短路的開(kāi)斷與關(guān)合能力

1、斷路器的額定開(kāi)斷電流、額定斷路關(guān)合電流 額定開(kāi)斷電流等于熱穩(wěn)定電流. 額定關(guān)合電流等于動(dòng)穩(wěn)定電流 額定短路開(kāi)斷電流是表征斷路器開(kāi)斷能力的參數(shù)。在額定電壓下，斷路器能保證可靠開(kāi)斷的最大電流，稱為額定開(kāi)斷電流，其單位用斷路器觸頭分離瞬間短路電流周期分量有效值的千安數(shù)表示。當(dāng)斷路器在低于其額定電壓的電網(wǎng)中工作時(shí)，其開(kāi)斷電流可以增大。但受滅弧室機(jī)械強(qiáng)度的限制，開(kāi)斷電流有一最大值，稱為極限開(kāi)斷電流。         額定短路開(kāi)斷電流是指在GB規(guī)定的使用和性能條件下,斷路器所能開(kāi)斷的最大

2、短路電流。額定短路開(kāi)斷電流由兩個(gè)值表征：        交流分量有效值；        直流分量百分?jǐn)?shù)。       如果直流分量不超過(guò)20%，額定短路開(kāi)斷電流僅由交流分量的有效值表征。  額定短路關(guān)合電流：是表征斷路器關(guān)合電流能力的參數(shù)。因?yàn)閿嗦菲髟诮油娐窌r(shí)，電路中可能預(yù)伏有短路故障，此時(shí)斷路器將關(guān)合很大的短路電流。這樣，一方面由于短路電流的電

3、動(dòng)力減弱了合閘的操作力，另一方面由于觸頭尚未接觸前發(fā)生擊穿而產(chǎn)生電弧，可能使觸頭熔焊，從而使斷路器造成損傷。斷路器能夠可靠關(guān)合的電流最大峰值，稱為額定關(guān)合電流。額定關(guān)合電流和動(dòng)穩(wěn)定電流在數(shù)值上是相等的，兩者都等于額定開(kāi)斷電流的2.55倍。         具有極間同期性的斷路器的額定斷路關(guān)合電流是與額定電壓和額定頻率相對(duì)應(yīng)的額定參數(shù)。        對(duì)于額定頻率為50Hz且時(shí)間常數(shù)表幺值為45ms，額定短路關(guān)合電流等于額定短路

4、開(kāi)斷電流交流分量有效值得2.5倍。        對(duì)于所有特殊工況的時(shí)間常數(shù)，額定短路關(guān)合電流等于額定短路開(kāi)斷時(shí)間交流分量有效值的2.7倍，與斷路器的額定頻率無(wú)關(guān)。開(kāi)斷電流：開(kāi)關(guān)跳閘時(shí)（故障跳閘）可以切斷滅弧的最大電流；關(guān)合電流：開(kāi)關(guān)合閘時(shí)（合閘到?jīng)_擊負(fù)荷或故障）容許流過(guò)的最大電流，電流過(guò)大會(huì)發(fā)熱，損壞斷路器觸頭。 補(bǔ)充：是指合閘瞬間的電流，在開(kāi)關(guān)合閘過(guò)程中，比如還有幾毫米沒(méi)有閉合嚴(yán)或閉合不緊時(shí)，這時(shí)候電阻比較大，I2*R是發(fā)熱，這時(shí)候電流如果過(guò)大，發(fā)熱會(huì)很大，燒毀開(kāi)關(guān)觸頭。第一節(jié) 綜 述· 一、短路故障

5、關(guān)合與開(kāi)斷電路時(shí)電弧的燃燒與熄滅：1. 斷路器關(guān)合和開(kāi)斷電力系統(tǒng)某些元件時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)電弧。關(guān)合與開(kāi)斷的電流愈大，電弧愈強(qiáng)烈，工作條件也愈嚴(yán)重，尤以開(kāi)斷為甚。2. 介質(zhì)強(qiáng)度uj（指觸頭間能承受的電壓值）和恢復(fù)電壓uhf （電流過(guò)零后在斷口兩端出現(xiàn)的外加電壓）是影響電力系統(tǒng)開(kāi)斷的兩個(gè)重要因素，分別用uj（t）和uhf（t）表示，如圖2-1所示。 當(dāng)恢復(fù)電壓的上升速度比介質(zhì)強(qiáng)度的增長(zhǎng)快時(shí)， uj（t）和uhf（t）兩曲線將相交（圖2-1，a），電弧會(huì)重燃，電流繼續(xù)以電弧的形式通過(guò)斷口，電路不能開(kāi)斷。 當(dāng)介質(zhì)強(qiáng)度的增長(zhǎng)比恢復(fù)電壓的上升快時(shí)， uj（t）和uhf（t）兩曲線將不會(huì)相交（圖2-1，b），電

6、弧不再重燃，電路即被開(kāi)斷。二、斷路器在開(kāi)斷小電感電流（如空載變壓器、電抗器或電動(dòng)機(jī)）、電容性電流（如空載長(zhǎng)線或電容器組），以及關(guān)合電容性電流時(shí)常產(chǎn)生過(guò)電壓，危及包括斷路器本身在內(nèi)的電力系統(tǒng)中的各種電氣設(shè)備。為此必須對(duì)各種關(guān)合和開(kāi)斷情況時(shí)電力系統(tǒng)中電壓和電流的過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行研究。討論可先從單相回路著手，闡明物理過(guò)程，然后再分析三相問(wèn)題。第二節(jié) 短路故障的關(guān)合一、電力系統(tǒng)的短路：1. 定義：電力系統(tǒng)中一相或多相導(dǎo)體接地或互相短接而將負(fù)載阻抗短接掉。2. 短路形式：?jiǎn)蜗嘟拥囟搪贰上喽搪?、兩相不接地短路、三相接地短路、三相不接地短路和斷路器異?cè)兩相接地短路。理想的短路情況：三相負(fù)載相等。3. 電力系統(tǒng)

