发电厂电气部分-断路器和隔离开关的原理
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3. 降低恢复电压上升速度和熄弧过电压的措施
② 断路器加装并联电容
问题：多断口断路器，断口 电压分配不均匀，影响断路 器的灭弧能力。
2 U1 U U 2CQ C0 3 CQ 1 U2 U U 2CQ C0 3
U
C C
CQ C0
U1
U2
U
CQ
CQ
C0
并联电容后： U1 U
二、开断短路电流时的工作状况分析
1. 弧隙电压恢复过程分析
~
R G T QF
k
ur
L QF
u r uC
k
i
G
i1
C
r
di U 0 iR L uC dt du u i i1 i2 C C C dt r
~
U0
uC
i2
微分方程的通解：
uC rU 0 c1e1t c2 e 2t Rr
第六章 导体和电气设备的 原理与选择
§6.1 电气设备选择的一般条件
§6.2 高压断路器和隔离开关的原理与选择
§6.3 互感器的原理与选择 §6.4-7 限流电抗器、高压熔断器、裸导体、 电缆、绝缘子和套管的选择
§6.2 高压断路器和隔离开关的 原理
引言
1. 开关电器的类型
① 负荷开关：只能断开或闭合正常情况下的工作电流。 如高压负荷开关、低压闸刀开关、接触器、磁力启动 器等。 ② 熔断器：只能断开故障情况下的过负荷电流或短路电 流。如高压熔断器、低压熔断器。
2
二、开断短路电流时的工作状况分析
1. 弧隙电压恢复过程分析
1R 1 1 1 ）当 时，1、 2为实根。 4 L rC LC
弧隙电压恢复过程是非周期性的。 恢复电压最大值不会超过U0。
G
2
~
G
T
QF
k
ur
R L QF
k
i
i1
C
r
~
U0
uC
i2
1R 1 1 2）当 时，1、 2为虚根。 4 L rC LC
2. 不同短路形式对断路器开断能力的影响
③ 开断中性点直接接地系统中的三相接地短路电路
三相接地短路：
当零序阻抗与正序阻抗之比不大于3时，
首先开断相恢复电压的工频分量为相电压的1.3倍； 第二开断相恢复电压的工频分量为相电压的1.25倍； 最后开断相恢复电压的工频分量为相电压。
三相直接短路：
② 开断中性点不直接接地系统中的三相短路电路
U A
~ ~ ~
A
I A
U AB IB
XL
U ab
a b QFA O' k
首先开断相：
O
U B
B
U C
C
U BC IC
XL
QFB
电弧电流先过零，电弧先 熄灭。 1U 1.5U U U U AB BC A ab AO 2
弧隙电压恢复过程是周期性振荡过程。 恢复电压最大值可达2U0。
2
临界并联电阻为
rcr 1 L 2 C
2 当r < rcr时，电压恢复 1R 1 1 3）当 时，1、 2为实数重根。 过程为非周期性； 4 L rC LC
弧隙电压恢复过程仍是非周期性的。 恢复电压最大值不会超过U0。
U AB
U ab
U A
O
XL
QFC
在A相熄弧后，经过0.005s( 90º )，B、 C两相电流同时过零，电弧同时熄灭。 每个断口电压为0.5UBC=0.866UB(UC)。
U C
1 U BC 2
U BC
U OO
U B
二、开断短路电流时的工作状况分析
2. 不同短路形式对断路器开断能力的影响
1R 1 2 L rC
2
微分方程：
线性常系数微分方程
1, 2
d 2uC L du R LC 2 RC C 1uC U 0 dt r dt r
1R 1 1 4 L rC LC
二、开断短路电流时的工作状况分析
2. 不同短路形式对断路器开断能力的影响
小结：
影响工频恢复电压的因素：
中性点接地方式 短路故障类型
三相开断顺序
首先开断相的工频恢复电压最大值：
U1m K1
2 U sm 0.816K1U sm 3
K1——首先开断相开断系数；
Usm——电网最高运行电压。
2. 交流电弧的熄灭
(0) 交流电弧的特性
电弧温度随时间变化
电弧电流数值随时间变动，电弧的功率也随电弧电流变动。 电弧功率增大时，电弧的温度增加；反过来，当电弧功率减 小时，电弧的温度降低。
电弧有热惯性
电弧的温度跟不上电流的变化，存在一个滞后过程。
