开关电器关合和开断小电流时弧隙上的电压变化过程实用教案

1、uL LT TTCT TB BQ QD D开断空载开断空载(kn zi)变压器的等效电路图变压器的等效电路图（1 1）截流(ji li)(ji li)过电压第2页/共31页第1页/共31页第一页，共32页。截流截流(ji li)波形波形第3页/共31页第2页/共31页第二页，共32页。如果发生截流现象，此时截流电流为 i0，而变压器两端的电压为0U，则变压器所贮存的能量为： 20200002121UCiLAAATTCL 由于断路器截流后电弧熄灭，就将空载变压器与电源隔开。而空载变压器内部就将发生一个电磁能量转换过程，直到将能量在内部损耗中全部损失掉。如不考虑损耗，则磁场中贮存的能量将全部转化为

2、电场能量而使对地电容的电压升高，电容TC上可能得到的电压最大值为： 0221AUCTMT 第4页/共31页第3页/共31页第三页，共32页。2020UCLiUTTTM 如果不计0U，则 TTTMCLiU0 TMU与截断电流 0i 的大小有关。 如果截流 0i 发生在小电感电流的峰值处，则此时TMU为最大； TMU又与TTCL /有关，这是空载空压器的特征阻抗。通常 TL 较大而TC较小，因此特征阻抗值较大，可达几万欧以上，从而在变压器上出现较高的过电压。 第5页/共31页第4页/共31页第四页，共32页。第6页/共31页第5页/共31页第五页，共32页。影响截流影响截流(ji li)过电压的因

3、素过电压的因素 断路器开断的电流愈大，截断电流愈大 近代高压变压器的铁心由高质量的硅钢片制成，空载电流很小。 电抗器的情况却不同，电抗器容量大，额定电流也大，容易出现较大的截流和较高的过电压，需要(xyo)注意。 截流过电压与截流时变压器或电抗器内部的能量损耗有关，损耗愈大，过电压愈低。 断路器在开断小电流时的灭弧性能 并联电容 特征阻抗。特征阻抗越大时截流过电压越高第7页/共31页第6页/共31页第六页，共32页。开断高压开断高压(goy)感应电动机感应电动机 冶金、石化企业、煤矿以及发电厂中大量采用高压感应电动机，开断高压感应电动机也可能出现过电压。与开断空载(kn zi)变压器相比，开断

4、电动机有下列特点：感应电动机的额定电压低(一般在6kV以下)，电流大(几十安至几百安)，绝缘水平低。电动机有多种工作方式，在各种工作方式下。断路器的开断情况差别很大。譬如开断时，电动机可能是空载(kn zi)运行或是带有一定负载；转速可能在正常转速，也可能处于转子几乎不动的情况。第7页/共31页第七页，共32页。电动机正常(zhngchng)转速下的开断过程 若断路器开断时出现电流截断，也将产生过电压。预期过电压最大值与截流值及特征阻抗(zkng)。 如果断路器电动机在空载下运行，电流小，截流值更小，加上电动机的漏感小，特征阻抗(zkng)不大，因此过电压一般不高。 电动机带负荷运行时，电流大

5、、截流值稍大、过电压稍高。第8页/共31页第八页，共32页。在转子(zhun z)几乎不动的情况下电动机的开断 开断转子几乎不动的电动机虽然不属于(shy)正常的运行情况，但在运行中仍会出现。例如在启动过程中，由于继电保护的整定值太低，就会出现启动后立即开断的情况。转子几乎不动时断路器开断的电流就是电动机的启动电流，它比电机的额定电流大很多倍，因此截断电流也大，过电压也高，容易使电动机线圈的绝缘损坏。第9页/共31页第九页，共32页。电动机功率电动机功率(gngl)对过电压的影响对过电压的影响 开断功率较小的电动机，由于开断电流小，截断电流也小，因此过电压低。开断几千千瓦的大功率电功机，由于电