7、的關(guān)合的兩種類型；（1） 正常關(guān)合：指關(guān)合前線路或電氣設(shè)備不存在絕緣故障的情況；（2） 短路故障的關(guān)合：指關(guān)合前線路或電氣設(shè)備已存在絕緣故障，甚至處于短路狀態(tài)的情況。因短路故障的關(guān)合最嚴(yán)重，因此只討論短路故障的關(guān)合。4. 出現(xiàn)接通短路故障的四種前提：已存在未被發(fā)現(xiàn)的“預(yù)伏故障”；“試探性自動(dòng)重合閘”；“人為的接地短路”及“誤操作”。二. 短路電流id：參看圖2-2（a）。設(shè)電源電壓e=Emsin（ta），a為電源電壓的初相角,忽略電源阻抗，可得圖2-2（b）所示的計(jì)算短路關(guān)合電流的等值線路圖。1.短路電流 id的表達(dá)式：圖中L、R分別為包括變壓器和輸電線回路的電感和電阻。如果關(guān)合發(fā)生在t=0時(shí)

8、，通過(guò)解微分方程,則短路電流id的表達(dá)式將為：2.回路的穩(wěn)態(tài)短路電流iz ： （2-1）式右邊第一項(xiàng)是回路的穩(wěn)態(tài)短路電流iz ，也稱作短路電流周期分量； 右邊第二項(xiàng)是一個(gè)按指數(shù)規(guī)律衰減的非周期暫態(tài)電流，稱為短路電流的非周期分量，用if表示。其衰減快慢由回路時(shí)間常數(shù)T決定。 圖2 - 3中畫出了短路電流的周期分量iz、非周期分量if和由它們所合成的短路電流id的波形。從圖中可見(jiàn)，在暫態(tài)過(guò)程中，短路電流id是圍繞非周期分量電流振蕩的。一般高壓電網(wǎng)，各元件的電抗均比電阻大得多，如果忽略回路電阻對(duì)穩(wěn)態(tài)短路電流的影響，即認(rèn)為=90°，則式（2-1）可簡(jiǎn)化為當(dāng)a=0°（即電源電壓過(guò)零點(diǎn)

9、瞬間）關(guān)合時(shí)，短路電流的非周期分量（第二項(xiàng)）最大，它的初始值等于穩(wěn)態(tài)短路電流的幅值Idm。此時(shí)式（2-2）可簡(jiǎn)化為圖2-4為與之對(duì)應(yīng)的波形圖。3.短路電流的最大值Ich ：也叫短路沖擊電流。由于非周期分量的存在，短路電流的最大值一般在短路發(fā)生后的半個(gè)周期即t=/=0.01s時(shí)出現(xiàn)。Ich可由下式求出：4. 高壓電器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：短路沖擊電流Ich一般為短路電流周期分量幅值的1.8倍，為短路電流周期分量有效值的2.55倍。證明：Kch由回路的時(shí)間常數(shù)T決定。在感抗較大的高壓電網(wǎng)內(nèi)，一般取T0.045s，此時(shí)沖擊系數(shù)Kch將為：對(duì)斷路器關(guān)合能力的要求要根據(jù)短路沖擊電流提出。短路沖擊電流同時(shí)也決定了電力

10、系統(tǒng)中電氣設(shè)備所受的機(jī)械力。5. 各電流額定值之間的相互關(guān)系： Idm = Icm； Ith = Ib 式中，Idm：短路沖擊電流（Ich）； Icm：額定短路關(guān)合電流（ING）； Ith：額定熱穩(wěn)定電流（It）； Ib：額定短路開(kāi)斷電流（INK）。電力系統(tǒng)各種開(kāi)斷中，短路故障的開(kāi)斷任務(wù)最艱巨。一、恢復(fù)電壓1. 圖2-5（a）為開(kāi)斷中性點(diǎn)直接接地發(fā)電機(jī)電路中的母線單相接地故障。2. 圖2-5（b）為其等值線路圖。圖中L、R分別為發(fā)電機(jī)的電感和電阻，C為發(fā)電機(jī)的對(duì)地電容。設(shè)觸頭分離瞬間短路電流的非周期分量已衰減完，即不考慮短路電流的非周期分量忽略電弧壓降uh，則通過(guò)斷口的短路電流id和電源電壓e

11、間將有以下的關(guān)系：3. 圖2-6是短路電流id和電源電壓e的波形圖。t=t1時(shí)，斷路器觸頭開(kāi)始分離而形成電弧。由于忽略電弧壓降，此時(shí)斷口兩端的電壓（也即電容C上的電壓）仍然為零。t=t2時(shí)，電流過(guò)零，電弧熄滅，此時(shí)電源電壓開(kāi)始通過(guò)R與L對(duì)電容C充電，電容C上的電壓uc將逐漸上升。uc也就是開(kāi)關(guān)斷口兩端的恢復(fù)電壓uhf。4. 電容性電路：實(shí)際使R-L-C電路。 這一電容的充電過(guò)程和圖2-7（a）中交流電源e=Emsin（t） 在t=0時(shí)R、L、C回路合閘的過(guò)程完全相同。考慮到通常在電力系統(tǒng)的短路回路中回路電阻R很小，一般均能滿足R2（L/C）½的條件，所以在合閘過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩，

