开关电器开断时弧隙上的电压变化过程

开关电器开断时弧隙上的电压变化过程第一页，共三十九页，2022年，8月28日1.开断三相电路时首开极弧隙上的恢复电压恢复电压(recoveryvoltage)开断电流熄弧后，出现于开关一个极的两端子间的电压。该电压可以认为是连续的两段，起初是瞬态恢复电压，接着是工频恢复电压。瞬态恢复电压（transientrecoveryvoltage,简称TRV）：具有显著瞬态特性时间内的恢复电压。工频恢复电压（power-frequencyrecoveryvoltage，简称PFRV）：瞬态电压现象消失后的恢复电压。以上的基本概念是根据IEC标准和国家标准给出的。（1）恢复电压的基本概念第二页，共三十九页，2022年，8月28日对开关电器开断性能来说，在熄弧过程中起重要作用的恢复电压正是瞬态恢复电压，但它的大小又受到工频恢复电压大小的影响。

第三页，共三十九页，2022年，8月28日另外还有一种分析方法，也符合电工术语标准，即把恢复电压看成是它的工频分量和非工频衰减分量两部分叠加。这在数学分析上较为有用，从时间上自始至终将恢复电压看成是两个分量的叠加。这两种分法从原则上讲并不矛盾，但不能混淆。这是两种不同场合的规定，是不同的名词术语，且本身含义也不同。既不能简单地把恢复电压与瞬态恢复电压等同，又不能把恢复电压的工频分量就叫做工频恢复电压。第四页，共三十九页，2022年，8月28日（2）开断单相电路时的恢复电压在断路器出口处发生短路，则断路器DL打开，产生电弧。在电弧电流过零时电弧熄灭，于是在间隙两端将发生一个电压恢复过程，最后间隙上的电压即为电源电压。显然，间隙上的电压恢复过程同时受到电网参数和弧隙参数两方面的作用。第五页，共三十九页，2022年，8月28日第六页，共三十九页，2022年，8月28日第七页，共三十九页，2022年，8月28日第八页，共三十九页，2022年，8月28日第九页，共三十九页，2022年，8月28日第一种情况此时电压恢复过程为非周期性的，最大值不会超过工频电源电压的幅值。恢复电压由两部分所组成。一是稳态分量；另一是与稳态分量反向的衰减分量，是非周期性的上升特性。

第二种情况（临界情况）恢复电压仍是一个非周期性的过程，且最大值也不会超过工频电源电压的幅值。

第十页，共三十九页，2022年，8月28日当线路参数L与C为已知定值时，分析电阻R与的数值和作用

第十一页，共三十九页，2022年，8月28日第十二页，共三十九页，2022年，8月28日第三种情况第十三页，共三十九页，2022年，8月28日第十四页，共三十九页，2022年，8月28日第十五页，共三十九页，2022年，8月28日当开断时触头上的电压恢复过程发生高频振荡，则恢复电压的幅值和恢复速度都随之增加，这对灭弧造成不利的影响。理想弧隙上的电压恢复过程只取决于电网的参数。而弧隙上的并联电阻可以改变恢复电压的特性，即改变恢复电压的幅值和恢复速度。当并联电阻的数值低于临界电阻时，还可把周期性振荡的恢复过程转变成非周期恢复过程。从而大大降低了恢复电压的幅值和恢复速度。即并联电阻可起增加断路器开断能力的作用。在实际电路中，所遇到的情况并非象上述那么简单，而要复杂得多。不仅电压恢复过程可能是多频率的振荡过程，而且线路本身的参数也是分布的，因此计算只能等效近似地进行。第十六页，共三十九页，2022年，8月28日弧隙参数对电压恢复过程的影响实际弧隙与理想弧隙不同，电流过零后弧隙电阻并不一定立即变成无限大，有的情况还存在着残余电阻。正是由于有残余电阻，才使电弧过零后，间隙上所发生的电压恢复过程与间隙的介质强度恢复过程互相联系和互相影响。因此，弧隙参数对恢复电压的影响主要就是残余电阻所起的影响。

如果把一个具有残余电阻的实际弧隙看成是一个理想弧隙与一个电阻的并联，而这个并联电阻就是残余电阻。残余电阻的存在降低了恢复电压的幅值和恢复速度，即对电压恢复过程起阻尼作用。残余电阻大小的不同，使恢复电压可以是周期性的振荡，也可以是非周期性过程。实际上，残余电阻是随时间变化的，因此阻尼作用的强弱也随时在变化着。

第十七页，共三十九页，2022年，8月28日实际弧隙的电压恢复过程不仅取决于电网的参数，在很大程度上还取决于断路器的性能。而残余电阻的大小正是在一定条件下表征了电弧电流过零后弧隙的去游离强弱和介质强度恢复的快慢。存在着两种不同情况的实际弧隙：当弧隙的去游离作用很强时，介质强度的恢复就快，残余电阻就大（甚至接近或等于无限大）。此时弧隙上的电压恢复过程主要由电网参数来决定。相反的，当弧隙去游离作用较弱时，残余电阻就小，电压恢复过程在很大程度上受到残余电阻的影响。第十八页，共三十九页，2022年，8月28日（3）三相电路开断时的恢复电压中性点不直接接地系统的三相短路故障假定A相电流先过零，且A极电弧熄灭