6、动机绕组的匝数小、导体截面大因而漏感小，电容(dinrng)大，特征阻抗较小，即使截断电流达20A30A，过电压仍然很低，不会危及电动机线圈的绝缘。而开断中小功率的电动机(如 6千伏，几百千瓦)，过电压较高。如果过电压太高，则可在电动机每相进线侧与地之间接上电容(dinrng)及电阻。第10页/共31页第十页，共32页。开关多次重燃对过电压的限制(xinzh)作用第11页/共31页第十一页，共32页。开关多次重燃对过电压的限制开关多次重燃对过电压的限制(xinzh)作用作用 变压器端出现的过电压也同时加在断路器上，因为此时发生在断路器上的恢复电压即为电源电压与变压器上电压之差。如果(rgu)发

7、生截流时，断路器触头间隙距离尚不大，间隙的介质恢复强度还比较低，当恢复电压超过断口间隙的介质强度时，间隙将被击穿，对电源侧发生高频放电，在断口中流过较大幅值的高频放电电流，间隙两端的电压又下降，变压器端的电压也被限制；高频放电中止而熄弧后，如果(rgu)变压器上的贮存能量没有放完，它又将转化为电压，电压又要升高。但由于高频放电时一部分能量已释放，因此可能产生最大电压将减低。如果(rgu)断路器的介质强度还不高，则可以发生多次高频放电，直到介质强度超过恢复电压。电路被开断，由于多次断口击穿放电的结果，变压器上的电压将被限制在某一数值内。第12页/共31页第十二页，共32页。（2 2）多次重燃过电

8、压）多次重燃过电压 开关电器在开断小电感性电流时，有时虽然不产生截流，在某些条件(tiojin)下也可能由于弧隙在恢复电压作用下发生多次击穿而导致被开断的设备上电压逐级升高，形成危险的过电压，由此产生的过电压叫做多次重燃过电压。 因真空开关具有很强的高频熄弧能力，故此种多次重燃过电压多见于真空断路器切电动机、炼钢电弧炉及变压器等感性负载。第13页/共31页第十三页，共32页。uL LT TTCT TB BQ QD DsCL Ls sL L0 0分析多次重燃过电压产生(chnshng)机理的等效电路图第14页/共31页第十四页，共32页。第15页/共31页第十五页，共32页。（3 3）三相(sn

9、 xin)(sn xin)同时开断过电压 真空(zhnkng)断路器在开断三相电动机或变压器时还会出现三相电流同时过零的现象，由此引起的过电压称为三相同时开断过电压。第16页/共31页第十六页，共32页。出现三相同时开断的条件: :（1 1）断路器中某一相的电弧先熄灭，接着(ji zhe)(ji zhe)电弧重燃，在触头间隙有高频电流通过。（2 2）与断路器开断电流以及重燃时高频电流的大小有关。第17页/共31页第十七页，共32页。2.2.开断电容开断电容(dinrng)(dinrng)性电流时的性电流时的过电压过电压 开断电容电流，在线路中主要是在开断空载架空线、空载电缆和电容器组时发生。此

10、时开断电流是容性的。而切合空载输电线路和电容器组是电力系统中的一种常规(chnggu)操作方式。 uL LCQ QD D第18页/共31页第十八页，共32页。断路器未开断时，断路器中流过电容电流，它超前电源电压 90。当电弧在电流过零时熄灭，电路被开断。而此时负载电容上的电压正好是最大值。如果电源电压tUuMcos，则MCMUU。若因电容 C 上的电荷无处泄放而维持此值，则断路器断口上的恢复电压： Chfuuu 即 MMhfUtUucos 显然，如此时断路器顺利开断，即不发生断口弧隙的重燃情况，那么断路器上的恢复电压最大值只是MU2。电容上的电压只是MU。 第19页/共31页第十九页，共32页