12、其角頻率為：這一頻率一般要比工頻高得多。因此，為求過(guò)渡過(guò)程中電容電壓uc，假設(shè)電源電壓近似地保持不變（如在電源電壓接近幅值時(shí)合閘，由于這時(shí)電源電壓變化最慢，該假設(shè)更接近實(shí)際），而把圖2-7（a）中的交流電源簡(jiǎn)化為直流電源。如圖2-7（b）所示。直流電源電壓E0取t=0時(shí)交流電源電壓的瞬時(shí)值，即：6. 恢復(fù)電壓的上升速度（duhf/dt）p：常用高頻振蕩第一個(gè)半周內(nèi)的電壓平均升速表示。 不考慮振蕩衰減（假設(shè)無(wú)衰減）時(shí)，其值為：式中，f0：固有振蕩頻率； Ugh：工頻恢復(fù)電壓。 考慮衰減而恢復(fù)電壓的最大值有所降低時(shí)，恢復(fù)電壓的平均上升速度可近似地用下式表示：其中，Km是恢復(fù)電壓的振幅系數(shù)，取1.4

13、1.5 圖形表示：恢復(fù)電壓上升速度是從原點(diǎn)至幅值點(diǎn)Ushm所作的直線，如圖2-8中直線1所示，tm為峰值時(shí)間。 恢復(fù)電壓的上升速度也可用最大平均速度表示，即從原點(diǎn)作恢復(fù)電壓曲線的切線，如圖2-8中直線2所示。按此速度上升時(shí)恢復(fù)電壓達(dá)最大值的時(shí)間將提前到ts。ts又稱峰值參考時(shí)間。 考慮到在短路故障時(shí)，功率因數(shù)一般很低，在許多情況下cos0.15，sin1，由式2-10可得E0=Em，即可把工頻恢復(fù)電壓取為電源相電壓的幅值。實(shí)際上取系統(tǒng)的最大工作電壓為額定電壓的1.15倍，可得用系統(tǒng)的額定電壓Ue（三相線電壓）表示的瞬態(tài)恢復(fù)電壓最大值Ughm和恢復(fù)電壓平均上升速度的計(jì)算公式：式中，Km是恢復(fù)電壓

14、的振幅系數(shù)。二、開(kāi)斷電流1. 定義：指觸頭分離瞬間流過(guò)斷路器斷口的電流。根據(jù)繼電保護(hù)整定值的快慢和斷路器動(dòng)作快慢的不同，觸頭的分離可以出現(xiàn)在非周期分量尚未全部衰減完時(shí)，也可以出現(xiàn)在非周期分量已全部衰減完后（圖2-9中t1或t2兩個(gè)不同的分離時(shí)刻） 。2. 表示方法：觸頭分離瞬間短路電流周期分量的有效值 ； 非周期分量的相對(duì)值 。應(yīng)該看到，3. 在開(kāi)斷電流周期分量相等情況下，非周期分量的存在雖然有可能提高觸頭分離瞬間的短路電流瞬時(shí)值，但它在某種程度上卻有利于電路的開(kāi)斷（為什么在第八章開(kāi)關(guān)的試驗(yàn)條件中要規(guī)定開(kāi)斷電流的非周期分量平均值或直流分量不能大于周期分量最大值（或交流分量峰值）的20）？ 原因

15、是當(dāng)短路電流中存在非周期分量時(shí)（圖2-10），電弧不管是在電流的大半波過(guò)零（圖2-10中t1點(diǎn)）時(shí)或小半波過(guò)零（圖2-10中t2點(diǎn)）時(shí)熄滅，斷口所受的工頻恢復(fù)電壓Ugh1和Ugh2均比電源電壓的最大值小，有利于熄弧。· 三、降低過(guò)電壓的措施并聯(lián)電阻：1、在為限制操作過(guò)電壓而并聯(lián)在斷路器斷口上的電阻中，將幾歐到幾十歐的稱為低值并聯(lián)電阻；將幾百到幾千歐的并聯(lián)電阻稱為中值并聯(lián)電阻；將幾萬(wàn)歐及以上的并聯(lián)電阻稱為高值并聯(lián)電阻，它通常是為斷路器每根有多個(gè)斷口時(shí)均壓設(shè)計(jì)的。· 2、在斷路器斷口兩端并聯(lián)幾歐到幾十歐的低值并聯(lián)電阻可限制短路電流，降低工頻恢復(fù)電壓和振幅系數(shù)，以及減慢恢復(fù)電壓上

16、升速度著手。· 3、圖2-11是用有并聯(lián)電阻的斷路器開(kāi)斷發(fā)電機(jī)母線單相接地故障時(shí)的電路圖。斷路器設(shè)有兩個(gè)斷口：主斷口D1和輔助斷口D2。并聯(lián)電阻Rb并聯(lián)在主斷口Dl上。當(dāng)斷路器開(kāi)斷電路時(shí)，主斷口先打開(kāi)把并聯(lián)電阻接入。當(dāng)主斷口間的電弧熄滅后再打開(kāi)輔助斷口D2，開(kāi)斷流經(jīng)并聯(lián)電阻的電流，使電路完全開(kāi)斷。4、主斷口D1并聯(lián)電阻后，主斷口和輔助斷口的開(kāi)斷電流和斷口的電壓恢復(fù)過(guò)程：圖2-12（a）為主斷口開(kāi)斷的等值電路圖。§ 此時(shí)通過(guò)主斷口的短路電流id和電源電壓e仍可由式（2-7）及式（2-8）決定。式中 Ugh：工頻恢復(fù)電壓，=Emsin。 其中， =tg-1（wL/R），阻抗角。

