2010-9-8 高壓電器 第二章 短路故障的關(guān)合與開斷.pptVIP

1,2010-2011年第一學(xué)期 電氣工程專業(yè),電氣信息學(xué)院 李 靖 2010. 09. 08,高 壓 電 器 第二章 短路故障的關(guān)合與開斷,2,第一節(jié) 綜 述 一、關(guān)合和開斷短路故障時，電弧的燃燒與熄滅： 1. 高壓斷路器關(guān)合和開短路故障時，都會出現(xiàn)電弧。關(guān)合與開斷的電流愈大，電弧愈強烈，工作條件也愈嚴(yán)重，尤以開斷為甚。 2. 介質(zhì)強度uj （指觸頭間能承受的電壓 值）和恢復(fù)電壓uhf （電 流過零后在斷口兩端出現(xiàn) 的外加電壓）是影響電力 系統(tǒng)開斷的兩個重要因素 ，分別用uj（t）和uhf （t）表示，如圖2-1所示。,3, 當(dāng)恢復(fù)電壓的上升速度比介質(zhì)強度的增長快時， uj（t）和uhf（t）兩曲線將相交（圖2-1，a），電弧會重燃，電流繼續(xù)以電弧的形式通過斷口，電路不能開斷。 當(dāng)介質(zhì)強度的增長比恢復(fù)電壓的上升快時， uj（t）和uhf（t）兩曲線將不會相交（圖2-1，b），電弧不再重燃，電路即被開斷。,4,二、過電壓 高壓斷路器在開斷小電感負(fù)載（如空載變壓器、電抗器或電動機）和電容性負(fù)載（如空載長線或電容器組）、關(guān)合電容性電流時，常常產(chǎn)生過電壓，危及包括高壓斷路器在內(nèi)的電力系統(tǒng)電氣設(shè)備的安全。為此，須對各種關(guān)合和開斷情況下的電力系統(tǒng)電壓和電流的過渡過程進行研究。 本節(jié)從單相回路著手，闡明物理過程；再進而分析三相問題。,5,第二節(jié) 電力系統(tǒng)短路故障的關(guān)合 一、電力系統(tǒng)的短路故障： 1.電力系統(tǒng)短路的定義： 是指電力系統(tǒng)中，因一相或多相導(dǎo)體 發(fā)生接地或互相短接，從而將負(fù)載 阻抗短接的故障。 2.電力系統(tǒng)短路的形式： 單相接地短路； 兩相接地短路； 兩相不接地短路；三相接地短路； 三相不接地短路；斷路器異側(cè)兩相 接地短路等。 理想的短路情況：三相負(fù)載相等。,6,第二節(jié) 電力系統(tǒng)短路故障的關(guān)合 一、電力系統(tǒng)的短路故障： 3. 電力系統(tǒng)關(guān)合的類型； （1） 正常關(guān)合：關(guān)合前線路或電氣設(shè)備不存在絕緣故障的關(guān)合； （2） 短路故障的關(guān)合：指關(guān)合前，線路或電氣設(shè)備存在絕緣甚至短路故障狀態(tài)的關(guān)合。 因短路故障的關(guān)合問題最嚴(yán)重，因此本章只討論之。,7,第二節(jié) 電力系統(tǒng)短路故障的關(guān)合 一、電力系統(tǒng)的短路故障： 模擬電力系統(tǒng)短路故障進行試驗的現(xiàn)場。,8,4. 電力系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障關(guān)合的四種前提：（1）存在“預(yù)伏故障”；（2）存在“試探性自動重合閘”；（3）存在“人為接地短路”（保護需要，視頻/ u97/v_NDAyODMzMTg.html）；（4）存在“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）所示的計算短路關(guān)合電流的等值線路圖。,人為接地短路線,9,1.短路電流 id的表達(dá)式： 圖中，L和R分別是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，通過解微分方程,則短路電流id的表達(dá)式將為：,10,2.回路的穩(wěn)態(tài)短路電流iz ： 式（2-1），右邊第一項是回路穩(wěn)態(tài)短路電流iz ，也稱短路電流的周期分量； 右邊第二項是一個按指數(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。 其衰減快慢由回路的時間常數(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，在暫態(tài)過程中，短路電流id是圍繞非周期分量電流振蕩的。