首开极上的工频电压是1.5倍的电源相电压，并不是电源的相电压，这是因线路的影响所至。

经过5ms后，B、C两相电流同时过零而电弧同时熄灭，此时电源的线电压加在两个串联的断口上，如认为两断口是均匀分布，则每一断口只承担一半电压，但很快三相电压均向电源电压恢复。

第十九页，共三十九页，2022年，8月28日中性点直接接地系统的三相接地短路故障首开极A极熄弧时即其工频电压为1.3倍的电源相电压。

从电路上看，紧接着A相过零的是C相，然后才是B相电流过零。第二开断极C极熄弧时即为1.25倍的电源相电压。

C相电流分断后，此时电路中电流只剩下B相一相，而在熄弧时的工频电压即为电源相电压。

第二十页，共三十九页，2022年，8月28日首开极系数从上面分析可看出，三极断路器分断时，三极断口所开断的电流大小和其上的恢复电压的大小均不相同。但均可得到以首开极为最高，即首开极的开断条件最为严酷。因此，根据约定，在不加明确说明时，三相系统中的恢复电压就是指首开极上的恢复电压。首开极系数即为首开极的恢复电压工频分量有效值与电源相电压有效值之比。

第二十一页，共三十九页，2022年，8月28日（4）瞬态恢复电压瞬态恢复电压的表示法

断路器必须在电网中可能出现的最严重的恢复电压下可靠分断。当断路器在进行开断能力试验时，所施加的恢复电压应该有一个统一的要求。这就对瞬态恢复电压应有一个共同的描述方法，并按此确定额定参数。现行标准中规定的额定瞬态恢复电压的表示法有两种：在某些情况下，特别是电压高于100kV的系统中，短路电流相对于所考虑点的最大短路电流而言是比较大的，瞬态恢复电压包括一个高上升率的起始阶段，继之而来的后一阶段上升率比较低。这种波形一般适宜于用四参数法确定的三条线段所组成的包络线来表示。在另外一些情况下，特别是在电压低于100kV的系统中，或系统电压虽高于100kV而短路电流相对较小且经变压器供电的条件下，瞬态恢复电压接近于一种阻尼的单频振荡波，这种波形适宜用于两参数确定的两条线段所组成的包络线来表示。第二十二页，共三十九页，2022年，8月28日

因实际试验时，线路电容的影响，恢复电压起始阶段上升较慢，从而可能影响试验结果，故采用加延时线来限制，即试验时所加实际的瞬态恢复电压波形与延时线不能相交两点，最多只可相切于一点。

第二十三页，共三十九页，2022年，8月28日第二十四页，共三十九页，2022年，8月28日第二十五页，共三十九页，2022年，8月28日第二十六页，共三十九页，2022年，8月28日

ITRV的上升率决定于开断的短路电流，而其幅值决定于沿母线到第一个不连续点的距离。额定ITRV表示为：在坐标原点与(ui，ti)点之间画的直线和从(ui，ti)点作水平线与规定的TRV时延线在A点相交的直线。

第二十七页，共三十九页，2022年，8月28日第二十八页，共三十九页，2022年，8月28日2.近区故障近区故障是指在大容量的系统中，距断路器出线端几百米至几公里的架空线路上发生的短路故障，也有称为近距故障。在断路器出线端处短路，其短路电流总是最大的。短路点随着离出线端距离的增加，则短路电流逐渐减小，这是因为线路本身存在着阻抗。起初，总认为断路器只要能开断最大的短路电流，则其余各点的短路故障都能开断。随着系统容量的增加，情况却并不完全如此。1957年美国G·E公司指出，断路器可在31kV电压下开断45kA的母线短路电流，却开不断在约1800m的架空线处的16kA的短路电流。经研究分析说明，断路器之所以开不断在近距区域内的短路故障，主要是因为近区短路开断时恢复电压的波形不同。它具有上升速度很高的起始部分。从而影响了断路器的开断能力。随着电网的集中和容量的加大。近区故障已经成为断路器的严重开断条件。第二十九页，共三十九页，2022年，8月28日第三十页，共三十九页，2022年，8月28日在短路过程中，线路可近似看成是纯电感性的。此时近区短路电路（有效值）

而A、B两点的对地电压相等，其有效值为

在电流过零瞬间，断路器DL开断，此时电源电压为最大值。A、B两点也为电压最大值，即

第三十一页，共三十九页，2022年，8月28日在DL开断以后，断路器两侧不再有联系，变成了两个独立的回路。它们将按各自的规律变化

断路器左边的电源侧回路实际上就是电源对电容的高频充放电过程，最后A点的电压将过渡到电源电压。假定此过程中电源电压不变。且不计衰减，以DL开断时为计时起点。则开断后A点的电压变化为：

第三十二页，共三十九页，2022年，8月28日第三十三页，共三十九页，2022年，8月28日第三十四页，共三十九页，2022年，8月28日第三十五页，共三十九页，2022年，8月28日第三十六