17、由式（2-24），畫出恢復(fù)電壓曲線如圖2-13 。由圖可見(jiàn)，采用并聯(lián)電阻阻尼振蕩后，恢復(fù)電壓的最大值將不會(huì)超過(guò)工頻恢復(fù)電壓Ugh。恢復(fù)電壓的最大上升速度出現(xiàn)在t=0時(shí)，其值為：并聯(lián)電阻Rb愈小，恢復(fù)電壓的上升速度就愈低，主斷口的開(kāi)斷將比較輕松。圖2-14（a）為輔助斷口D2開(kāi)斷時(shí)的等值電路圖。 開(kāi)斷電流i：考慮到 ，忽略流經(jīng)電容C的電流，則輔助斷口開(kāi)斷前，流經(jīng)電感的輔助斷口電流i和電源電壓e將為：可見(jiàn)輔助斷口D2開(kāi)斷的電流i要比主斷口id為小。 恢復(fù)電壓ush：圖2-14（b）為計(jì)算輔助斷口恢復(fù)電壓的等值線路圖，圖中工頻恢復(fù)電壓Ugh=Emsin。由（2-28）式可知，Rb的存在將使減小，則s

18、in也減小，因此作用在輔助斷口上的工頻恢復(fù)電壓ugh將要比主斷口上的工頻恢復(fù)電壓Ugh低。圖2-14（b）和圖2-7（b）完全一樣，所以輔助斷口的恢復(fù)電壓ugh為：雖然輔助斷口的瞬態(tài)恢復(fù)電壓仍有高頻振蕩，但其工頻恢復(fù)電壓和開(kāi)斷電流都得到了一定程度的降低，所以輔助斷口的開(kāi)斷條件遠(yuǎn)比主斷口輕松。四、高壓斷路器開(kāi)斷單相短路電流時(shí)的各種電氣參數(shù)列表歸納。斷路器開(kāi)斷單相短路電流方 式串聯(lián)或并聯(lián)R的目的臨界電阻Rb瞬態(tài)恢復(fù)電壓最大值uhfm單頻單相接地故障，線路串聯(lián)電阻R1. 限制短路電流；2. 降低工頻恢復(fù)電壓；3. 減慢恢復(fù)電壓上升速度。臨界串聯(lián)電阻（Rb=0即沒(méi)有并聯(lián)電阻）RLj=2（L/C）

19、89;：1. RRLj，非周期性振蕩恢復(fù)；2. R<RLj，周期性恢復(fù)，實(shí)際情況同此。uhfm=E0（1+e-0/0），式中 0為電路固有衰減系數(shù)；0為電路固有振蕩角頻率；單頻單相接地故障，線路并聯(lián)電阻R（在主斷口）臨界并聯(lián)電阻RLj=½（L/C）½：1. Rb > RLj，周期性振蕩恢復(fù)；2. Rb RLj，非周期性振蕩型恢復(fù)。 輔助斷口（非主斷口）開(kāi)斷時(shí)： uhfm=E0（1+e-1/1）式中 1為電路固有衰減系數(shù)；1為電路固有振蕩角頻率；斷路器開(kāi)斷單相短路電流恢復(fù)電壓上升速度（duhf/dt）p（duhf/dt）p =4f0E0=4f0Um， 式中，Um是

20、單相額定電壓幅值。（duhf/dt）p=4f1E0=4f1Um第四節(jié) 三相短路故障的開(kāi)斷三相短路故障的開(kāi)斷與系統(tǒng)接地方式和短路性質(zhì)有關(guān)。一、三相不接地短路故障的開(kāi)斷圖2-15為開(kāi)斷三相不接地短路故障的等值線路圖。電源中性點(diǎn)一般不接地（ 也可以接地，如圖中虛線所示）。電源相電壓的幅值為Em?？紤]到通常相間電容C很小，略去短路電流的電容分量，則短路電流的穩(wěn)態(tài)值將為：2.首開(kāi)相（first-pole-to-clear）短路電流：由于三相交流電流過(guò)零時(shí)刻有先后，因此斷路器在開(kāi)斷三相短路故障時(shí)各相熄弧也有先后。 先分析t=0時(shí)，首開(kāi)相A相的電弧電流首先過(guò)零的的情況。A相需開(kāi)斷的短路電流有效值為：A相中的

21、AA電流過(guò)零電弧熄滅后，圖2-15的等值電路將轉(zhuǎn)化為圖2-16的形式。此時(shí)A相斷口上的恢復(fù)電壓可由根據(jù)等值電源定理簡(jiǎn)化的等值電路（圖2-17）求得。圖2-17中等值電勢(shì)Ed的大小為圖2-16中等值電容Cd拿開(kāi)后用電壓表在斷口間量得的電壓值UAD。由于A相熄弧后AA間無(wú)電流流過(guò)，所以UAD也就是UAD?？紤]到圖2-16中接在電源BC兩點(diǎn)間的負(fù)載是對(duì)稱的，所以D點(diǎn)的電位就是EBC的中點(diǎn)，如圖2-18所示。據(jù)此可求出等值電源電勢(shì)為：3. 圖2-17中等值阻抗Zd（=Rd+jLd）是將圖2-16中的電源全部短路后從斷口兩端量得的阻抗。等值電感Ld=1.5L，等值電阻Rd=1.5R，系數(shù)均為1.5。A相

22、斷口的瞬態(tài)恢復(fù)電壓（transient recovery voltage，簡(jiǎn)稱TRV）為：A相斷口的瞬態(tài)恢復(fù)電壓（transient recovery voltage，簡(jiǎn)稱TRV）為：結(jié)論：開(kāi)斷三相短路故障時(shí)，首開(kāi)相的工頻恢復(fù)電壓為電源相電壓幅值的1.5倍，該值比開(kāi)斷單相短路時(shí)高。3. BC兩相短路的開(kāi)斷：A相開(kāi)斷后，由三相短路轉(zhuǎn)化為兩相短路，由于R «L，在以后的分析中均略去R。當(dāng)t=0，sinwt=0，由（2-38）和（2-39）可知，A相電流過(guò)零熄滅時(shí)，B、C兩相間的線電壓eBC為零，流過(guò)B相和C相的電流各達(dá)其幅值 。所以，在短路由三相轉(zhuǎn)化為兩相后，短路電流的幅值將下降為三相短