,11,一般情況下，高壓電網(wǎng)各元件的電抗比電阻大得多，因此如忽略回路電阻對穩(wěn)態(tài)短路電流的影響（即=90），則公式（2-1）可簡化為,當(dāng)在電源電壓過零點瞬間 (即a=0)時關(guān)合，短路電流的非周期分量（第二項）最大，它的初始值等于穩(wěn)態(tài)短路電流的幅值Idm。此時,式（2-2）可簡化為,12,圖2-4為與式（2-2）對應(yīng)的波形圖。,短路電流的示波圖,13,3.短路電流最大值：也叫短路沖擊電流，以Ich表示。 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)生后的半個周期-即t=/=0.01s-時出現(xiàn)。 Ich可由下式求出：,第二節(jié) 電力系統(tǒng)短路故障的關(guān)合,14,4. 高壓電器短路沖擊電流Ich的有關(guān)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倍或短路電流周期分量有效值的2.55倍。 證明：短路沖擊系數(shù)Kch由回路的時間常數(shù)T決定。在感抗較大的高壓電網(wǎng)內(nèi)，一般取T0.045s，此時，沖擊系數(shù)Kch為：,對高壓斷路器關(guān)合能力的要求應(yīng)根據(jù)短路沖擊電流提出；同時，短路沖擊電流也決定了電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備所受的機械力。,15,沖擊電流發(fā)生器 主要用以檢驗電氣設(shè)備耐受 沖擊電流穩(wěn)定的能力，廣泛應(yīng)用 于氧化鋅避雷器閥片進行沖擊 電流試驗，也可用于其它研究性 試驗。 沖擊電流發(fā)生器的特點: 1、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)波方便; 2、輸出電流大(4/10ms波形達(dá)到120kA); 3、可采用下球氣缸推動觸發(fā)方式，同步性能好，動作可靠; 4、每只主電容器套管上都串有一只大能量的無感吸能電阻，確保主電容器的安全; 5、采用恒流充電計算機測量控制一體化系統(tǒng)，自動化程度高，抗干擾能力強。,16, 某企業(yè)測量避雷器相關(guān)試樣的沖擊特性實驗圖 型號：CJDL-50kV/150A 波型：0.6/58S 最大電流峰值：150A 最小電流峰值：20A,沖擊電流發(fā)生器生產(chǎn)單位：國電網(wǎng)武漢高電壓試驗研究所等,17,某型沖擊電流發(fā)生器主要技術(shù)參數(shù) 額定電壓: 50 kV或120kV 2000S方波沖擊電流幅值 1.5kA5% 1/20S陡波沖擊電流幅值 20kA5% 4/10S沖擊電流幅值 100kA5% 8/20S雷電沖擊電流幅值 40kA5% 30/80S操作沖擊電流幅值 2kA5%,18,5. 電力系統(tǒng)中各種額定電流值大小的關(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 ：額定短路開斷電流（INK）。,（清華）,19,概念,額定短路關(guān)合電流是指合閘時出現(xiàn)短路電流下開關(guān)絕限能力。比如開關(guān)標(biāo)明的額定短時關(guān)合電流(峰值)是 50kA；當(dāng)外界線路發(fā)生短路時而你把閘合上去，這時開關(guān)受合閘短路電流作用而跳閘。如果這個瞬間短路電流沒有超過50KA，觸頭滅弧有效。如果超過瞬間50KA觸頭滅弧不保證，就會拉弧或造成熱元件失效等。 額定短路開斷電流是指開關(guān)絕限斷開電流的最大能力。比如開關(guān)標(biāo)明的額定短路開斷電流為20KA，表示20KA內(nèi)的短路跳閘觸頭滅弧熱元件動作等有效；超過這個絕限，跳閘觸頭的滅弧熱元件動作不保證，會產(chǎn)生拉弧。,20,第三節(jié) 單相短路故障開斷 電力系統(tǒng)中，開斷短路故障的任務(wù)最艱巨。 本節(jié)介紹單相短路故障的開斷。 一、恢復(fù)電壓： 1. R-L-C電路 圖2-5（a）為開斷中性點直接接地（110kV及以上）的發(fā)電電路母線處發(fā)生單相接地故障的電路接線圖，（b）為其等值線路圖。圖中，L、R分別為發(fā)電機的電感和電阻，C為發(fā)電機的對地電容。 設(shè)觸頭分離瞬間，短路電流的非周期分量已衰減完畢，即不考慮短路電流的非周期分量。,母線,G,發(fā)電機,21,短路電流id和電源電壓e的波形見圖2-6。 t=t1：觸頭開始分離、形成電弧。