高压断路器和隔离开关。§6.2 高压断路器和隔离开关的 原理与选择 引言 1. 开关电器的类型 ① 仅用来在正常情况下，断开或闭合正常工作电流的 开关电器，如高压负荷开关、低压闸刀开关、接触 器、磁力启动器等。 ② 仅
§6.2 高压断路器和隔离开关的 原理与选择 引言 1. 开关电器的类型 ① 仅用来在正常情况下，断开或闭合正常工作电流的 开关电器，如高压负荷开关、低压闸刀开关、接触 器、磁力启动器等。 ② 仅用来断开故障情况下的过负荷电流或短路电流的 开关电器，如高、低压熔断器。 ③ 既用来断开或闭合正常工作电流，也用来断开或闭 合过负荷电流或短路电流的开关电器，如高压断路 器、低压自动空气断路器等。 ④ 不要求断开或闭合电流，只用来在检修时隔离电压 的开关电器，如隔离开关等。 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。 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，电路才被线. 电弧的产生、维持与熄灭 ① 电弧的产生 ? 阴极发射电子 ? 热电子发射 ? 强电场电子发射 d ? 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 ③ 电弧的熄灭 静触头 (+) U E?U d E ? 3?106 V / m (-) 动触头 ? 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. 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。 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 ? 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。 ? 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。 ud 线 油 空气 线 t 能较好。 线. 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 ? 近阴极效应 +-+-+ (+) -+-++-+-+ (-) -+-+- ++--+ (-) ++--++--+ (+) ++--- ud 0 油 空气 t SF6 线. 交流电弧的熄灭 (1) 交流电弧的熄灭条件 ur 2) 弧隙电压恢复过程 ? 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。 对不同的线 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。 utr usr utr usr t 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。 utr usr 可见，断路器开断交流电路时， 电弧熄灭的条件应为 0 ud(t) ? ur(t) 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。 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。 3) 利用气体或油吹动电弧 ? 吹弧利于冷却而使复合加强、带电离子的扩散。 4) 采用多断口熄弧 ? 电弧被拉长，触头分离速度加快，断口电压降低。 5) 拉长电弧并增大断路器触头的分离速度 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 G T QF ~ R G ~ U0 L i i1 C ur QF r uC i2 k ur ? uC k 微分方程： 线性常系数微分方程 LC d 2uC dt 2 ? ?? RC ? ? L r ?? ? duC dt ? ?? ? R r ? 1???uC ?U0 U0 ? iR ? L di dt ? uC i ? i1 ? i2 ? C duC dt ? uC r 微分方程的通解： uC ? rU 0 R?r ? c1e?1t ? c2e?2t ?1,2 ? ? 1 2 ?? ? R L ? 1 rC ?? ? ? 1 ?? R ? 1 ?2 ? ? 1 4 ? L rC ? LC 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 G T QF k 1）当 1 ? ? 4? R L ? 1 rC 2 ? ? ? ? 1 LC 时，?1、? 为实根。 2 ~ R L ur QF k 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。 i i1 r G ~ U0 C uC i2 2）当1 4 ?? ? R L ? 1 rC ?2 ? ? ? 1 LC 时，?1、? 为虚根。 2 微分方程的通解： 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。 uC ? rU 0 R?r ? c1e?1t ? c2e?2t 3）当1 ?? 4? R L ? 1 rC ?2 ? ? ? 