第三章 开关电器开断时弧隙上电压的变化过程

dm • 例：发电厂附近情况，Ide﹥﹥Idm ，K d = I Ide 小 Idm——熄弧所在半波预期短路电流周期分量的有效值 Ide——开始短路时预期短路电流周期分量的有效值
• 预期电流定义： 例：要求某开关开断5kA，如何确定电流？ 答：以电阻R≈0的导线将三相短接，调节入线端使得I=5kA， 当调节好后，断入开关，则认为开关即为开断 5kA ，此电 流即为预期电流，而非实际电流（因为实际开关接入后可 能存在电阻）
关键词：三相短路、首开极、弧隙、恢复电压
1、什么是瞬态恢复电压？ 交流电流过零后 弧隙上出项的电压叫做恢复电压 包含两部分一个是瞬态恢复电压，一个是周期恢复电压。
2、首开极弧隙上的恢复电压： 当开断三相短路电流时，以首开极弧隙上的工频恢复电压 为最高，因而其恢复电压的瞬时值也相应最高,而且弧隙 间承受恢复电压的条件也最为苛刻。本章所要研究的就是 首开极弧隙间的恢复电压。
正序、负序、零序
正序电压、负序电压、零序电压 不对称故障一定伴随着负序（电流），接地故障往往带有零 序（电流） 任何不对称的分量或者向量都可以分解成为3组大小相等旋 转方向不同的零序、正序和负序三组向量。
• 三、固有恢复电压 • 1、开断单频电路时弧隙上的固有恢复电压 • 单频：近发电机点发生短路 • 固有：理想弧隙 • ①、单频电路：一组RLC，二阶方程（对照图3.3、3.7） • 适用于近发电机点发生短路 • 多频电路：n组RLC，高阶方程，多数情况下适合 • ②、不同情况下Uhf的波形 • 令 ，当 R Rlj Rlj 0.5 L C •
Zl L1 l ，此时C0被充电到UAm 式中， 3、熄弧后： ①、电源侧：单频振荡电路
u A = Um - (Um - U Am )cos 2p f0t
振荡频率 f 0 =
1 2p L0C0
②、架空线侧uB：
f = 1 = v = 4t 4 4 1 L1C 1
③、uhf = uA - uB 波形参见图3.16、3.17 • 电弧熄灭抑或重燃条件：Uhf 与 Ujf • 长度 （故障点距离断路器出线端的距离）会同时影响： 第一峰值大小 、起始上升速度 4、标准规定，仅对额定电压 110kV及以上，额定开断电流 在12.5kA及以上的断路器进行开断近区故障的试验
难点： 开断近区故障和开断失步故障时弧隙上的恢复电压波形 分析
目 录
3 开关电器开断时弧隙上电压的变化过程
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3.1 开断三相短路时首开极弧隙上的恢复电压 3.2 开断近区故障时弧隙上的恢复电压 3.3 行波理论 3.4 开断失步故障时弧隙上恢复电压 3.5 讨论与课后思考
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3.1开断三相短路时首开极弧隙上的恢复电压
第三章 开关电器开断时弧隙上电压的变化过程
本章的知识点分布
1、开断三相短路时首开极上的恢复电压 2、线路系数 3、开断近区故障时恢复电压 4、入射波和反射波,行波理论 5、开断失步故障时弧隙上的恢复电压 6、开断异相接地故障时弧隙上的恢复电压
第三章的重点与难点
重点： 开断三相短路时首开极上的工频恢复电压 固有恢复电压波形和参数 行波理论
L1 L2 L3
短路点距离断路器出线端的长度不同对 （1）第一峰值电压峰值 （2）其实峰值上升速度 的影响 （L1 L2 L3）
3.3行波理论 • 本部分以补充材料的形式给出，请参考补 充材料，及课本29页图3.14
3.4 开断失步故障时的恢复电压
1、两发电机并列运行条件：①幅值②相位③相序 当同步装置检测到三者一致时，QD1才能合闸 若发电机失步运行时,必须解列，QD1开断失步故障 2、最严重的情况：电源反相180° ①失步电流 ,U ) Is = 2U Iek ，其中 Iek = max( U Z1 Z2 Z 1+ Z 2 ②工频恢复电压Ug0，接地系统Ug0=2U 不接地系统Ug0=3U
Ug0=1.414KxUφsinφ
关于线路系数的几点说明
