高壓斷路器和隔離開關(guān)的原理與選擇.pptVIP

第六章導體和電氣設備的原理與選擇 第二節(jié)高壓斷路器和隔離開關(guān)的原理與選擇 教學內(nèi)容 本節(jié)教學內(nèi)容一 電弧的形成與熄滅二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析三 高壓斷路器的選擇四 隔離開關(guān)的選擇 首頁 一 電弧的形成與熄滅 1 電弧 是一種氣體游離放電現(xiàn)象 2 產(chǎn)生電弧的條件 用開關(guān)電器開斷電源電壓大于10 20V 電流大于80 100mA的電路時 就會發(fā)生電弧 3 電弧的特點 能量集中 溫度很高 亮度很強 電弧是良導體 4 電弧的利用 電弧在工業(yè)上有很多有益的應用 例如 利用其高溫的電弧焊接機 電弧煉鋼爐等 5 電弧的危害 在開關(guān)電器中 電弧是有害的 要求盡快地熄滅 否則會燒壞開關(guān)觸頭 誤拉隔離開關(guān)會造成相間短路和人身傷亡 第二節(jié)高壓短路器和隔離開關(guān)的原理與選擇 一 電弧的形成與熄滅 一 電弧的形成與熄滅 1 電弧的產(chǎn)生與熄滅 游離 中性質(zhì)點分解成自由電子和正離子 去游離 電子和正離子相互吸引還原為中性質(zhì)點 1 電弧的產(chǎn)生 強電場發(fā)射 E U s大于3 106V m時 金屬觸頭陰極表面就會發(fā)射自由電子 熱電子發(fā)射 在開關(guān)分閘時 動靜觸頭之間的接觸壓力和接觸面積減小 接觸電阻增大 接觸表面發(fā)熱嚴重 產(chǎn)生局部高溫 陰極金屬材料中的電子獲得動能而逸出成為自由電子 加速運動 自由電子 在強電場的作用下 向陽極作加速運動 碰撞游離 加速運動獲得動能的自由電子在運動中與中性質(zhì)點發(fā)生碰撞 中性質(zhì)點中的電子獲得能量產(chǎn)生躍遷 跳到能級更高的軌道上 如果獲得的能量足夠大 自由電子就能脫離原子核的束縛 游離成自由電子和正離子 雪崩 游離的結(jié)果導致觸頭間自由電子數(shù)量劇增 介質(zhì)擊穿產(chǎn)生電弧 劇增的電子形成電流 介質(zhì)被擊穿而產(chǎn)生電弧 一 電弧的形成與熄滅 2 電弧的維持與發(fā)展 由于電弧的r小 電弧形成后 觸頭間的電壓和電場強度很低 強電場發(fā)射停止 由于電弧在燃燒過程中溫度很高 可達到幾千度甚至上萬度 陰極表面繼續(xù)進行熱電子發(fā)射 一 電弧的形成與熄滅 另一方面介質(zhì)的分子和原子在高溫下將產(chǎn)生強烈的分子熱運動 獲得動能的中性質(zhì)點之間不斷地發(fā)生碰撞 游離成自由電子和正離子 此即所謂熱游離 熱發(fā)射和熱游離給弧隙提供了大量的自由電子 電流繼續(xù)流過 電弧的燃燒得以維持 3 電弧的熄滅 復合去游離 正離子和負離子相互吸引而中和成為中性質(zhì)點的過程 自由電子的v遠大于正離子 它們直接復合的可能性很小 往往是自由電子先附著在中性質(zhì)點上 形成負離子 運動速度大大減慢 此時正離子和負離子更容易復合 擴散去游離 自由電子和正離子逸出電弧而進入周圍介質(zhì)中 被周圍介質(zhì)冷卻而復合的過程 由于電弧內(nèi)外的電荷濃度及溫差的不同 自由電子和正離子將向濃度和溫度都低的周圍介質(zhì)中擴散 在低溫處 電子和離子的v減慢而復合成為中性質(zhì)點 一 電弧的形成與熄滅 電弧的熄滅 電弧的燃燒是由游離過程維持的 但在電弧中同時還進行著相反的使帶電質(zhì)點數(shù)量減少的去游離過程 游離作用等于去游離作用 新增加的帶電質(zhì)點數(shù)量與中和的數(shù)量相等 電弧穩(wěn)定燃燒 游離作用大于去游離作用 電弧燃燒加劇 游離作用小于去游離作用 則電弧中的帶電質(zhì)點數(shù)量減少 最終導致電弧熄滅 一 電弧的形成與熄滅 2 交流電弧的熄滅 