交流电弧每半周自动熄灭一次
随着交流电流的周期性变化，电弧电流每隔半周过零一次。 在电弧电流自然过零前后，电源向弧隙输送的能量较少，电 弧温度和热游离下降，而去游离作用继续进行，电弧将自然 熄灭。
③ 断路器：既可断开或闭合正常工作电流，也可断开或 闭合过负荷电流或短路电流。如高压断路器、低压自 动空气断路器等。 ④ 隔离开关：不能断开或闭合电流，只能在检修时隔离 电压。
引言
2. 断路器的作用
在正常情况下，控制各种电力线路和设备的开断 和关合。
在电力系统发生故障时，自动地切除电力系统的 短路电流，以保证电力系统的正常运行。
2. 交流电弧的熄灭
(1) 交流电弧的熄灭条件
在交流电流过零时，电弧将自动熄灭，但不等于最终 熄灭。
在交流电弧自动熄灭后，弧隙中存在两个恢复过程：
弧隙介质强度恢复过程 弧隙电压恢复过程
2. 交流电弧的熄灭
(1) 交流电弧的熄灭条件
1) 弧隙介质强度恢复过程
ud
真空 SF6
含义：弧隙中介质强度恢复 到绝缘的正常状态的过程。 以能耐受的电压ud(t)表示。
各相工频恢复电压与中性点不直接接地系统中的三相短路 分析结果相同，即首先开断相恢复电压的工频分量为相电 压的1.5倍。
二、开断短路电流时的工作状况分析
2. 不同短路形式对断路器开断能力的影响
④ 开断两相短路电路
中性点直接接地系统：
工频恢复电压可达相电压的1.3倍。
其余情况：
工频恢复电压为相电压的0.866倍。
2) 采用特殊金属材料作灭弧触头
采用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属作触头材料。 如采用铜、钨合金和银、钨合金等。
吹弧利于冷却而使复合加强、带电离子的扩散。 电弧被拉长，触头分离速度加快，断口电压降低。
3) 利用气体或油吹动电弧
4) 采用多断口熄弧
5) 提高触头分离速度
迅速拉长电弧，可使弧隙的电场强度骤降；使电弧的表面突然 增大，有利于电弧的冷却和带电粒子的扩散。
1
7
8
百度文库
特殊环境代号
额定电流，A 派生代号：C—手车式；G—改进式等。 额定电压，kV 设计序号 使用环境：N—户内式；W—户外式。 产品名称：D—多油断路器；S—少油断路器； K—空气断路器；L— SF6 断路器； Z—真空断路器；Q—产气断路器； 例如：SN10-10/3000-750型 C—磁吹断路器等。
+ + + +
-
-
+ + -
0
t
油 空气 SF6 真空
(+)
2. 交流电弧的熄灭
(1) 交流电弧的熄灭条件
2) 弧隙电压恢复过程
ur
utr
usr
含义：弧隙电压由熄弧电压 逐渐恢复到电源电压的过程。 以ur(t)表示。
影响因素：线路参数、负荷 性质等。
0
对不同的线路参数，弧隙电压 恢复过程可能是周期性的变化 过程或非周期性的变化过程。
二、开断短路电流时的工作状况分析
1. 弧隙电压恢复过程分析
1R 1 1 1 ）当 时，1、 2为实根。 4 L rC LC
弧隙电压恢复过程是非周期性的。 恢复电压最大值不会超过U0。
2 2
~
G
T
QF
k
ur
R L QF
k
i
G
i1
C
r
~
U0
uC
i2
1R 1 1 2）当 时，1、 2为虚根。 微分方程的通解： 4 L rC LC 弧隙电压恢复过程是周期性振荡过程。 rU 0 uC c1e1t c2 e 2t 恢复电压最大值可达2U0。 Rr
影响因素：主要是断路器灭 弧装置的结构和灭弧介质的 性质。
0
油
空气
真空断路器和 SF6 断路器灭弧性 能较好。
t
真空 空气 SF6 油
2. 交流电弧的熄灭
(1) 交流电弧的熄灭条件
1) 弧隙介质强度恢复过程
ud
近阴极效应
(+)
+ + -
+ +
+ + -
+ +
+ + -
(-)
(-)
+ + + +
t
utr usr
瞬态恢复电压 工频恢复电压
2. 交流电弧的熄灭
(1) 交流电弧的熄灭条件
综上所述，在电弧自然熄灭后，弧隙中同时存在着两 个恢复过程，即弧隙电压恢复过程 ur(t) 和介质强度恢 复过程 ud(t) 。 ur
如果弧隙电压高于介质强度耐受 电压，则弧隙就被击穿，电弧重 燃。 如果弧隙电压低于介质强度耐受 电压，则电弧不再重燃，即最终 熄灭。
