201098高压电器第二章短路故障的关合与开断

二. 短路电流id：参看图2-2（a）。
设电源电压e=Emsin（ωt＋a），a为电 源电压的初相角,忽略电源阻抗，可得图2-2 （b）所示的计算短路关合电流的等值线路 图。
人为接地短路线
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1.短路电流 id的表达式： 图中，L和R分别是包括变压器和输电线回路的电感和电阻。 如果关合发生在t=0时，通过解微分方程,则短路电流id的表达式 将为：
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这一高频振荡的频率要比工频的高很多。因此，为求出过渡 过程中的电容电压uc，先假设电源电压近似保持不变（如设法在 电源电压接近其幅值时将高压断路器关合，这时由于电源电压变 化最慢，可近似认为其值保持不变），这样，就可以把图2-7 （a）中的交流电源简化为直流电源，即得图2-7 的（b）图。
直流电源电压E0取t=0时交流电源电压的瞬时值，即：
2010-2011年第一学期 电气工程专业
高压电器
第二章 短路故障的关合与开断
电气信息学院 李 靖
2010. 09. 08
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第一节 综 述
一、关合和开断短路故障时，电弧的燃烧与熄灭：
1. 高压断路器关合和开短路故障时，都会出现电弧。关合
与开断的电流愈大，电弧愈强烈，工作条件也愈严重，尤以开断
为甚。
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由三要素法，可得断口上的恢复电压Uhf为： β为电路固有衰减系数。 ω0为电路固有振荡频率；
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3. 恢复电压的上升速度： 恢复电压的上升速度常用高频振荡第一个半周内电压平均上 升速度（duhf/dt）p表示。 ① 不考虑振荡衰减（假设无衰减）时，其值为：
式中，f0：固有振荡频率； Ugh：工频恢复电压。 ② 考虑衰减(恢复电压的最大值有所降低)时，其值可近似 地用下式表示：
本节从单相回路着手，阐明物理过程；再进而分析三相问题。
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第二节 电力系统短路故障的关合
一、电力系统的短路故障：
1.电力系统短路的定义： 是指电力系统中，因一相或多相导体 发生接地或互相短接，从而将负载 阻抗短接的故障。 2.电力系统短路的形式： 单相接地短路； 两相接地短路； 两相不接地短路；三相接地短路； 三相不接地短路；断路器异侧两相 接地短路等。 理想的短路情况：三相负载相等。
① 触头分离瞬间,短路电流周期分量的有效值
；
② 非周期分量的相对值
。
3. 在开断电流周期分量相等情况下，非周期分量的存在虽
然有可能提高触头分离瞬间的短路电流瞬时值，但它在某种程
度上却有利于电路的开断（为什么在开关试验条件中要规定开断电流的
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
2. 介质强度uj （指触头间能承受的电压
值）和恢复电压uhf （电 流过零后在断口两端出现
的外加电压）是影响电力
系统开断的两个重要因素
，分别用uj（t）和uhf
（t）表示，如图2-1所示。
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① 当恢复电压的上升速度比介质强度的增长快时， uj（t） 和uhf（t）两曲线将相交（图2-1，a），电弧会重燃，电流继续 以电弧的形式通过断口，电路不能开断。
一、恢复电压：
1. R-L-C电路
发电机
图2-5（a）为开断中性点直接接
地（110kV及以上）的发电电路母线
处发生单相接地故障的电路接线图，
（b）为其等值线路图。图中，L、R
分别为发电机的电感和电阻，C为发
电机的对地电容。
设触头分离瞬间，短路电流的
非周期分量已衰减完毕，即不考虑
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短路电流的非周期分量。
于氧化锌避雷器阀片进行冲击
电流试验，也可用于其它研究性
试验。
冲击电流发生器的特点:
1、体积小、结构紧凑、调波方便;
2、输出电流大(4/10ms波形达到120kA);
3、可采用下球气缸推动触发方式，同步性能好，
动作可靠;
4、每只主电容器套管上都串有一只大能量的无感电计算机测量控制一体化系统，自
▪ 3、图2-11是用有并联电阻的高压断路器开断发电机母线单相 接地故障时的电路图。 ▪ 高压断路器设有两个断口：主断口D1和辅助断口D2。电阻Rb并 联在主断口Dl上。 ▪ 当高压断路器开断电路时，主断口先打开,把并联电阻接入。 当主断口间的电弧熄灭后，再打开辅助断口D2，开断流经并联电 阻的电流，使电路完全开断。
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⑤ 考虑到短路时功率因数一般很低，许多情况cosφ＜0.15， sinφ≈1，由式可得E0=Em，即把工频恢复电压取为电源相电压 的幅值。
实际上，系统的最大工作电压取为额定电压的1.15倍，因此 可得用系统额定电压Ue（三相线电压）表示的瞬态恢复电压最大 值Ughm和恢复电压平均上升速度（duhf/dt）p的计算公式：
过程中，短路电流id是围绕非
周期分量电流振荡的。
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一般情况下，高压电网各元件的电抗比电阻大得多，因此如 忽略回路电阻对稳态短路电流的影响（即Φ=90°），则公式 （2-1）可简化为
当在电源电压过零点瞬间 (即a=0°)时关合，短路电流的非 周期分量（第二项）最大，它的初始值等于稳态短路电流的幅 值Idm。此时,式（2-2）可简化为