1 電弧電流交變 每半個周期過零一次 此時電弧因失去能量而自然熄滅 2 由于熱慣性 弧柱溫度的變化滯后于快速變化的電流 所以交流電弧的伏安特性是動態(tài)的 如圖2 1 所示 在電流增大時 溫度來不及增高 弧隙電阻來不及減小 在電流減小時 溫度來不及減小 弧隙電阻來不及增大 故圖6 1 a中正方向電流增大時的曲線在電流減小時的上方 A點是電弧產(chǎn)生時的電壓 稱為燃弧電壓 B點是電弧熄滅時的電壓 稱為熄弧電壓 圖6 1 一 電弧的形成與熄滅 1 交流電弧熄滅的條件 1 熄滅交流電弧的最佳時機 交流電弧每半周期自然熄滅是熄滅交流電弧的最佳時機 2 在電流過零后 弧隙中存在著兩個恢復過程 a 介質(zhì)強度恢復過程 由于去游離作用的加強 弧隙間的介質(zhì)逐漸恢復其絕緣性能 以耐受的電壓Ud t 表示 b 弧隙電壓恢復過程 電源電壓要重新作用在觸頭上 弧隙電壓將從熄弧電壓逐漸恢復到電源電壓 用Ur t 表示 一 電弧的形成與熄滅 a 弧隙介質(zhì)強度恢復過程 起始介質(zhì)強度 近陰極效應 在電流過零后的0 1 1 s的短暫時間內(nèi) 陰極附近出現(xiàn)150 250V的起始介質(zhì)強度 稱為近陰極效應 一 電弧的形成與熄滅 圖6 4 原因 在電流過零的瞬間 弧隙電壓的極性發(fā)生變化 弧隙中的自由電子立即向新陽極運動 正離子質(zhì)量大 基本未動 在新陰極附近就形成了只有正電荷的不導電薄層 阻礙陰極發(fā)射電子 呈現(xiàn)出一定的介質(zhì)強度 如圖6 4所示 起始介質(zhì)強度出現(xiàn)后的介質(zhì)強度的恢復這是一個復雜的過程 它與電弧電流 介質(zhì)特性 冷卻條件和觸頭分斷速度有關(guān) b 弧隙電壓恢復過程 電弧為純電阻性質(zhì) 電弧電流與弧隙電壓同相位 電弧電流過零時 弧隙電壓接近零 短路時電路電阻很小 電路呈感性 電弧電流與電源電壓不同相位 電弧電流過零時 電源電壓不等于零 由于電路參數(shù)L C的存在 電弧熄滅后 弧隙電壓不可能立刻由熄弧電壓上升到電源電壓 一般弧隙恢復電壓是一個過渡過程 它將從瞬態(tài) 振蕩 恢復電壓逐漸過渡到工頻恢復電壓 圖6 5 3 交流電弧熄滅的條件 電流過零后 電弧能否熄滅取決于兩個恢復過程作用的結(jié)果 如果弧隙電壓恢復過程上升速度較快 幅值較大 弧隙電壓恢復過程大于弧隙介質(zhì)強度恢復過程 介質(zhì)被擊穿 電弧重燃 如圖6 6 a所示 如果弧隙介質(zhì)強度恢復過程始終大于弧隙電壓恢復過程 則電弧熄滅 如圖6 6 b和6 6 c所示 故交流電弧熄滅的條件應為 Ud t Ur t 圖6 6 如果能夠采取措施 防止弧隙恢復電壓振蕩 將周期性振蕩特性的恢復電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵芷谛曰謴瓦^程 電弧就更容易熄滅 如圖6 6 c所示 圖6 6 一 電弧的形成與熄滅 2 熄滅交流電弧的基本方法 加強弧隙的去游離 提高介質(zhì)強度的恢復速度和降低弧隙電壓的上升速度與幅值 是高壓斷路器中熄滅電弧的基本方法 1 利用滅弧介質(zhì) 在高壓斷路器中 廣泛采用去游離作用強的滅弧介質(zhì)滅弧 2 采用特殊金屬材料作滅弧觸頭 采用銅 鎢合金和銀 鎢合金等特殊金屬材料作觸頭 這些材料在高溫下不易熔化和蒸發(fā) 抗熔焊 可以減少熱電子發(fā)射和高溫分解產(chǎn)生的金屬蒸氣 削弱了游離作用 一 電弧的形成與熄滅 一 電弧的形成與熄滅 3 利用氣體或油吹動電弧 吹弧是指利用各種結(jié)構(gòu)形式的滅弧室 使高溫分解的氣體或具有很大壓力的新鮮且低溫的氣體在滅弧室中按特定的通路 吹動電弧 加強擴散和復合去游離而使電弧熄滅的方法 4 采用多斷口熄弧 某些電壓等級較高的斷路器采用多個滅弧室串聯(lián)的多斷口滅弧方式 多斷口將電弧分割成多段 在相同觸頭行程下 增加了電弧的總長度 