1R 1 1R 1 1 1, 2 3）当 时，1、 2为实数重根。 2 L rC 4 L rC LC
2
弧隙电压恢复过程仍是非周期性的。 恢复电压最大值不会超过U0。
1R 1 1 4 L rC LC
二、开断短路电流时的工作状况分析
3. 降低恢复电压上升速度和熄弧过电压的措施
① 断路器加装并联电阻
作用：
① 改变恢复电压的恢复特性； ② 使电弧电流被分流。
Q1
Q2
r
Q1 Q2
问题：
主触头 辅助触头
电弧熄灭后还有短路电流流通。
措施：
增加辅助触头。
Q1 Q2
r
二、开断短路电流时的工作状况分析
XL
结论：
QFC
在A相熄弧后，经过0.005s( 90º )，B、 C两相电流同时过零，电弧同时熄灭。 每个断口电压为0.5UBC=0.866UB(UC)。
首先开断相的恢复电压最 大，为1.5倍的相电压；
后续开断相的燃弧时间比 首先开断相延长0.005s 。
二、开断短路电流时的工作状况分析
一、电弧的形成与熄灭
用开关电器切断通有电流的电路时，只要电源 电压大于10~20V，电流大于80~100mA，在开 关电器的动、静触头分离瞬间，触头间就会出 现电弧。
此时，触头虽已分开，但电路中的电流还在继 续流通。只有电弧熄灭，电路才被真正断开。
1. 电弧的产生、维持与熄灭
① 电弧的产生
当r > rcr时，电压恢复 过程为周期性。
二、开断短路电流时的工作状况分析
2. 不同短路形式对断路器开断能力的影响
① 开断单相短路电路 当电流过零时，工频恢复电压的瞬时值U0 = Umsin。 通常短路时，角接近90º ，所以 U0 = Umsin = Um。
二、开断短路电流时的工作状况分析
utr usr
可见，断路器开断交流电路时， 电弧熄灭的条件应为
ud(t ) ur (t )
0
t
2. 交流电弧的熄灭
(2) 高压断路器熄灭交流电弧的基本方法
1) 利用灭弧介质
不同灭弧介质具有不同的传热能力、介电能力、热游离温度和 热容量。 这些参数数值越大，去游离作用就越强，电弧就越容易熄灭。
1 U 2(CQ C ) C0 2(CQ C ) 2 (CQ C ) (CQ C ) 1 U2 U U U 2(CQ C ) C0 2(CQ C ) 2
U
(CQ C ) C0
(CQ C )
三、高压断路器的型号和技术参数
1．种类
按灭弧介质和灭弧方式分
油断路器：包括多油断路器和少油断路器 (压缩)空气断路器 SF6断路器 真空断路器
按安装地点分
户内式
户外式
220kV少油断路器
500kVSF6断路器
220kVSF6断路器
三、高压断路器的型号和技术参数
2．型号 由字母和数字两部分组成的：
额定开断能力，kA或MVA 2 3 4 5 6
阴极发射电子
热电子发射 强电场电子发射 d
(+) 静触头
碰撞游离
② 电弧的维持
热游离 去游离 复合去游离 扩散去游离
U U d E 3 106 V / m E
(-) 动触头
③ 电弧的熄灭
若游离过程大于去游离过程，则电弧继续燃烧； 若去游离过程大于游离过程，则电弧逐渐熄灭。
2. 不同短路形式对断路器开断能力的影响
② 开断中性点不直接接地系统中的三相短路电路
U A
~ ~ ~
A
I A
U AB IB
XL
U ab
a b QFA O' k
首先开断相：
O
U B
B
U C
C
U BC IC
XL
QFB
电弧电流先过零，电弧先 熄灭。 1U 1.5U U U U AB BC A ab AO 2
② 断路器加装并联电容
问题：多断口断路器，断口 电压分配不均匀，影响断路 器的灭弧能力。
2 U1 U U 2CQ C0 3 CQ 1 U2 U U 2CQ C0 3
U
C C
CQ C0
U1
U2
U
CQ
CQ
C0
并联电容后： U1 U
二、开断短路电流时的工作状况分析
1. 弧隙电压恢复过程分析
~
R G T QF
k
ur
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u r uC
k
i
G
i1
C
r
di U 0 iR L uC dt du u i i1 i2 C C C dt r
~
U0
uC