因忽略電弧壓降，故斷口兩端電壓（即電容電壓）仍然為零。 t=t2：電流過零、電弧熄滅，此時，電源電壓開始通過R與L對電容C充電；電容C上的電壓uc將逐漸上升，uc也就是開關(guān)斷口兩端的恢復(fù)電壓uhf。,忽略電弧壓降uh，則通過斷口的短路電流id和電源電壓e間將有以下的關(guān)系：,22,2. 電容性電路 該電容充電的過程和圖2-7（a）交流電源e=Emsin（t） 在t=0時R-L-C回路合閘的過程完全相同。 考慮到電力系統(tǒng)短路回路的回路電阻R通常很小，一般均能滿足 R2（L/C）的條件，所以在合閘過程中將會產(chǎn)生高頻振蕩。 高頻振蕩的角頻率為：,23,這一高頻振蕩的頻率要比工頻的高很多。因此，為求出過渡過程中的電容電壓uc，先假設(shè)電源電壓近似保持不變（如設(shè)法在電源電壓接近其幅值時將高壓斷路器關(guān)合，這時由于電源電壓變化最慢，可近似認(rèn)為其值保持不變），這樣，就可以把圖2-7（a）中的交流電源簡化為直流電源，即得圖2-7 的（b）圖。 直流電源電壓E0取t=0時交流電源電壓的瞬時值，即：,24,由三要素法，可得斷口上的恢復(fù)電壓Uhf為：,為電路固有衰減系數(shù)。 0為電路固有振蕩頻率；,25,3. 恢復(fù)電壓的上升速度： 恢復(fù)電壓的上升速度常用高頻振蕩第一個半周內(nèi)電壓平均上升速度（duhf/dt）p表示。 不考慮振蕩衰減（假設(shè)無衰減）時，其值為： 式中，f0：固有振蕩頻率； Ugh：工頻恢復(fù)電壓。 考慮衰減(恢復(fù)電壓的最大值有所降低)時，其值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1.41.5。,26, 圖形表示： 恢復(fù)電壓上升速度是從原點至幅值點Ushm所作的直線，如圖2-8中直線1所示，tm為峰值時間。 恢復(fù)電壓的上升速度也可用恢復(fù)電壓最大平均速度表示，即從原點作恢復(fù)電壓曲線的切線，如圖2-8中直線2所示。按此速度上升時恢復(fù)電壓達(dá)最大值的時間將提前到ts。ts又稱峰值參考時間。,27, 考慮到短路時功率因數(shù)一般很低，許多情況cos0.15，sin1，由式可得E0=Em，即把工頻恢復(fù)電壓取為電源相電壓的幅值。 實際上，系統(tǒng)的最大工作電壓取為額定電壓的1.15倍，因此可得用系統(tǒng)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（duhf/dt）p的計算公式：,式中，Km是恢復(fù)電壓的振幅系數(shù)。,28,二、開斷電流 1. 定義：指觸頭分離瞬間流過斷路器斷口的電流。 根據(jù)繼電保護整定值的快慢和斷路器動作快慢的不同，觸頭的分離可以出現(xiàn)在非周期分量尚未全部衰減完(圖2-9中t1)，也可以出現(xiàn)在非周期分量已全部衰減完后（圖2-9中t2時刻） 。,29,2. 表示方法： 觸頭分離瞬間,短路電流周期分量的有效值 ； 非周期分量的相對值 。 3. 在開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值，但它在某種程度上卻有利于電路的開斷（為什么在開關(guān)試驗條件中要規(guī)定開斷電流的非周期分量平均值/直流分量不能大于周期分量最大值/交流分量峰值的20）？,30,原因是當(dāng)短路電流中存在非周期分量時（圖2-10），電弧不管是在電流的大半波過零（圖2-10中t1點）時或小半波過零（圖2-10中t2點）時熄滅，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。,31,三、降低過電壓的措施并聯(lián)電阻： 1、在為限制操作過電壓而并聯(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斷口時均壓設(shè)計的。 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)電壓上升速度著手。,32,3、圖2-11是用有并聯(lián)電阻的高壓斷路器開斷發(fā)電機母線單相接地故障時的電路圖。 高壓斷路器設(shè)有兩個斷口：主斷口D1和輔助斷口D2。電阻Rb并聯(lián)在主斷口Dl上。 當(dāng)高壓斷路器開斷電路時，主斷口先打開,把并聯(lián)電阻接入。當(dāng)主斷口間的電弧熄滅后，再打開輔助斷口D2，開斷流經(jīng)并聯(lián)電阻的電流，使電路完全開斷。