弧隙電阻迅速增大 介質(zhì)強度恢復速度加快 使每個斷口上的恢復電壓減小 降低了恢復電壓的上升速度和幅值 提高了滅弧能力 5 提高斷路器觸頭的分離速度 加快斷路器觸頭的分離速度 可以迅速拉長電弧 使弧隙的電場強度驟降 弧隙電阻和電弧的表面積突然增大 電弧的冷卻加快 有利于帶電質(zhì)點的擴散和復合去游離 一 電弧的形成與熄滅 二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析 目的 找出恢復電壓不振蕩的條件及防止振蕩的方法 斷路器開斷短路電流時的電路如圖6 4a所示 其等效電路如圖6 4b所示 R L為電源和變壓器的電阻和電感 C可以認為是變壓器繞組及連接線對地的分布電容 r為斷路器觸頭并聯(lián)電阻 圖6 4 1 弧隙電壓恢復過程分析 二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析 熄弧后 從瞬態(tài)恢復電壓過渡到電源電壓的時間很短 一般不超過幾百微秒 可近似認為電源電壓不變 故電源用直流電源U0來代替 假設與初始條件 i 0時是時間的起點 即t 0 斷路器開斷短路電流時的弧隙電壓恢復過程相當于二階電路過渡過程中 電容C兩端的電壓變化過程 即 如圖6 7b所示 當開關(guān)S閉合時 有 二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析 整理后 可得線性常系數(shù)微分方程 其特征根為 微分方程通解為 二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析 式中c1 c2 積分常數(shù) 其值由初始條件決定 可解得 代入微分方程的通解可得短路器觸頭的恢復電壓為 二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析 二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析 一般變壓器繞組電阻 略去不計 得 從上式可以看出 由于特征根為負實根 故弧隙電壓恢復過程為非周期性的 如圖6 8曲線3所示 略去不計 故上式最大值不會超過U0 進一步化簡得 二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析 忽略高壓電網(wǎng)的R后 若電網(wǎng)參數(shù)滿足4r2C L 0 25時特征根為 則 可見 恢復電壓最大值不會超過U0 如圖6 5所示 二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析 對上式微分 可得電流過零時的恢復電壓上升速度 V s 為 由上式可知 觸頭并聯(lián)電阻r可以降低恢復電壓的上升速度 r越小 恢復電壓的上升速度越低 式中 衰減系數(shù) 電路固有震蕩頻率 二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析 利用歐拉公式化簡 得 從上式可以看出 1 2為共軛復根時 弧隙電壓恢復過程為衰減的周期性振蕩過程 如圖6 6曲線2所示 從圖中曲線2可以看出 周期性振蕩過程的恢復電壓上升速度較快 幅值較大 給電弧的熄滅帶來難 如果斷路器觸頭沒有裝設并聯(lián)電阻 r 時 忽略R 則 式中 震蕩頻率 二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析 a 周期性振蕩過程中的弧隙恢復電壓最大值可達2U0 如圖6 6曲線1所示 b 上升速度取固有振蕩頻率的半個周期內(nèi)的平均速度 由 得 二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析 圖6 6 二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析 不計R 從而得 在此種情況下 弧隙電壓恢復過程仍是非周期性的 但處在臨界情況 忽略R 臨界并聯(lián)電阻值為 a 當r rcr時 弧隙電壓恢復過程為非周期性 在斷路器觸頭間并聯(lián)低值電阻 幾歐至幾十歐 可以改變弧隙電壓恢復過程的上升速度和幅值 可以將弧隙恢復電壓由周期性振蕩特性恢復電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵芷谛曰謴碗妷?