11、。但是，如果断路器熄弧后又发生弧隙的击穿，情况就不同了，考虑最严重的情况， 即在电容电流过零后， 经过 0.01s 的时间， 此时电源电压的瞬时值为MU。电容器上的电压MCUU， 断口上的恢复电压值为MhfUU2。 若弧隙因介质强度不够而发生击穿，这就相当于电压为MU的直流电源经电感 L 突然加在充电电压为MU的电容上，电路中将出现高频振荡电流。而电容上的电压则产生振幅为MU2和以电源电位（MU）为轴线的高频振荡，电容上的电压最大值为MU3。经过高频振荡的半周期时间高频电流过零，电容上的电压CU恰为最大值，即MCMUU3，此时电弧熄灭，Cu将保持为MU3而不再变化。 第20页/共31页第二十页

12、，共32页。如果继续在最不利的条件时重复击穿，则电容器上的电压如果继续在最不利的条件时重复击穿，则电容器上的电压(diny)(diny)将按将按5 5、77的倍数逐次增高，从而产生很大的过电的倍数逐次增高，从而产生很大的过电压压(diny)(diny)。但实际上弧隙击穿不一定发生在电源电压。但实际上弧隙击穿不一定发生在电源电压(diny)(diny)为幅值且与电容上的电压为幅值且与电容上的电压(diny)(diny)反向时，以及线路与击穿时的反向时，以及线路与击穿时的损耗等会限制过电压损耗等会限制过电压(diny)(diny)的发展，因此过电压的发展，因此过电压(diny)(diny)值不值不

13、会太高。会太高。 第21页/共31页第二十一页，共32页。高频电弧(dinh)熄灭过程对过电压的影响 电容电流开断过程中如果发生重击穿触头中将流过频率很高、幅值很大的电流，这个电流能比电容器组关合时的涌流还大，如果每次发生重击穿后，高频电流总是在它第一次过零时灭弧，而且每次重击穿又都出现在恢复电压达到最大值时，这样的过程多次重复，理论上的过电压将按三、五、七倍增长。如果电弧是在高频电流第二次过零时熄灭，则电容电压将振荡到电源电压的相反力向，加上电弧电阻的衰减(shui jin)作用，使得电容上的电压小很多、以后即使再出现重击穿，过电压也不合象原先那样五倍、七倍地增长。第22页/共31页第二十二

14、页，共32页。复燃和重击穿复燃和重击穿(j chun)(j chun) 在高压(goy)开关设备中有两个专用的名称，用来描写不同时间内发生弧隙击穿的现象，它们是复燃和重击穿。 复燃是指开关在开断过程中，电弧电流过零后，在14工频周期内，触头间重新出现电流的现象。 重击穿是指开关在开断过程中，电弧电流过零后，在大于14工频周期或更长时间内，触头间重新出现电流的现象。 在开断电容电流时，复燃并不产生过电压；只有重击穿时才会产生过电压。 第23页/共31页第二十三页，共32页。 开断空载输电线路或电容(dinrng)器组时所以会产生过电压，一方面是由于电弧电流过零后电容(dinrng)上存在残余电压

15、，另一方面是因为断路器弧隙介质恢复强度弱而发生重击穿所致。显然对断路器来说，开断电容(dinrng)电流与开断小电感电流时的要求正好相反，断路器灭弧能力强、弧隙介质强度恢复得快的，对开断空载输电线路和电容(dinrng)器组有利，不易产生过电压。而灭弧能力弱、介质强度恢复得慢的，对开断电容(dinrng)电流不利，容易产生过电压。第24页/共31页第二十四页，共32页。表征表征(bio zhn)断路器开合电容器组性断路器开合电容器组性能的技术参数能的技术参数 额定单组电容器组开断电流额定单组电容器组开断电流 是指断路器在额定电压是指断路器在额定电压和其它规定和其它规定(gudng)(gudng