23、路時(shí)的 倍A相電流過(guò)零開(kāi)斷后經(jīng)過(guò)0.005s流經(jīng)B相和C相斷口的電流將同時(shí)過(guò)零點(diǎn)而熄滅。設(shè)電弧熄滅后加在B、C兩相串聯(lián)斷口上的恢復(fù)電壓均勻分配，則兩相斷口上工頻恢復(fù)電壓分別為：首開(kāi)相的工頻恢復(fù)電壓（power-frequency recovery voltage，簡(jiǎn)稱PFRV）和電源電壓幅值之比稱為首開(kāi)相系數(shù)，用Kl表示，即：l 二、三相接地短路故障的開(kāi)斷：· 與“一”內(nèi)容不同的是用“對(duì)稱分量法”（已知IA、UB、UC，可求出UA、IB、IC）求工頻恢復(fù)電壓。·· 1. 三相短路后，A相已開(kāi)斷，兩相短路電流開(kāi)斷時(shí)的恢復(fù)電壓 兩相接地短路時(shí)，首先開(kāi)斷的C相的工頻恢復(fù)

24、電壓為Ughc=1.25Em。 2. 兩相轉(zhuǎn)單相開(kāi)斷：在繼兩相接地短路后出現(xiàn)的單相接地故障中，流經(jīng)B相斷口的短路電流幅值為0.6Im。 B相開(kāi)斷后，B相斷口的工頻恢復(fù)電壓則為UghB=Em。 3. 各種接地故障的首開(kāi)相系數(shù)也列于表2-1。由表可知，其中也以三相短路時(shí)首開(kāi)相工作條件最嚴(yán)重。 當(dāng)X03Xl時(shí)，取首相開(kāi)斷系數(shù)為1.5；當(dāng)X03Xl時(shí)，取首相開(kāi)斷系數(shù)為1.3（因?qū)嶋H上很少發(fā)生三相短路，故取1.3）。小規(guī)律：表2-1中，“故障形式”和“中性點(diǎn)接地形式”中，只要有一項(xiàng)為“不接地”，則三相的首開(kāi)極系數(shù)K1=1.5，而兩相的首開(kāi)極系數(shù)為K1=0.866。4. 總結(jié)：1.在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，

25、出現(xiàn)三相短路故障的機(jī)會(huì)極少，首開(kāi)極系數(shù)可取K1=1.3；2.在中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)中，首開(kāi)極系數(shù)可取K1=1.5；3.異地故障：K1=1.732；4.利用首相開(kāi)斷系數(shù)K1與系統(tǒng)的最高工作電壓Umn，可求得斷路器首開(kāi)極的工頻恢復(fù)電壓最大值：Uprm=0.816K1Umn。5、歸納：斷路器開(kāi)斷三相短路電流 接地方式 等效電路、等效電感、電容和電壓 向量圖 三相不接地系統(tǒng)短路，電源中性點(diǎn)可以不接地，也可以接地（用虛線表示） ：1.UA=UB=UC=U2.IA=IB=IC=Id=U /LLd=1.5L，Cd=2C，Ud=1.5U，Id= U / L由對(duì)稱分量法得： UghfA=1.5U =1.5Em

26、三相接地系統(tǒng)的三相接地短路 臨界并聯(lián)電阻RLj=½（L/C）½：1. Rb > RLj，周期性振蕩恢復(fù)；2. Rb RLj，非周期性振蕩型恢復(fù)。斷路器開(kāi)斷三相短路電流三相電路開(kāi)斷時(shí)的瞬態(tài)恢復(fù)電壓最大值uhfm注意：三相電路開(kāi)斷時(shí)的瞬態(tài)恢復(fù)電壓通常只計(jì)算首開(kāi)極的瞬態(tài)恢復(fù)電壓，其他情況復(fù)雜，略去。首開(kāi)極A相開(kāi)斷后，三相短路變成兩相短路最后一個(gè)半波與長(zhǎng)、短半波首開(kāi)極的瞬態(tài)恢復(fù)電壓最大值uhfm=0.816K1KmUe（kV）式中 Km：振幅系數(shù)，是指瞬態(tài)恢復(fù)電壓最大值Uc與首開(kāi)極工頻恢復(fù)電壓最大值Uprm之比。1.UBghf=UCghf=0.866Um2.IB=I

27、C=0.866Id式中，Um為電源相電壓的幅值。 約0.005s（/2）后，B、C同時(shí)過(guò)零。 B相：為短半波，持續(xù)時(shí)間：0.0083s；幅值為：0.866Im。 C相：為長(zhǎng)半波，持續(xù)時(shí)間：0.0116s；幅值為：Im。 C相先過(guò)零，Ic為零后，UCghf=1.25Em；然后B相成單相接地短路，流過(guò)B相斷口的短路電流幅值為0.6Im。B相開(kāi)斷后，壁廂斷口的工頻恢復(fù)電壓為Em。 恢復(fù)電壓平均上升速度（duhfm/dt）p （duhfm/dt）p =1.63K1Kmdf0Ue（kV/s） =1.63K1Kmdf0Ue×10-6（kV/s） 式中，Um是單相額定電壓幅值。

28、 第四節(jié) 電力系統(tǒng)的瞬態(tài)恢復(fù)電壓特性單相和三相短路故障開(kāi)斷中的瞬態(tài)恢復(fù)電壓的特性都是單頻（工頻）的。當(dāng)回路結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，電力系統(tǒng)的恢復(fù)電壓也可以是雙頻、三頻甚至更高頻率。一、雙頻電路：圖2-23（a）中開(kāi)斷中性點(diǎn)接地的發(fā)電機(jī)輸電線路在電抗器后的單相接地短路。圖2-23（b）為其等值線路圖，圖中略去全部電阻。其中L1、Cl為斷路器電源側(cè)的電感和對(duì)地電容，L2、C2為電抗器的電感和對(duì)地電容。1.L1、L2電路：忽略斷路器開(kāi)斷前流經(jīng)Cl和C2的電流，則電弧電流過(guò)零前瞬間作用在Ll、L2、Cl和C2上的電壓將為：2. C1、C2電路：從電流過(guò)零電弧熄滅開(kāi)始，斷口兩側(cè)的回路將分開(kāi)成兩個(gè)獨(dú)立的