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微分方程的通解：
uC rU 0 c1e1t c2 e 2t Rr
第六章 导体和电气设备的 原理与选择
§6.1 电气设备选择的一般条件
§6.2 高压断路器和隔离开关的原理与选择
§6.3 互感器的原理与选择 §6.4-7 限流电抗器、高压熔断器、裸导体、 电缆、绝缘子和套管的选择
§6.2 高压断路器和隔离开关的 原理
引言
1. 开关电器的类型
① 负荷开关：只能断开或闭合正常情况下的工作电流。 如高压负荷开关、低压闸刀开关、接触器、磁力启动 器等。 ② 熔断器：只能断开故障情况下的过负荷电流或短路电 流。如高压熔断器、低压熔断器。
2
二、开断短路电流时的工作状况分析
1. 弧隙电压恢复过程分析
1R 1 1 1 ）当 时，1、 2为实根。 4 L rC LC
弧隙电压恢复过程是非周期性的。 恢复电压最大值不会超过U0。
G
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G
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k
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R L QF
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C
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1R 1 1 2）当 时，1、 2为虚根。 4 L rC LC
2. 不同短路形式对断路器开断能力的影响
③ 开断中性点直接接地系统中的三相接地短路电路
三相接地短路：
当零序阻抗与正序阻抗之比不大于3时，
首先开断相恢复电压的工频分量为相电压的1.3倍； 第二开断相恢复电压的工频分量为相电压的1.25倍； 最后开断相恢复电压的工频分量为相电压。
三相直接短路：
② 开断中性点不直接接地系统中的三相短路电路
U A
~ ~ ~
A
I A
U AB IB
XL
U ab
a b QFA O' k
首先开断相：
O
U B
B
U C
C
U BC IC
XL
QFB
电弧电流先过零，电弧先 熄灭。 1U 1.5U U U U AB BC A ab AO 2
弧隙电压恢复过程是周期性振荡过程。 恢复电压最大值可达2U0。
2
临界并联电阻为
rcr 1 L 2 C
2 当r < rcr时，电压恢复 1R 1 1 3）当 时，1、 2为实数重根。 过程为非周期性； 4 L rC LC
弧隙电压恢复过程仍是非周期性的。 恢复电压最大值不会超过U0。
U AB
U ab
U A
O
XL
QFC
在A相熄弧后，经过0.005s( 90º )，B、 C两相电流同时过零，电弧同时熄灭。 每个断口电压为0.5UBC=0.866UB(UC)。
U C
1 U BC 2
U BC
U OO
U B
二、开断短路电流时的工作状况分析
2. 不同短路形式对断路器开断能力的影响
1R 1 2 L rC
2
微分方程：
线性常系数微分方程
1, 2
d 2uC L du R LC 2 RC C 1uC U 0 dt r dt r
1R 1 1 4 L rC LC
二、开断短路电流时的工作状况分析
2. 不同短路形式对断路器开断能力的影响
小结：
影响工频恢复电压的因素：
中性点接地方式 短路故障类型
三相开断顺序
首先开断相的工频恢复电压最大值：
U1m K1
2 U sm 0.816K1U sm 3
K1——首先开断相开断系数；
Usm——电网最高运行电压。
2. 交流电弧的熄灭
(0) 交流电弧的特性
电弧温度随时间变化
电弧电流数值随时间变动，电弧的功率也随电弧电流变动。 电弧功率增大时，电弧的温度增加；反过来，当电弧功率减 小时，电弧的温度降低。
电弧有热惯性
电弧的温度跟不上电流的变化，存在一个滞后过程。
交流电弧每半周自动熄灭一次
随着交流电流的周期性变化，电弧电流每隔半周过零一次。 在电弧电流自然过零前后，电源向弧隙输送的能量较少，电 弧温度和热游离下降，而去游离作用继续进行，电弧将自然 熄灭。