,33,4、主斷口D1并聯(lián)電阻后，主斷口和輔助斷口的開斷電流和斷口的電壓恢復(fù)過程： 圖2-12（a）為主斷口開斷的等值電路圖。,34,此時通過主斷口的短路電流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，Ugh =Emsin，其中，阻抗角為=tg-1（wL/R）。畫出的恢復(fù)電壓曲線如圖2-13 。,35,由圖可見，采用并聯(lián)電阻阻尼振蕩后，恢復(fù)電壓最大值將不會超過工頻恢復(fù)電壓Ugh。 恢復(fù)電壓的最大上升速度出現(xiàn)在t=0時，其值為：,并聯(lián)電阻Rb愈小，恢復(fù)電壓的上升速度就愈低，主斷口的開斷將比較輕松。,36,圖2-14（a）為輔助斷口D2開斷時的等值電路圖。,37,可見輔助斷口D2開斷的電流i要比主斷口id為小。,圖2-14（a）為輔助斷口D2開斷時的等值電路圖。 開斷電流i：考慮到 ，忽略流經(jīng)電容C的電流，則輔助斷口開斷前，流經(jīng)電感的輔助斷口電流i和電源電壓e將為：,38, 恢復(fù)電壓ush：圖2-14（b）為計算輔助斷口恢復(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sin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。 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)電壓和開斷電流都得到了一定程度的降低，所以輔助斷口的開斷條件遠(yuǎn)比主斷口輕松。,39,四、列表歸納高壓斷路器開斷單相短路電流的電氣參數(shù),40,（接上表）,41,第四節(jié) 三相短路故障的開斷 三相短路故障的開斷與系統(tǒng)接地與否以及短路性質(zhì)有關(guān)。 一、三相不接地短路故障的開斷 圖2-15為開斷三相不接地短路故障的等值線路圖。電源中性點一般不接地（ 也可以接地，如圖中虛線所示）。電源相電壓的幅值為Em。,42,考慮到通常相間電容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：,43,2.首開相（first-pole-to-clear）的短路電流：由于三相交流電流過零時刻有先后，因此，高壓斷路器在開斷三相短路故障時，各相熄弧也有先后。 先分析t=0時，首開相A相電弧電流首先過零的的情況。 A相需開斷的短路電流有效值： A相中的AA電流過零電弧熄滅后，圖2-15的等值電路將轉(zhuǎn)化為圖2-16的形式。此時，A相斷口上的恢復(fù)電壓可由根據(jù)等值電源定理簡化的等值電路（圖2-17）求得。,44,圖2-17中，等值電勢Ed的大小為圖2-16中等值電容Cd拿開后，用電壓表在斷口間量得的電壓值UAD。 由于A相熄弧后AA間無電流流過，所以UAD也就是UAD。 考慮到圖2-16中，接在電源BC兩點間的負(fù)載是對稱的，所以D點的電位就是EBC的中點，如圖2-18所示。據(jù)此可求出等值電源電勢為：,45,3. 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，等值系數(shù)均為1.5。,46,A相斷口的瞬態(tài)恢復(fù)電壓ughA為：,結(jié)論：開斷三相短路故障時，首開相的工頻恢復(fù)電壓為電源相電壓幅值的1.5倍，該值比開斷單相短路時高。,47,3. BC兩相短路的開斷： A相開斷后，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。,48,當(dāng)t=0，sinwt=0，由（2-38）和（2-39）可知，A相電流過零熄滅時，B、C兩相間的線電壓eBC為零，流過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路時的 倍。,倍,49,A相電流過零開斷后，經(jīng)過0.005s，流經(jīng)B相和C相斷口的電流將同時過零點而熄滅。 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：,50,首開相的工頻恢復(fù)電壓和電源電壓幅值之比稱為首開相系數(shù)，用Kl表示，即：,51,二、三相接地短路故障的開斷： 與“一”內(nèi)容不同的是用“對稱分量法”（已知IA、UB、UC，可求出UA、IB、IC）求工頻恢復(fù)電壓。