大大降低了恢復電壓的上升速度和幅值 改善了斷路器的滅弧條件 b 當r rcr時 弧隙電壓恢復過程為周期振蕩性過程 對電弧熄滅不利 臨界并聯(lián)電阻值 二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析 2 不同短路形式對斷路器開斷能力的影響 1 斷路器開斷單相短路電路當電流過零 工頻恢復電壓瞬時值為U0 Umsin 通常短路時 功率因數(shù)很低 一般cos 0 15 所以sin 1 此時U0 Umsin Um 即起始工頻恢復電壓 近似地等于電源電壓最大值 二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析 2 斷路器開斷中性點不直接接地系統(tǒng)中的三相短路電路 a 電路圖 b 相量圖圖6 7A相電弧熄滅后等值電路及相量圖 二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析 A相首先開斷 電流過零后電弧熄滅 此時 B C相仍由電弧短接 A相斷路器靠近短路側(cè)觸頭的電位 此時仍相當于B C兩相線電壓的中點電位 由圖6 7 b 可知 可知 A相開斷后 斷口上的工頻恢復電壓為相電壓的一倍半 6 24 二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析 經(jīng)過0 005s 電角度90 后 B C兩相的短路電流同時過零 電弧同時熄滅 電源電壓加在B C兩相弧隙上 每個斷口將承受一半電壓值 即 斷路器開斷三相電路時 其恢復電壓通常是首先開斷相為最大 所以 斷口電弧的熄滅 關(guān)鍵在于首先開斷相 5 32 二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析 經(jīng)分析 當系統(tǒng)零序阻抗與正序阻抗之比不大于3時 其首先開斷相的恢復電壓的工頻分量為相電壓的1 3倍 第二開斷相恢復電壓的工頻分量可為相電壓的1 25倍 最后開斷相就變?yōu)閱蜗嗲闆r 也就是相電壓 即 3 斷路器開斷中性點直接接地系統(tǒng)中的三相接地短路電路 二 斷路器開斷短路電流時的工作狀況分析 三 高壓斷路器選擇 一 高壓斷路器的作用和類型 1 高壓斷路器的作用 高壓斷路器內(nèi)有滅弧介質(zhì)和滅弧裝置 可以熄滅接通或開斷電路時產(chǎn)生的電弧 其作用是 1 在正常運行時接通或斷開有負荷電流的電路 2 在電氣設備出現(xiàn)故障時 能夠在繼電保護裝置的控制下自動切斷短路電流 2 高壓斷路器的分類 根據(jù)滅弧介質(zhì)的不同 高壓斷路器可以分為以下幾種類型 1 油斷路器以具有絕緣能力的礦物油作為滅弧介質(zhì)的斷路器 多油斷路器 斷路器中的油除作為滅弧介質(zhì)外 還作為觸頭斷開后的間隙絕緣介質(zhì)和帶電部分與接地外殼間的絕緣介質(zhì) 少油斷路器 油只作為滅弧介質(zhì)和觸頭斷開后的間隙絕緣介質(zhì) 而帶電部分對接地之間采用固體絕緣 例如瓷絕緣 2 六氟化硫 SF6 斷路器采用SF6氣體作為滅弧介質(zhì)和觸頭斷開后的間隙絕緣介質(zhì)的斷路器 SF6氣體是一種無色 無味 無毒 不燃的惰性氣體 具有優(yōu)良的滅弧性能和絕緣性能 3 真空斷路器以真空的高介質(zhì)強度實現(xiàn)滅弧和絕緣的斷路器 