③ 断路器：既可断开或闭合正常工作电流，也可断开或 闭合过负荷电流或短路电流。如高压断路器、低压自 动空气断路器等。 ④ 隔离开关：不能断开或闭合电流，只能在检修时隔离 电压。
引言
2. 断路器的作用
在正常情况下，控制各种电力线路和设备的开断 和关合。
在电力系统发生故障时，自动地切除电力系统的 短路电流，以保证电力系统的正常运行。
2. 交流电弧的熄灭
(1) 交流电弧的熄灭条件
在交流电流过零时，电弧将自动熄灭，但不等于最终 熄灭。
在交流电弧自动熄灭后，弧隙中存在两个恢复过程：
弧隙介质强度恢复过程 弧隙电压恢复过程
2. 交流电弧的熄灭
(1) 交流电弧的熄灭条件
1) 弧隙介质强度恢复过程
ud
真空 SF6
含义：弧隙中介质强度恢复 到绝缘的正常状态的过程。 以能耐受的电压ud(t)表示。
各相工频恢复电压与中性点不直接接地系统中的三相短路 分析结果相同，即首先开断相恢复电压的工频分量为相电 压的1.5倍。
二、开断短路电流时的工作状况分析
2. 不同短路形式对断路器开断能力的影响
④ 开断两相短路电路
中性点直接接地系统：
工频恢复电压可达相电压的1.3倍。
其余情况：
工频恢复电压为相电压的0.866倍。
2) 采用特殊金属材料作灭弧触头
采用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属作触头材料。 如采用铜、钨合金和银、钨合金等。
吹弧利于冷却而使复合加强、带电离子的扩散。 电弧被拉长，触头分离速度加快，断口电压降低。
3) 利用气体或油吹动电弧
4) 采用多断口熄弧
5) 提高触头分离速度
迅速拉长电弧，可使弧隙的电场强度骤降；使电弧的表面突然 增大，有利于电弧的冷却和带电粒子的扩散。
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百度文库
特殊环境代号
额定电流，A 派生代号：C—手车式；G—改进式等。 额定电压，kV 设计序号 使用环境：N—户内式；W—户外式。 产品名称：D—多油断路器；S—少油断路器； K—空气断路器；L— SF6 断路器； Z—真空断路器；Q—产气断路器； 例如：SN10-10/3000-750型 C—磁吹断路器等。
+ + + +
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0
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油 空气 SF6 真空
(+)
2. 交流电弧的熄灭
(1) 交流电弧的熄灭条件
2) 弧隙电压恢复过程
ur
utr
usr
含义：弧隙电压由熄弧电压 逐渐恢复到电源电压的过程。 以ur(t)表示。
影响因素：线路参数、负荷 性质等。
0
对不同的线路参数，弧隙电压 恢复过程可能是周期性的变化 过程或非周期性的变化过程。
二、开断短路电流时的工作状况分析
1. 弧隙电压恢复过程分析
1R 1 1 1 ）当 时，1、 2为实根。 4 L rC LC
弧隙电压恢复过程是非周期性的。 恢复电压最大值不会超过U0。
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1R 1 1 2）当 时，1、 2为虚根。 微分方程的通解： 4 L rC LC 弧隙电压恢复过程是周期性振荡过程。 rU 0 uC c1e1t c2 e 2t 恢复电压最大值可达2U0。 Rr
影响因素：主要是断路器灭 弧装置的结构和灭弧介质的 性质。
0
油
空气
真空断路器和 SF6 断路器灭弧性 能较好。
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真空 空气 SF6 油
2. 交流电弧的熄灭
(1) 交流电弧的熄灭条件
1) 弧隙介质强度恢复过程
ud
近阴极效应
(+)
+ + -
+ +
+ + -
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(-)
