倍。所以，選用高壓斷路器時(shí)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?yàn)閱蜗喽搪烽_斷時(shí)的恢復(fù)電壓較?。橄嚯妷海?，一般認(rèn)為，斷路器開斷單相短路的能力比三相大15%。,在中性點(diǎn)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(yàn)算能否開斷同一地點(diǎn)的單相短路故障（斷路器的額定開斷電流乘1.15）。,四、中性點(diǎn)直接接地的恢復(fù)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(diǎn)幾公里處發(fā)生的短路故障稱近區(qū)短路故障。,一般認(rèn)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(shí)不然，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也充分證實(shí)了這一點(diǎn)。,這是因?yàn)椋弘m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(shí)，斷路器的恢復(fù)電壓起始部分上升速率卻大得多?；謴?fù)電壓很快超過介質(zhì)強(qiáng)度，發(fā)生重燃因

9、而不能熄弧。,二、近區(qū)短路故障的恢復(fù)電壓,L1：電源的電感 C1：電源對(duì)地電容 L2：線路的電感 C2：線路對(duì)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(shí)，A、B兩點(diǎn)的電壓相等的，其幅值：,可見，短路點(diǎn)愈遠(yuǎn)則電壓愈大。,當(dāng)短路電流過零時(shí)，電弧熄滅，此時(shí)電路被分成相互獨(dú)立的兩部分。,在右側(cè)部分中，電弧熄滅時(shí)， 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(diǎn)電壓依下式變化：,u B= UBm cos 2 f2 t,其頻率為：,TB,可見，故障點(diǎn)越遠(yuǎn)（S越大）

10、， f2越?。还收宵c(diǎn)越近（S越?。?， f2越大 。發(fā)生近區(qū)短路故障時(shí)，S很小， f2很大（可達(dá)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(cè)電路中，A點(diǎn)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(fù)電壓為：,uhf= uA - uB,從圖可知，近區(qū)故障時(shí)的恢復(fù)電壓起始部分上升很快，在半個(gè)周期內(nèi)達(dá)到第一個(gè)峰值2UBm ，很容易超過斷口的介質(zhì)強(qiáng)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(jié)：,S較小時(shí)（ s1 ）：恢復(fù)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(shí)（ s3 ）：恢復(fù)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(shí)（ s2 ）：恢復(fù)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(yùn)行。,第五節(jié) 反相開斷,一、反相開斷,如圖的兩個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)K點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，兩個(gè)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(gè)系統(tǒng)完全失步時(shí)，U1和U2的電壓相位可能達(dá)到反相，聯(lián)絡(luò)線上出現(xiàn)振蕩電流。此時(shí)斷路器的開斷過程稱反相開斷。,二、

12、反相開斷的特點(diǎn),失步時(shí)，若相位差為180度，則聯(lián)絡(luò)斷路器觸頭兩端電壓差為：,UAB = 2 U1,被聯(lián)絡(luò)斷路器切斷的電流為：,IS = 2U1 / （ L1 + L2 ）,對(duì)于大電力系統(tǒng)，因L1和L2都很小，電流IS很大。聯(lián)絡(luò)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(fù)電壓UAB也很大，比開斷一般短路故障嚴(yán)重的多。,所以，110KV以上斷路器要進(jìn)行反相開斷試驗(yàn)。規(guī)定工頻恢復(fù)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(diǎn)短路時(shí)，斷路器并聯(lián)向短路點(diǎn)供短路電流，又同時(shí)開斷短路電流，稱為并聯(lián)開斷。,二、并聯(lián)開斷的特點(diǎn),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(shè)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(shí)DL2的觸頭已經(jīng)分?jǐn)噙_(dá)很大的開距，電流的猛增將會(huì)給斷路器的工作帶來很大困難。,并聯(lián)開斷實(shí)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(jìn)行并聯(lián)開斷試驗(yàn)。,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(gòu)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(duì)輸電線路和斷路器本身的絕緣都是很嚴(yán)重的威脅，所以高壓斷路器必須進(jìn)行此項(xiàng)開斷試驗(yàn)，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(duì)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(dá)100A以上，分裂導(dǎo)線將增加20%，開斷困難。,三、空載開斷過程,uc,當(dāng)斷路器開斷空載電流 i 時(shí)，電弧在工頻零點(diǎn) t1時(shí)熄滅，此時(shí) u

15、c 恰好為最大值 - Um 。,電弧熄滅后，C上的電荷無處流動(dòng)，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(shí)， u 達(dá)到Um 。此時(shí)觸頭間的恢復(fù)電壓：,Uhf = Um ( -Um )=2 Um,3Um,5Um,此時(shí)，如果觸頭尚未拉開到足夠的距離，并且介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度也未很好的恢復(fù)，觸頭極有可能發(fā)生第一次重燃。這就相當(dāng)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(dāng)高頻振蕩電流第二次過零時(shí)，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(shí)測(cè)表明，超過3Um的概率小于5%，超過3.5Um的概率只有2%，因?yàn)檫^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(qiáng)度也恢復(fù)的很快，斷路器就可能不會(huì)發(fā)生重燃，過電壓就不高。,1、擊穿時(shí)刻的影響,以上分析是在恢復(fù)電壓達(dá)到最大值時(shí)擊穿，實(shí)際上擊穿可能在任意時(shí)刻發(fā)生，不同時(shí)刻擊穿的過電壓是不同的。,3、中性點(diǎn)接地方式的影響,4、切空載線路時(shí)運(yùn)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(fù)電壓,1）裝設(shè)并聯(lián)電阻,2）采用泄流設(shè)備。在線路側(cè)裝設(shè)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(qiáng)，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(chǎng)能量全部變成C0的電場(chǎng)能量：,WC =1/2 C0 Um2,過電壓的最大值：,統(tǒng)計(jì)表名，在中性點(diǎn)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(dá)6倍；中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中，一般不超過4倍，最高可達(dá)7.4倍。,原先儲(chǔ)存在電感中的能量為：,三、影響切空載變壓器過電