4 壓縮空氣斷路器采用壓縮空氣作為滅弧介質(zhì)和觸頭斷開后的間隙絕緣介質(zhì)的斷路器 三 高壓斷路器選擇 二 高壓斷路器的技術(shù)參數(shù) 高壓斷路器的技術(shù)性能常用以下技術(shù)參數(shù)來表征 三 高壓斷路器選擇 額定電壓是指高壓斷路器長期正常工作的線電壓有效值 該參數(shù)表征了斷路器長期正常工作的絕緣能力 額定電流是指高壓斷路器在規(guī)定條件下 可以長期通過的最大電流 該參數(shù)表征了斷路器承受長期工作電流產(chǎn)生的發(fā)熱量的能力 在額定電壓下 高壓斷路器能可靠開斷的最大短路電流有效值 該參數(shù)表征了斷路器的滅弧能力 3 額定開斷電流 2 額定電流 1 額定電壓 額定關(guān)合電流是指在規(guī)定條件下 斷路器能關(guān)合不致產(chǎn)生觸頭熔焊及其他妨礙繼續(xù)正常工作的最大電流峰值 4 額定關(guān)合電流 熱穩(wěn)定電流是指在斷路器在合閘位置t 單位為秒 時間所能承受的最大電流有效值 5 熱穩(wěn)定電流 該參數(shù)表征了斷路器耐受短路電流熱效應的能力 t稱為熱穩(wěn)定時間 動穩(wěn)定電流是指斷路器在合閘位置所能承受的最大電流峰值 該參數(shù)表征了斷路器承受短路電流電動力效應的能力 6 動穩(wěn)定電流 7 分閘時間 分閘時間 也稱全開斷時間 是指斷路器從接到分閘命令起到各相觸頭電弧完全熄滅為止的一段時間 它等于斷路器的固有分閘時間與燃弧時間之和 三 高壓斷路器選擇 8 合閘時間 合閘時間是指斷路器從接到合閘命令起到各相觸頭完全接觸為止的一段時間 三 高壓斷路器的選擇 1 種類和型式的選擇 種類 6 10kV電網(wǎng)一般選擇少油 真空和六氟化硫斷路器 35kV電網(wǎng)一般選擇少油 真空和六氟化硫斷路器 某些35kV屋外配電裝置也可用多油斷路器 110 330kV電網(wǎng)一般選擇少油和六氟化硫斷路器 500kV電網(wǎng)一般選擇六氟化硫斷路器 2 額定電壓選擇 UN UNs 安裝地點 屋內(nèi)和屋外 3 額定電流選擇 IN Imax 4 額定開斷電流選擇 斷路器的額定開斷電流INbr應不小于其觸頭剛剛分開時的短路電流有效值Ik 即INbr Ik 三 高壓斷路器選擇 開斷計算時間tbr 從發(fā)生短路到斷路器的觸頭剛剛分開所經(jīng)歷的時間 為保證斷路器能開斷最嚴重情況下的短路電流 開斷計算時間等于主保護動作時間tpr1與斷路器固有分閘時間tin之和 即 tbr tpr1 tin 1 對于非快速動作斷路器 其tbr 0 1s 可略去短路電流非周期分量的影響 簡化用短路電流周期分量0s有效值I 校驗斷路器的開斷能力 即 INbr I 2 對于快速動作斷路器 其tbr 0 1s 開斷短路電流中非周期分量可能超過周期分量的20 需要用tbr時刻的短路全電流有效值校驗斷路器的開斷能力 即 三 高壓斷路器選擇 Ipt為觸頭剛剛分開tbr時的短路電流周期分量有效值 在此可取Ipt I 為短路電流非周期分量衰減時間常數(shù) 其中 X R 分別為電源至短路點的等效電抗和等效電阻 5 額定關(guān)合電流選擇 如果在斷路器關(guān)合前已存在短路故障 則斷路器合閘時也會產(chǎn)生電弧 為了保證斷路器關(guān)合時不發(fā)生觸頭熔焊及合閘后能在繼電保護控制下自動分閘切除故障 斷路器額定關(guān)合電流iNcl不應小于短路電流最大沖擊值 即 iNcl ish 三 高壓斷路器選擇 6 熱穩(wěn)定校驗 7 動穩(wěn)定校驗 ies ish 三 高壓斷路器選擇 四 隔離開關(guān)的選擇 隔離開關(guān)沒有專門的滅弧裝置 不能用來接通或切斷負荷電流和短路電流 否則 將產(chǎn)生強烈的電弧 造成人身傷亡 設備損壞或引起相間短路故障 隔離開關(guān)的作用如下 1 隔離電源在檢修電氣設備時 為了安全