,52,1. 三相短路后，A相已開斷，兩相接地短路時，首開的C相的工頻恢復(fù)電壓為 Ughc= 1.25Em。 2. 兩相轉(zhuǎn)單相開斷：在繼兩相接地短路后，出現(xiàn)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相開斷后，B相斷口的工頻恢復(fù)電壓則為UghB=Em。,53,3. 各種接地故障的首開相系數(shù)也列于表2-1。表中，以三相短路首開相的工作條件最嚴(yán)重。 當(dāng)X03Xl時，可取首相開斷系數(shù)為1.5；當(dāng)X03Xl時，可取首相開斷系數(shù)為1.3（因?qū)嶋H上很少發(fā)生三相短路，故取1.3）。,54,小規(guī)律：表2-1中，“故障形式”和“中性點接地形式”中，只要有一項為“不接地”，則三相的首開極系數(shù)K1=1.5，而兩相的首開極系數(shù)為K1=0.866。 4. 總結(jié)： 1.在中性點直接接地系統(tǒng)中，出現(xiàn)三相短路故障的機會極少，首開極系數(shù)可取K1=1.3； 2.在中性點不直接接地系統(tǒng)中，首開極系數(shù)可取K1=1.5； 3.異地故障：K1=1.732； 4.利用首相開斷系數(shù)K1與系統(tǒng)的最高工作電壓Umn，可求得斷路器首開極的工頻恢復(fù)電壓最大值：Uprm=0.816K1Umn。,55,5、歸納：,56,57,58,例題：用10kV高壓斷路器開斷三相短路，已知短路電流為kA，恢復(fù)電壓的固有振蕩頻率為kHz，問采用的并聯(lián)電阻能否阻尼恢復(fù)電壓的振蕩？ 答： 1、求XL：XL= Umn/Im ()； 2、求L： L=XL/(H)； 3、求C0：因為0 = 1/（L C0）0.5，所以C0 = 1/02 L(F) 4、將L、C0代入公式（L/C0）0.5/ 2()，求出阻值 Rlj； 5、比較Rb與Rlj ，判斷可否阻尼恢復(fù)電壓振蕩。,59,例題：有一個安裝在35kV三相電網(wǎng)的斷路器，已知f 0 ，k1，km ，t3。計算其在滿容量（100%Iek）開斷試驗時，應(yīng)能滿足的瞬態(tài)恢復(fù)電壓的最大值、最大上升速度和平均上升速度。 解： 1、由標(biāo)準(zhǔn)，知系統(tǒng)最大工作電壓Umn=40.5kV，得瞬態(tài)恢復(fù)電壓的最大值uhfm為： uhfm=0.816 Umn k1 km （Kv） 2、瞬態(tài)恢復(fù)電壓的最大上升速度（duhf/dt）max為： (duhf/dt)max =uhfm /t3 (kV/us) 3、瞬態(tài)恢復(fù)電壓的平均上升速度（duhfm/dt）p為： （duhfm/dt）p=1.63k1kmf0Umn (kV/us),60,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，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）中開斷中性點接地的發(fā)電機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)的電感和對地電容，L2、C2為電抗器的電感和對地電容。,61,1.L1、L2電路：忽略斷路器開斷前流經(jīng)Cl和C2的電流，則電弧電流過零前瞬間作用在Ll、L2、Cl和C2上的電壓將為：,2. C1、C2電路： 從電流過零電弧熄滅開始，斷口兩側(cè)的回路將分開成兩個獨立的振蕩回路，忽略振蕩過程中電源電壓變化，可得圖2-23（C）的等值線路圖。,62,由此可求出電容C1和C2上的瞬態(tài)電壓變化為：,63,圖2-24為計及衰減時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。,64,二、電力系統(tǒng)瞬態(tài)恢復(fù)電壓： 實際電力系統(tǒng)回路多樣，參數(shù)各異，瞬態(tài)恢復(fù)電壓實際波形很復(fù)雜，一般要通過實測或用電子計算機計算得出。 根據(jù)統(tǒng)計和歸納，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，相對較小的情況。此時瞬態(tài)恢復(fù)電壓近似于衰減的單頻振蕩。 此時，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)帶時延法”。