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第二节 电力系统短路 故障的关合
一、电力系统的短路故障：
3. 电力系统关合的类型； （1） 正常关合：关合前线路或电气 设备不存在绝缘故障的关合； （2） 短路故障的关合：指关合前， 线路或电气设备存在绝缘甚至短路故障状 态的关合。 因短路故障的关合问题最严重，因此 本章只讨论之。
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第二节 电力系统短路故障的关合
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2.回路的稳态短路电流iz ： ① 式（2-1），右边第一项
是回路稳态短路电流iz ，也称 短路电流的周期分量；
② 右边第二项是一个按指
数规律衰减的非周期暂态电流，
称为短路电流的非周期分量，
用if表示。 其衰减快慢由回路的时间
常数T决定。
③ 图2 - 3中画出了短路电
流的周期分量iz、非周期分量if 和由它们所合成的短路电流id 的波形。从图中可见，在暂态
其中，Km是恢复电压的振幅系数，取1.4~1.5。
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③ 图形表示： 恢复电压上升速度是从原点 至幅值点Ushm所作的直线，如图 2-8中直线1所示，tm为峰值时间。 ④ 恢复电压的上升速度也 可用恢复电压最大平均速度表 示，，即从原点作恢复电压曲线 的切线，如图2-8中直线2所示。 按此速度上升时恢复电压达最大 值的时间将提前到ts。ts又称峰 值参考时间。
证明：短路冲击系数Kch由回路的时间常数T决定。在感抗较 大的高压电网内，一般取T≈0.045s，此时，冲击系数Kch为：
对高压断路器关合能力的要求应根据短路冲击电流提出；同 时，短路冲击电流也决定了电力系统中电气设备所受的机械力。
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冲击电流发生器
主要用以检验电气设备耐受
冲击电流稳定的能力，广泛应用
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5. 电力系统中各种额定电流值大小的关系：
Idm=Icm；
Ith=Ib
式中，Idm：短路冲击电流（Ich）；
Icm：额定短路关合电流（ING）；
Ith：额定热稳定电流（It）；
Ib ：额定短路开断电流（INK）。
（清华） 18
概念
额定短路关合电流是指合闸时出现短路电流下开关绝限能力。 比如开关标明的额定短时关合电流(峰值)是 50kA；当外界线路 发生短路时而你把闸合上去，这时开关受合闸短路电流作用而 跳闸。如果这个瞬间短路电流没有超过50KA，触头灭弧有效 。如果超过瞬间50KA触头灭弧不保证，就会拉弧或造成热元 件失效等。
额定短路开断电流是指开关绝限断开电流的最大能力。比如开 关标明的额定短路开断电流为20KA，表示20KA内的短路跳闸 触头灭弧热元件动作等有效；超过这个绝限，跳闸触头的灭弧 热元件动作不保证，会产生拉弧。
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第三节 单相短路故障开断
电力系统中，开断短路故障的任务
最艰巨。
G
母线
本节介绍单相短路故障的开断。
几欧到几十欧的称为低值并联电阻；将几百到几千欧的并联电阻 称为中值并联电阻；将几万欧及以上的并联电阻称为高值并联电 阻，它通常是为断路器每根有多个断口时均压设计的。 2、在断路器断口两端并联几欧到几十欧的低值并联电阻可限 制短路电流，降低工频恢复电压和振幅系数，以及减慢恢复电压 上升速度着手。
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一、电力系统的短路故障：
模拟电力系统短路故障进行试验的现场。
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4. 电力系统出现短路故障关合的四种 前提：（1）存在“预伏故障”；（2）存在 “试探性自动重合闸”；（3）存在“人为 接地短路”（保护需要，视频/ u97/v_NDAyODMzMTg.html）；（4）存在“误 操作”。
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图2-4为与式（2-2）对应的波形图。
短路电流的示波图 12
第二节 电力系统短路故障的关合
3.短路电流最大值：也叫短路冲击电流，以Ich表示。 由于非周期分量的存在，短路电流的最大值一般在短路发生 后的半个周期----即t=π/ω=0.01s----时出现。 Ich可由下式求出：
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4. 高压电器短路冲击电流Ich的有关标准规定： 短路冲击电流Ich一般为短路电流周期分量幅值的1.8倍或短路 电流周期分量有效值的2.55倍。
式中，Km是恢复电压的振幅系数。
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二、开断电流 1. 定义：指触头分离瞬间流过断路器断口的电流。 根据继电保护整定值的快慢和断路器动作快慢的不同，触头的 分离可以出现在非周期分量尚未全部衰减完(图2-9中t1)，也可以 出现在非周期分量已全部衰减完后（图2-9中t2时刻） 。
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2. 表示方法：
忽略电弧压降uh，则通过断口的短路电流id和电源电压e间将有以下的关系：
短路电流id和电源电压e的波形 见图2-6。
t=t1：触头开始分离、形成电 弧。因忽略电弧压降，故断口两端