29、振蕩回路，忽略振蕩過(guò)程中電源電壓變化，可得圖2-23（C）的等值線路圖。1.L1、L2電路：忽略斷路器開(kāi)斷前流經(jīng)Cl和C2的電流，則電弧電流過(guò)零前瞬間作用在Ll、L2、Cl和C2上的電壓將為：2. C1、C2電路：從電流過(guò)零電弧熄滅開(kāi)始，斷口兩側(cè)的回路將分開(kāi)成兩個(gè)獨(dú)立的振蕩回路，忽略振蕩過(guò)程中電源電壓變化，可得圖2-23（C）的等值線路圖。由此可求出電容C1和C2上的瞬態(tài)電壓變化為：由此可求出電容C1和C2上的瞬態(tài)電壓變化為：圖2-24為計(jì)及衰減時(shí)uc1和uC2的變化曲線以及由此合成的雙頻恢復(fù)電壓的波形。二、電力系統(tǒng)瞬態(tài)恢復(fù)電壓：實(shí)際電力系統(tǒng)回路多樣，參數(shù)各異，瞬態(tài)恢復(fù)電壓實(shí)際波形很復(fù)雜，一般

30、要通過(guò)實(shí)測(cè)或用電子計(jì)算機(jī)計(jì)算得出。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和歸納，電力系統(tǒng)的瞬態(tài)恢復(fù)電壓分為兩種：1. 系統(tǒng)電壓低于110kV，或雖高于110kV但短路電流只有最大短路電流的1030，相對(duì)較小的情況。此時(shí)瞬態(tài)恢復(fù)電壓近似于衰減的單頻振蕩。 此時(shí)，恢復(fù)電壓特性常用“兩參數(shù)法”表示。即瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值Ushm（kV）和峰值時(shí)間tm（s），或恢復(fù)電壓振幅系數(shù)Km和固有振蕩頻率f0。 為了反映恢復(fù)電壓起始部分的變化，IEC推薦采用“兩參數(shù)帶時(shí)延法”。具體采用下列參數(shù)，如圖2-26所示：a 瞬態(tài)恢復(fù)電壓的最大值Ushm（kV）； b 峰值參考時(shí)間t3（s） ：指按最大平均速度上升到最大值Ushm所需的時(shí)間； c 時(shí)延t

31、d（s） ，指與恢復(fù)電壓的起始部分相切且平行于OA的直線（又稱時(shí)延線）與時(shí)間軸的交點(diǎn)；d 時(shí)延參考電壓U（kV）及時(shí)延參考時(shí)間t（s），指時(shí)延線與恢復(fù)電壓曲線相切的切點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓及時(shí)間。 兩參數(shù)法的缺點(diǎn)：不能正確反映恢復(fù)電壓起始部分的變化情況，因而無(wú)法確定電弧是否重燃。圖2-25給出了斷口的介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)曲線uj以及兩條恢復(fù)電壓曲線uhf1和uhf2。uhf1和uhf2具有相同的瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值和峰值時(shí)間，其中uhf1的起始上升速度高，因此在t=t1時(shí)和Uj曲線相交而造成電弧的重燃。Uhf2則由于起始上升速度低不和uj相交而不重燃。2. 系統(tǒng)電壓高于110kV且短路電流相對(duì)于最大短路電流來(lái)說(shuō)百

32、分?jǐn)?shù)較大時(shí)，瞬態(tài)恢復(fù)電壓包含一個(gè)上升速度較高的初始部分，以及繼之而來(lái)的上升速度較低的部分，采用“四參數(shù)法”（為最大短路電流的60100）。 IEC推薦的“四參數(shù)法”中的四個(gè)參數(shù)是：第一波幅值U1（kV），達(dá)到第一波幅值的時(shí)間tl（s），瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值Ushm（kV）和峰值參考時(shí)間t2（s），如圖2-27（a）所示。 注意：如果由第一波幅值點(diǎn)（Ul，t1）向峰值曲線所作切線有低于實(shí)際恢復(fù)電壓的地方（ 圖2-27，b ），應(yīng)移動(dòng)該切線使其能包含全部恢復(fù)電壓曲線。 移動(dòng)規(guī)則：是使圖2-27（b）中面積I等于面積，折線OABCD即為瞬態(tài)恢復(fù)電壓曲線的包絡(luò)線。 四參數(shù)法再加時(shí)延線后，稱為“四參數(shù)帶時(shí)延

33、法”。3. 我國(guó)各級(jí)電壓的瞬態(tài)恢復(fù)電壓特性的相關(guān)規(guī)定可參看交流高壓斷路器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行斷路器試驗(yàn)時(shí)，所加恢復(fù)電壓應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。4.如圖2-28所示，以兩參數(shù)帶時(shí)延法為例，恢復(fù)電壓uhf合格判據(jù)：（1）用標(biāo)準(zhǔn)所給Ushm、ts、td、U和t，作出參考線OAB和時(shí)延線CD；（2）畫出試驗(yàn)所用恢復(fù)電壓曲線uhf的最大平均速度線OA及通過(guò)最大值的水平切線，形成包絡(luò)線OAB。（3）比較Uhf的包絡(luò)線OAB與參考線OAB，如線OAB在線OAB之上，而恢復(fù)電壓曲線uhf的起始部分又不與時(shí)延線CD相交，則認(rèn)為恢復(fù)電壓符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。第五節(jié) 近區(qū)故障的開(kāi)斷§ 近區(qū)故障是指距斷路器幾百米至幾公里的