,65,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 峰值參考時間t3（s） ：指按最大平均速度上升到最大值Ushm所需的時間； c 時延td（s） ，指與恢復(fù)電壓的起始部分相切且平行于OA的直線（又稱時延線）與時間軸的交點； d 時延參考電壓U（kV）及時延參考時間t（s），指時延線與恢復(fù)電壓曲線相切的切點所對應(yīng)的電壓及時間。,66, 兩參數(shù)法的缺點：不能正確反映恢復(fù)電壓起始部分的變化情況，因而無法確定電弧是否重燃。 圖2-25給出了斷口的介質(zhì)強度恢復(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)電壓峰值和峰值時間，其中uhf1的起始上升速度高，因此在t=t1時和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。,67,2. 系統(tǒng)電壓高于110kV且短路電流相對于最大短路電流來說百分?jǐn)?shù)較大時，瞬態(tài)恢復(fù)電壓包含一個上升速度較高的初始部分，以及繼之而來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”中的四個參數(shù)是： 第一波幅值U1（kV），達(dá)到第一波幅值的時間tl（s），瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值Ushm（kV）和峰值參考時間t2（s），如圖2-27（a）所示。,68, 注意：如果由第一波幅值點（Ul，t1）向峰值曲線所作切線有低于實際恢復(fù)電壓的地方（ 圖2-27，b ），應(yīng)移動該切線使其能包含全部恢復(fù)電壓曲線。 移動規(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)法再加時延線后，稱為“四參數(shù)帶時延法”。 3. 我國各級電壓的瞬態(tài)恢復(fù)電壓特性的相關(guān)規(guī)定可參看GB1984-80交流高壓斷路器。在進行斷路器試驗時，所加恢復(fù)電壓應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。,69,4.如圖2-28所示，以兩參數(shù)帶時延法為例，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和時延線CD； （2）畫出試驗所用恢復(fù)電壓曲線uhf的最大平均速度線OA及通過最大值的水平切線，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延線CD相交，則認(rèn)為恢復(fù)電壓符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。,70,第五節(jié) 近區(qū)故障的開斷 近區(qū)故障是指距斷路器幾百米至幾公里的線路上發(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)，斷路器開斷近區(qū)故障時的工作條件較之開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)故障的機制 1. 參看圖2-29（a），以中性點接地的發(fā)電機的近區(qū)單相接地故障為例。圖中電源電壓為E，D點發(fā)生短路時的短路電流有效值為：,71,2. 在流經(jīng)斷路器斷口的電流過零前的瞬間（t=0-），斷口兩端A點與B點的對地電壓UA和UB相等，為：,72,3. 電流過零電弧熄滅后（t0時），斷口兩側(cè)的回路將分開成兩個獨立的部分。 如圖2-29（a）和（b）所示。參照式（2-5l），A點對地的電壓uA將為：, B點對地的電壓UB則需根據(jù)行波理論求出。 圖2-29（C）是 t=0時BD段線路上的起始電壓分布。 當(dāng)t0時，這一起始電壓分布將被分解成兩個相同的行波，一個前行，一個反行。行波在開路的B點發(fā)生全（正）反射，在短路的D點發(fā)生負(fù)反射。 行波沿線路的傳播速度為=1/（LC），其中L和C為線路每單位長度的電感和電容。行波從線路一端傳播至另一端所需的時間為l/v。圖2-30是t=0后不同時刻行波在線路上的位置。