Kz：线路系数 中性点不接地系统:kz=1.5、0.866、0.866 中性点接地系统： kz=1.3、1.25、1 分别对应这三相、两相和单相
电力系统的中性点接地方式： 主要分为两类：中性点接地和中性点不接地两类 而中性点不接地又可以具体分为不接地和经过消弧线圈接地 两种。 根据电压等级，处于3-35kv之间的高压电力系统，大都 是不接地的。而对于110kv及其以上的高压电力系统，为 了降低绝缘投资，都是采用中性点直接接地的。
交流电弧熄灭的条件
在交流电弧电流过零时，电弧自然熄灭。此时，弧隙 中同时存在着两个恢复过程：介质强度恢复过程和电源电 压恢复过程。
如果电源恢复电压高于介质恢复电压，介质就被击穿， 弧隙中的电弧就会重燃;相反，如果电源恢复电压低于介 质恢复电压，弧隙中的电弧就不会重燃。
弧隙介质恢复电压曲线
弧隙恢复电压
3、规定的试验参数：参见P33 临界电流：当故障电流很小时，开断也存在问题 断路器分为：
ì ï 自能 随着故障电流 ，灭弧能力 ，若电流过小时，可能无法灭弧，临界值 ï ï ï ì 故障电流过大，可能能量不足，无法开断 ï í ï ï 外能 í ï ï ï ï î 故障电流过小，可能在电流未过0时，强行过零，引起过电压 ï î
R Rlj
时,振荡(典型二阶响应) 时,单调上升
③、单频振荡的Uhf，二参数法参见图3.5 二参数:恢复电压峰值UC 、峰值时间t3 时延td:为了描述曲线起始上升部分的凹度(由于电源侧 局部电容影响产生)
2、多频电路 四参数法参见图3.11 四参数：第一波幅值U1、第一波幅时间t1、峰值Uc、峰 值时间t2 四、断路器应能开断的电路固有恢复电压 表3.1~3.4
通常φ≈90°，（电压等级越高，电路中的电抗比例 就越大，当完全是电感支路时，我们就可以认定电压超前 与电流90°） Kx为线路系数
Kq为发电机的横轴电抗系数 Kd为发电机的电枢反应系数 说明：对于远离发电厂的输配电系统中的开关电器，我们可 以近似认定Kq和Kd都等于1 那么在这种情况下，就可以将等式3-1化简为
工频电流过零后，弧隙上的恢复电压的幅值和上升梯度都是 和下面一个因素密切相关的。这就是 在工频电流过零时， 工频电压的瞬时值Ug0 而这里Ug0的计可以按照下面公式：
Ug0=Ugmsinφ=
2Kq Kd K xU sin
其中Ugm为工频恢复电压的幅值
Uφ为短路前工频电压相电压的有效值 φ为短路电流落后于开关电器安装地点电源电压的相位 角，
3.5 开断异相接地故障时弧隙上的恢复电压（自学）
1、异相接地故障：三相断路器异端短路 2、短路电流 ， I ek = U ， \ I dl = 0.87 I ek I dl = 3U
2Z
Z
3、工频恢复电压
Ug0 = 3U
4、要求的试验参数：开断电流为额定开断电流的 87%， 工频恢复电压为额定电压的90%
下面就针对这两种不同的中性点接Leabharlann Baidu情况，我们讨论一下三 相短路故障时，首开极工频恢复电压中线路系数的计算， 其等效电路如图3.1所示：
当电流iA过零时， iB与iC分别落后和超前iA 120°，其弧隙中的电 弧正在燃烧可以认为弧隙仍然处于闭合状态。于是此时由三相 短路变成两相短路。其相应三相的向量图如图3.1所示。 此时 A相弧隙左边的电位相当于电源电压的A点，而弧隙的右边 则为m点，m处于BC的中点，这时我们可以求出A相弧隙之间 的电压为1.5倍的Uφ，即其相应的线路系数为1.5。 此后 系统由三相短路简化为两相短路，电流iB与iC大小相等方向 相反。不妨设iB=- iC。而此时两个弧隙之间的电压为线电压UBC 为1.732倍的相电压。因此每一相上的线路系数为kX=0.866.
• 验证开关特性：将开关放于线路中试验
提供的额定开断电流 考察开关，除了要求能开断一定电流以外，还要求能承受 一定恢复电压,由 提供，根据表3.1及表3.2。
3.2开断近区故障时弧隙上的恢复电压
1、近区故障：指在距断路器出线端较短距离的架空线 上发生短路 2、熄弧前： U m wL1l
U Am = U Bm = 2 I dl Zl = w( L0 + L1l )