34、線路上發(fā)生的短路故障。§ 超高壓電力系統(tǒng)中，當(dāng)短路電流在2565kA范圍內(nèi)，斷路器開(kāi)斷近區(qū)故障時(shí)的工作條件較之開(kāi)斷直接在斷路器出線端上的短路故障更為嚴(yán)重（？ ） 。§ 一、近區(qū)故障的機(jī)制§ 1. 參看圖2-29（a），以中性點(diǎn)接地的發(fā)電機(jī)的近區(qū)單相接地故障為例。圖中電源電壓為E，D點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)的短路電流有效值為：2. 在流經(jīng)斷路器斷口的電流過(guò)零前的瞬間（t=0-），斷口兩端A點(diǎn)與B點(diǎn)的對(duì)地電壓UA和UB相等，為：3. 電流過(guò)零電弧熄滅后（t0時(shí)），斷口兩側(cè)的回路將分開(kāi)成兩個(gè)獨(dú)立的部分。 如圖2-29（a）和（b）所示。參照式（2-5l），A點(diǎn)對(duì)地的電壓uA將為：

35、B點(diǎn)對(duì)地的電壓UB則需根據(jù)行波理論求出。圖2-29（C）是 t=0時(shí)BD段線路上的起始電壓分布。當(dāng)t0時(shí)，這一起始電壓分布將被分解成兩個(gè)相同的行波，一個(gè)前行，一個(gè)反行。行波在開(kāi)路的B點(diǎn)發(fā)生全（正）反射，在短路的D點(diǎn)發(fā)生負(fù)反射。行波沿線路的傳播速度為=1/（LC）½，其中L和C為線路每單位長(zhǎng)度的電感和電容。行波從線路一端傳播至另一端所需的時(shí)間為l/v。圖2-30是t=0后不同時(shí)刻行波在線路上的位置。據(jù)此,可寫出B點(diǎn)對(duì)地的電壓為：4. 圖2-31（a）是表示uA和uB的波形。圖2-31（b）是說(shuō)明合成的斷口恢復(fù)電壓波形。先經(jīng)過(guò)幾個(gè)極快的鋸齒振蕩，再進(jìn)入角頻率為1的振蕩的。0t（2l/v）

36、:這段時(shí)間很短，UA變化很小，故取Ua=2ILl?；謴?fù)電壓的上升速度duhf/dt和第一個(gè)最大值U1為： duhf/dt與短路電流I成正比，因此隨著系統(tǒng)短路容量的增大，恢復(fù)電壓的上升速度將增加，從而引起開(kāi)斷困難。 電弧是否重燃還和恢復(fù)電壓的第一個(gè)最大值Ul有關(guān)。U1和短路點(diǎn)到斷路器的距離l有關(guān)。 分析：圖2-32（a）：l值很小，短路電流大， duhf/dt大，但U1較小，故電弧也不可能重燃；圖2-32（c）：l值大，U1將增大，但短路電流減小，duhf/dt 也減小了，因此電弧也不會(huì)重燃；圖2-32（b）：電弧重燃出現(xiàn)在恢復(fù)電壓的上升速度不低而恢復(fù)電壓的第一個(gè)最大值又較高時(shí)。此時(shí)，l=0.5

37、8km時(shí)，稱為近區(qū)故障。· 二、并聯(lián)電阻在開(kāi)斷近區(qū)故障時(shí)的作用 1. 作用：改善斷路器開(kāi)斷近區(qū)故障時(shí)的工作條件。· 2. Rb的數(shù)值：不能超過(guò)數(shù)百歐的數(shù)量級(jí)。· 在0t2l/v的時(shí)間間隔，用圖2-33（a）等值線路圖計(jì)算。圖中，與c1串聯(lián)的直流電源表示C1的起始電荷。2. 因間隔很短，電動(dòng)勢(shì)變化率極大，所以L1的阻抗非常大，可認(rèn)為是開(kāi)路。圖2-33（a）簡(jiǎn)化為圖2-33（b）。3. 列寫微分方程，可得：比較式（2-58）和式（2-63）可知并聯(lián)電阻Rb降低了duhf/dt|t=0 。Rb愈小，效果愈好。如取Rb=Z，恢復(fù)電壓上升速度將減小為無(wú)并聯(lián)電阻時(shí)的二分之一。

38、可見(jiàn)，為改善斷路器在開(kāi)斷近區(qū)故障時(shí)的故障條件。三、近區(qū)故障的分?jǐn)嗫偨Y(jié)：分?jǐn)嗲埃琹公里處發(fā)生單相短路Id = Um/3（L0+lL1）=Up /（L0+lL1）式中，L0：斷路器電源側(cè)線路的等效電感值；L1：架空線路（用1表示）每公里的電感值， mH/km；Um：電源相電壓的最大值。 斷路器弧隙左右兩端A、B處恢復(fù)電壓： 幅值：UAm=UBm =（2/3） L1lUm/（L0+lL1）， 有效值：UA=UB =Am/2 =UBm/2分?jǐn)嗥鹗茧A段甚短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)電壓在起始階段甚短的時(shí)間內(nèi)： 波形的第一高峰（即第一波幅值）U1：U1=2L1lUm/（L0+L1）=22Id L1l 電弧熄滅后，斷路器