,73,據(jù)此可寫出B點對地的電壓為：,74,（全反射點）,（負(fù)反射點）,（從一端到另一端的時間）,75,4. 圖2-31（a）是表示uA和uB的波形。 圖2-31（b）是說明合成的斷口恢復(fù)電壓波形。 先經(jīng)過幾個極快的鋸齒振蕩，再進入角頻率為1的振蕩的。 0t（2l/v）: 這段時間很短，UA變化很小，故取Ua=2ILl。,76,恢復(fù)電壓的上升速度duhf/dt和第一個最大值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，從而引起開斷困難。 電弧是否重燃還和恢復(fù)電壓的第一個最大值Ul有關(guān)。U1和短路點到斷路器的距離l有關(guān)。,77, 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)電壓的第一個最大值又較高時。此時，l=0.58km時，稱為近區(qū)故障。,78,二、并聯(lián)電阻在開斷近區(qū)故障時的作用 1. 作用：改善斷路器開斷近區(qū)故障時的工作條件。 2. Rb的數(shù)值：不能超過數(shù)百歐的數(shù)量級。 在0t2l/v的時間間隔，用圖2-33（a）等值線路圖計算。圖中，與c1串聯(lián)的直流電源表示C1的起始電荷。,79,2. 因間隔很短，電動勢變化率極大，所以L1的阻抗非常大，可認(rèn)為是開路。圖2-33（a）簡化為圖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并聯(lián)電阻時的二分之一。 可見，為改善斷路器在開斷近區(qū)故障時的故障條件。,80,三、近區(qū)故障的分?jǐn)嗫偨Y(jié)：,81,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)同步運行，斷路器兩側(cè)電壓幅值和相位角相差不大，斷路器流過正常負(fù)荷電流。 2. 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)開斷失步故障，使系統(tǒng)解列。,82,二、單相反相開斷時的故障電流： 1.由圖2-34（b），得反相開斷時失步故障電流值Is為:,2. 在斷路器的出口B點短路時，斷路器需開斷的短路電流Id=E1/X1，即E1 =IdX1 。 3. 取E1E2= E，代入式（2-64）,并可得：,3.反相開斷：當(dāng)兩個電源電壓完全反相（相差180，回路總電源電壓E=E1+E2）時，斷路器需開斷的失步故障電流最大，斷口承受工頻恢復(fù)電壓最高。,83,2. 振蕩頻率：電弧熄滅起， UA由U0開始以 的振蕩頻率過渡到電源電壓Em， UB 將由U0開始以振蕩頻率 過渡到-Em，通常f1f2。,當(dāng)X1=X2，Is=Id。因?qū)嶋H的X1=X2/7時，此時Is=1/4Id，故斷路器試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定失步開斷電流為額定短路電流的25（即1/4）。 三、單相反相開斷時斷口瞬態(tài)恢復(fù)電壓ush ： 1.電流過零瞬間斷路器斷口兩端A點和B點對地的電壓UA、UB；,84,圖2-35給出了uA、uB及斷口瞬態(tài)恢復(fù)電壓曲線ush。 ush是一個圍繞工頻恢復(fù)電壓2Em變化的振蕩波。,85,三、三相反相開斷時首開相的工頻恢復(fù)電壓： 1. 中性點不直接接地系統(tǒng)：是電源相電壓幅值Em的3倍； 2. 中性點直接接地系統(tǒng)：是Em的2.6倍。 3. 實際失步開斷中，電源完全反相的幾率很小。 斷路器試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：中性點不直接接地系統(tǒng)中，失步開斷時首開相的工頻恢復(fù)電壓取電源相電壓幅值的2.5倍，在中性點直接接地系統(tǒng)中取2倍。,86,第七節(jié) 電容負(fù)荷的關(guān)合與開斷 電容負(fù)荷有空載長線和無功補償用余弦電容器組兩種。 一、電容負(fù)荷的關(guān)合： 1、空載長線的關(guān)合： 圖2-36（a）中，F(xiàn)l和F2經(jīng)空載長線連通，線路兩側(cè)均裝有斷路器。當(dāng)DL2斷開時，關(guān)合DL1即是關(guān)合空載長線。,87, 用集中電容取代長線分布電容，得圖2-36（b）簡化單相等值電路圖，圖中L為電源電感，C為長線的總電容。 