16、)的使用条件下，应能开断的最的使用条件下，应能开断的最大电容电流，而开断中的过电压不会超过制造厂规定大电容电流，而开断中的过电压不会超过制造厂规定(gudng)(gudng)的数值，如的数值，如2.52.5倍。倍。 额定背对背电容器组开断电流额定背对背电容器组开断电流 是指断路器在其额定是指断路器在其额定电压和其它规定电压和其它规定(gudng)(gudng)的使用条件下。应能开断的使用条件下。应能开断的最大电容电流，而开断中的过电压不会超过制造厂的最大电容电流，而开断中的过电压不会超过制造厂规定规定(gudng)(gudng)的数值，如的数值，如2.52.5倍。倍。 额定电容器组关合涌流额定

17、电容器组关合涌流 是指断路器在其额定电压和是指断路器在其额定电压和相应于使用条件的涌流频率下能关合的电流峰值。相应于使用条件的涌流频率下能关合的电流峰值。第25页/共31页第二十五页，共32页。3.3.关合关合(un h)(un h)空载输电线时的过电空载输电线时的过电压压 电力系统运行时主要在以下两种情况时需要关合空载输电线路 正常(zhngchng)操作的需要，如输电线路检修后投人运行； 线路短路故障切除后的自动重合。 空载输电线路是一个对地分布电容，可看成是一个电容性负载。空载长线可用一个链形网络来等效。在通常情况下，即空线上没有残余电荷和初始电压（如接有电磁式电压互感器，可释放电荷），

18、在关合此空线时，由于电压波在线路上行进到开路末端反射，在线路上最多产生2倍电源电压幅值（三相时指相电压）。第26页/共31页第二十六页，共32页。把空载长线简化等效(dn xio)为一个集中的电容负载，并把输电线的电感并入电路的等效(dn xio)电感。 uL L1CQ QD D第27页/共31页第二十七页，共32页。2121102010111020000000sin()1sin()cossin111sin()cossin00cossin()(sin )cossin2sinCCmCmCmCCmCmmCmmd uLCuUtdtCuUtttLCLCLCuUttttuUiUuUtUUttUUU通常时

19、uL L1CQ QD D第28页/共31页第二十八页，共32页。 关合空载线路时，过电压与合闸瞬间的电源电压（合闸相位角关合空载线路时，过电压与合闸瞬间的电源电压（合闸相位角) )和线路的残余电压有关。和线路的残余电压有关。 产生过电压的根本原因是产生过电压的根本原因是L L与与C1C1的振荡造成的。的振荡造成的。 当空载输电线路上当空载输电线路上(l shng)(l shng)没有初始电压关合时，过电压可没有初始电压关合时，过电压可达达2 2倍；如空载长线上有初始电压，其极性在合闸时又与电源电倍；如空载长线上有初始电压，其极性在合闸时又与电源电压极性相反，则关合时就可能在空载输电线路上压极性

20、相反，则关合时就可能在空载输电线路上(l shng)(l shng)出出现现2 23 3倍的过电压。倍的过电压。 空载输电线路上空载输电线路上(l shng)(l shng)具有初始电压的关合情况，通常是具有初始电压的关合情况，通常是在自动重合闸关合时出现。当空载输电线接在电源上时，其上即在自动重合闸关合时出现。当空载输电线接在电源上时，其上即为电源电压，当某种原因断路器跳闸分断时，在电流零点熄弧，为电源电压，当某种原因断路器跳闸分断时，在电流零点熄弧，此时电容上的电压为电源电压幅值，如果电荷无法泄漏或释放很此时电容上的电压为电源电压幅值，如果电荷无法泄漏或释放很慢，则电压就维持在最大值或某一值；若断路器立即自动重合闸，慢，则电压就维持在最大值或某一值；若断路器立即自动重合闸，则就是关合具有初始电压的电容负载；在最严重的条件下，此时则就是关合具有初始电压的电容负载；在最严重的条件下，此时就会产生最大可达就会产生最大可达3 3倍的过电压。倍的过电压。 第29页/共31页第二十九页，共32页。 对电压等级对电压等级220kV220kV及以下的电网，其绝缘水平能够承受及以下的电网，其绝缘水平能够承受3 3倍以下的过电压。但对倍以下的过电压。但对330kV330kV