39、架空線上電壓斜角波由入射波和反入射波兩部分疊制而成，行波速度v=1/（L1C1）½=0.3km/s=30萬(wàn)公里/s。 達(dá)到第一波峰U1的瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升速度為： （duhf1/dt）=IdS 式中，S是瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升速度系數(shù)，S=2Z，架空線的波阻抗Z=（L1/C1）½。當(dāng)架空線右側(cè)為短路時(shí) ，左側(cè)為開(kāi)路。 行波走過(guò)l的時(shí)間為： =l/v=l（L1C1）½。第六節(jié) 失步故障一、失步故障與聯(lián)絡(luò)斷路器：圖2-34（a）中，F(xiàn)1和F2代表兩個(gè)電源系統(tǒng)，DL為聯(lián)絡(luò)用斷路器。1. 正常狀態(tài)：兩電源系統(tǒng)同步運(yùn)行，斷路器兩側(cè)電壓幅值和相位角相差不大，斷路器流過(guò)正常負(fù)荷電流。2

40、. 失步：兩電源系統(tǒng)間因故障引起振蕩失去穩(wěn)定，兩側(cè)電源電壓相位差迅速增大，系統(tǒng)中出現(xiàn)遠(yuǎn)大于工作電流的失步電流。斷路器應(yīng)開(kāi)斷失步故障，使系統(tǒng)解列。3.反相開(kāi)斷：當(dāng)兩個(gè)電源電壓完全反相（相差180°，回路總電源電壓E=E1+E2）時(shí)，斷路器需開(kāi)斷的失步故障電流最大，斷口承受工頻恢復(fù)電壓最高。二、單相反相開(kāi)斷時(shí)的故障電流：1.由圖2-34（b），得反相開(kāi)斷時(shí)失步故障電流值Is為:2. 在斷路器的出口B點(diǎn)短路時(shí)，斷路器需開(kāi)斷的短路電流Id=E1/X1，即E1 =IdX1 。3. 取E1E2= E，代入式（2-64）,并可得：2. 在斷路器的出口B點(diǎn)短路時(shí)，斷路器需開(kāi)斷的短路電流Id=E1/X

41、1，即E1 =IdX1 。3. 取E1E2= E，代入式（2-64）,并可得：當(dāng)X1=X2，Is=Id。因?qū)嶋H的X1=X2/7時(shí)，此時(shí)Is=1/4Id，故斷路器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定失步開(kāi)斷電流為額定短路電流的25（即1/4）。三、單相反相開(kāi)斷時(shí)斷口瞬態(tài)恢復(fù)電壓ush ：1.電流過(guò)零瞬間斷路器斷口兩端A點(diǎn)和B點(diǎn)對(duì)地的電壓UA、UB；· 2. 振蕩頻率：電弧熄滅起， UA由U0開(kāi)始以 的振蕩頻率過(guò)渡到電源電壓Em， UB 將由U0開(kāi)始以振蕩頻率 · 過(guò)渡到-Em，通常f1f2。· 圖2-35給出了uA、uB及斷口瞬態(tài)恢復(fù)電壓曲線ush。 ush是一個(gè)圍繞工頻恢復(fù)電壓2Em變化

42、的振蕩波。·三、三相反相開(kāi)斷時(shí)首開(kāi)相的工頻恢復(fù)電壓：1. 中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)：是電源相電壓幅值Em的3倍；2. 中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)：是Em的2.6倍。3. 實(shí)際失步開(kāi)斷中，電源完全反相的幾率很小。斷路器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)中，失步開(kāi)斷時(shí)首開(kāi)相的工頻恢復(fù)電壓取電源相電壓幅值的2.5倍，在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中取2倍。第七節(jié) 電容負(fù)荷的關(guān)合與開(kāi)斷· 電容負(fù)荷有空載長(zhǎng)線和無(wú)功補(bǔ)償用余弦電容器組兩種。· 一、電容負(fù)荷的關(guān)合：· 1、空載長(zhǎng)線的關(guān)合：· 圖2-36（a）中，F(xiàn)l和F2經(jīng)空載長(zhǎng)線連通，線路兩側(cè)均裝有斷路器。當(dāng)DL2斷開(kāi)時(shí)，關(guān)合

43、DL1即是關(guān)合空載長(zhǎng)線。 用集中電容取代長(zhǎng)線分布電容，得圖2-36（b）簡(jiǎn)化單相等值電路圖，圖中L為電源電感，C為長(zhǎng)線的總電容。 自動(dòng)重合閘操作時(shí)，線路電容上有殘余電荷，有起始電壓U0。 按圖2-36（b）列微分方程組：求過(guò)電壓：取起始條件為：t=0時(shí)，Uc=U0，ic=0， 可解得： 式中，a是合閘相角；U0指電容C上的殘余電壓。過(guò)電壓與a和U0的極性及大小有關(guān)。a 當(dāng)a=90°，U0=0（即線路上沒(méi)有殘余電荷）時(shí)，過(guò)電壓達(dá)電源電壓的2倍；b 當(dāng)U0的極性和電源電壓相反時(shí)，過(guò)電壓可超出2倍?？紤]到關(guān)合空載長(zhǎng)線時(shí)， U0一般不會(huì)超過(guò)Em，所以關(guān)合空線的過(guò)電壓倍數(shù)（指過(guò)電壓與電源電壓幅值之比）小于3。 限制措施：我國(guó)220kV及以下線路不需采取任何限制措施，但330kV及以上線路絕緣水平較低，在斷路器上加裝合閘并聯(lián)電阻或選相合閘（由于選相控制的復(fù)雜性，這一措施尚未得到普遍應(yīng)用），以限制合閘過(guò)電壓。裝Rb ：圖2-38為其原理圖。· 關(guān)合時(shí)，D2先接通，長(zhǎng)線經(jīng)Rb接入電源。由于Rb的存在，D2關(guān)合時(shí)長(zhǎng)線電容的電壓振蕩得到阻尼，Rb愈大，阻尼作用愈強(qiáng)。在D2關(guān)合后經(jīng)過(guò)715ms后，長(zhǎng)線電壓基本趨于穩(wěn)定，再關(guān)合主斷口D1，短接Rb。· 雖然Rb被短接時(shí)電容電壓仍