自動重合閘操作時，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：,88,求過電壓：取起始條件為：t=0時，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（即線路上沒有殘余電荷）時，過電壓達(dá)電源電壓的2倍； b 當(dāng)U0的極性和電源電壓相反時，過電壓可超出2倍。 考慮到關(guān)合空載長線時， U0一般不會超過Em，所以關(guān)合空線的過電壓倍數(shù)（指過電壓與電源電壓幅值之比）小于3。,89,根據(jù)式（2-70）畫出uc變化曲線如圖2-37所示。其中，（a）的U0與電源電壓極性相同，（b）的U0與電源電壓極性相反。 由圖可見，由于L、C振蕩，電容C上的電壓可以超出電源電壓而產(chǎn)生過電壓。 由式（2-70），在0t=處，電容電壓最大，為： Ucm2Emsina-U0 （2-71）,90, 限制措施： 我國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），以限制合閘過電壓。 裝Rb ：圖2-38為其原理圖。,91,關(guān)合時，D2先接通，長線經(jīng)Rb接入電源。由于Rb的存在，D2關(guān)合時長線電容的電壓振蕩得到阻尼，Rb愈大，阻尼作用愈強。在D2關(guān)合后經(jīng)過715ms后，長線電壓基本趨于穩(wěn)定，再關(guān)合主斷口D1，短接Rb。 雖然Rb被短接時電容電壓仍會出現(xiàn)振蕩，但由于主斷口關(guān)合前，電源與輸電線電容間已有合閘電阻Rb，電源電壓與電容電壓的差值不很大，因此由于振蕩而出現(xiàn)的過電壓不會太高。 Rb應(yīng)在4001200的范圍內(nèi)（相關(guān)計算見電力系統(tǒng)過電壓），屬于中值并聯(lián)電阻。,92,二、空載長線的開斷：圖2-39是接線圖和等值線路圖。 1. 斷口電壓的變化： 圖中L 、C是線路的等值電感和等值電容，ZLZc，屬容性，因此在電路開斷前，認(rèn)為uc和電源電勢e近似相等，流過斷口的工頻電流ic領(lǐng)先電源電壓90。,容性,93,在電流過零電弧熄滅瞬間t1，電容電壓達(dá)到電源電壓最大值Em。電弧熄滅后，電容電壓保持Em不變，電源電壓e繼續(xù)按工頻變化。此時，斷口的恢復(fù)電壓逐漸增加（如圖中第一個陰影所示）。經(jīng)過工頻半波t2后，電源電壓e到達(dá)反相最大值時，斷口電壓達(dá)到最大值2Em。,94,如果斷口介質(zhì)強度不夠，且剛好在2Em時被重?fù)舸?，重?fù)舸┖箅娙蓦妷簎c將由起始值Em以0=1/（LC）的角頻率圍繞-Em振蕩。uc的最大值可達(dá)-3Em。 依此類推，過電壓可按-7Em，+9Em，逐次增加而達(dá)很大的數(shù)。 切空線過電壓的值實際上不會按3，5，7倍逐次增加。在中性點不接地系統(tǒng)中一般不超過3.54倍，在中性點直接接地系統(tǒng)中一般不超過3倍。 實際上僅在330kV及以上的線路需要采取專門措施限制切空線過電壓。 3. 限制開斷空線過電壓的最有效措施提高斷路器的熄弧能力。 斷路器熄弧能力不高時，可在斷口上并聯(lián)4001200的合閘電阻可以限制切空線過電壓。,95,三、無功補償用電容器組的關(guān)合與開斷： 兩大運行問題：投入時的涌流和切除時的過電壓。 只討論單組電容器和并聯(lián)電容器組投入，以及電容器組開斷發(fā)生重?fù)舸┑挠苛鲉栴}。 涌流：是幅值比電容器組的正常工作電流大、持續(xù)時間短、高頻衰減的電流。 （一）單組電容器投入時的涌流： 1. 圖2-42是單組電容器投入時的接線圖和計算涌流的等值電路圖。,96,由式（2-70），取U0=0，a=-90，可得電容器投入時uc的變化為： 2.由之可求得流經(jīng)斷路器的涌流為：,3. 圖2-43為涌流的波形圖。 涌流的最大值Icm出現(xiàn)在sin0t=-1時，即：,97,設(shè)電網(wǎng)的額定電壓為Ue，電容器安裝處的短路容量為Pd=U02/L，電容器的額定容量為Pe=Ue2C，以0=1/（LC）代入式（2-75），可得：,由于單組電容器容量有限，投入時的涌流不大，所以不會造成危害。,4. 涌流最大值與電容器組正常工作電流的幅值之比，稱為涌流倍數(shù)，用K表示：,式中，0由電容器的電容量C和電容器安裝處的短路電感L決定。,98,（二）并聯(lián)電容器組投入時的涌流 1.如圖2-44，實際運行時把安