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utr usr
瞬态恢复电压 工频恢复电压
2. 交流电弧的熄灭
(1) 交流电弧的熄灭条件
综上所述，在电弧自然熄灭后，弧隙中同时存在着两 个恢复过程，即弧隙电压恢复过程 ur(t) 和介质强度恢 复过程 ud(t) 。 ur
如果弧隙电压高于介质强度耐受 电压，则弧隙就被击穿，电弧重 燃。 如果弧隙电压低于介质强度耐受 电压，则电弧不再重燃，即最终 熄灭。
1R 1 1R 1 1 1, 2 3）当 时，1、 2为实数重根。 2 L rC 4 L rC LC
2
弧隙电压恢复过程仍是非周期性的。 恢复电压最大值不会超过U0。
1R 1 1 4 L rC LC
二、开断短路电流时的工作状况分析
3. 降低恢复电压上升速度和熄弧过电压的措施
① 断路器加装并联电阻
作用：
① 改变恢复电压的恢复特性； ② 使电弧电流被分流。
Q1
Q2
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Q1 Q2
问题：
主触头 辅助触头
电弧熄灭后还有短路电流流通。
措施：
增加辅助触头。
Q1 Q2
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二、开断短路电流时的工作状况分析
XL
结论：
QFC
在A相熄弧后，经过0.005s( 90º )，B、 C两相电流同时过零，电弧同时熄灭。 每个断口电压为0.5UBC=0.866UB(UC)。
首先开断相的恢复电压最 大，为1.5倍的相电压；
后续开断相的燃弧时间比 首先开断相延长0.005s 。
二、开断短路电流时的工作状况分析
一、电弧的形成与熄灭
用开关电器切断通有电流的电路时，只要电源 电压大于10~20V，电流大于80~100mA，在开 关电器的动、静触头分离瞬间，触头间就会出 现电弧。
此时，触头虽已分开，但电路中的电流还在继 续流通。只有电弧熄灭，电路才被真正断开。
1. 电弧的产生、维持与熄灭
① 电弧的产生
当r > rcr时，电压恢复 过程为周期性。
二、开断短路电流时的工作状况分析
2. 不同短路形式对断路器开断能力的影响
① 开断单相短路电路 当电流过零时，工频恢复电压的瞬时值U0 = Umsin。 通常短路时，角接近90º ，所以 U0 = Umsin = Um。
二、开断短路电流时的工作状况分析
utr usr
可见，断路器开断交流电路时， 电弧熄灭的条件应为
ud(t ) ur (t )
0
t
2. 交流电弧的熄灭
(2) 高压断路器熄灭交流电弧的基本方法
1) 利用灭弧介质
不同灭弧介质具有不同的传热能力、介电能力、热游离温度和 热容量。 这些参数数值越大，去游离作用就越强，电弧就越容易熄灭。
1 U 2(CQ C ) C0 2(CQ C ) 2 (CQ C ) (CQ C ) 1 U2 U U U 2(CQ C ) C0 2(CQ C ) 2
U
(CQ C ) C0
(CQ C )
三、高压断路器的型号和技术参数
1．种类
按灭弧介质和灭弧方式分
油断路器：包括多油断路器和少油断路器 (压缩)空气断路器 SF6断路器 真空断路器
按安装地点分
户内式
户外式
220kV少油断路器
500kVSF6断路器
220kVSF6断路器
三、高压断路器的型号和技术参数
2．型号 由字母和数字两部分组成的：
额定开断能力，kA或MVA 2 3 4 5 6
阴极发射电子
热电子发射 强电场电子发射 d
(+) 静触头
碰撞游离
② 电弧的维持
热游离 去游离 复合去游离 扩散去游离
U U d E 3 106 V / m E
(-) 动触头
③ 电弧的熄灭
若游离过程大于去游离过程，则电弧继续燃烧； 若去游离过程大于游离过程，则电弧逐渐熄灭。
2. 不同短路形式对断路器开断能力的影响
② 开断中性点不直接接地系统中的三相短路电路
U A
~ ~ ~
A
I A
U AB IB
XL
U ab
a b QFA O' k
首先开断相：
O
U B
B
U C
C
U BC IC
XL
QFB
电弧电流先过零，电弧先 熄灭。 1U 1.5U U U U AB BC A ab AO 2