1 LC 时，?1、? 为实数重根。 2 ?1,2 ? ? 1 2 ?? ? R L ? 1 rC ?? ? 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。 ? 1 ?? R ? 1 ?2 ? ? 1 4 ? L rC ? LC 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 G T QF k 1）当 1 ? ? 4? R L ? 1 rC 2 ? ? ? ? 1 LC 时，?1、? 为实根。 2 ~ R L ur QF k 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。 i i1 r G ~ U0 C uC i2 2）当1 4 ?? ? R L ? 1 rC ?2 ? ? ? 1 LC 时，?1、? 为虚根。 2 临界并联电阻为 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。 rcr ? 1 2 L C 3）当1 ?? 4? R L ? 1 rC ?2 ? ? ? 1 LC 时，?1、? 为实数重根。? 2 当r rcr时，电压恢复 过程为非周期性； 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。 ? 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. 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。 ? 问题： ? 电弧熄灭后还有短路电流流通。 ? 措施： ? 增加辅助触头。 Q1 Q2 r Q1 主触头 Q2 辅助触头 Q1 Q2 r 二、开断短路电流时的工作状况分析 2. 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 U 电压分配不均匀，影响断路 器的灭弧能力。 C C U1 ?U CQ ? C0 2CQ ? C0 ? 2U 3 U2 ?U CQ 2CQ ? C0 ? 1U 3 U1 U2 CQ CQ U C0 ? 并联电容后： U1 ? U (CQ ? C) ? C0 2(CQ ? C) ? C0 ? U (CQ ? C) 2(CQ ? C) ? 1U 2 U2 ?U (CQ 2(CQ ? ? C) C) ? C0 ?U (CQ ? C) 2(CQ ? C) ? 1U 2 三、高压断路器的选择 (一) 高压断路器型号和技术参数 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、高压断路器的选择 (一) 高压断路器型号和技术参数 2．型号 ? 由字母和数字两部分组成的： 额定开断能力，kA或MVA 123 45 6 78 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； 例如：SN10-10/3000-750型 K—空气断路器；L— SF6 断路器； Z—真空断路器； C—磁吹断路器等。 三、高压断路器的选择 (一) 高压断路器型号和技术参数 3．技术参数 ① 额定电压UN(kV)。断路器正常工作时，系统的额定 (线)电压。这是断路器的标称电压，断路器应能保 证在这一电压的电力系统中使用。 ② 额定电流IN(A)。断路器可以长期通过的最大电流。 当额定电流长期通过高压断路器时，其发热温度不 应超过国家标准中规定的数值。 ③ 额定开断电流INbr(kA)。在规定条件下能保证正常开 断的电流。 三、高压断路器的选择 (一) 高压断路器型号和技术参数 3．技术参数 ④ 额定峰值耐受电流ies(kA)。 在规定条件下，断路器 在合闸位置时所能经受电流的峰值。它反映设备经 受短路电流引起的电动效应能力。 ⑤ 额定短时耐受电流It(kA)。在规定条件和时间下断路 器在合闸位置时所能经受电流的峰值。它反映设备 经受短路电流引起的热效应能力。 ⑥ 额定短时关合电流iNcl(kA)。在规定条件下断路器保 证正常关合的最大预期峰值电流。 三、高压断路器的选择 (一) 高压断路器型号和技术参数 3．技术参数 ⑦ 开断时间(ms)。从断路器分闸线圈通电起至三相电 弧完全熄灭为止的时间。开断时间由分闸时间和电 弧燃烧时间或燃弧时间组成。 ⑧ 合闸时间(ms)。从断路器开始接到合闸命令时起到 三相均合闸为止的时间。 ⑨ 分(合)闸不同期时间(ms)。指断路器各相间或同相 各断口间分(合)时间的最大差异。 三、高压断路器的选择 (一) 高压断路器型号和技术参数 3．技术参数 10 金属短接时间(ms)。 指断路器在合分操作时从动、 静触头刚接触到刚分离时的一段时间。 11 无电流间隔时间(ms)。 由断路器各相中的电弧完 全熄灭起到任意相再次通过电流止的时间。 三、高压断路器的选择 (二) 高压断路器的选择 1. 断路器种类和型式的选择 ? 依据各类断路器的特点及使用环境、条件决定。 2. 额定电压和电流的选择 ? UN≥UNs，IN≥Imax 3. 开断电流的选择 ? INbr≥Ipt (简化计算中， INbr≥I’’) 4. 短路关合电流的选择 ? iNcl≥ish 三、高压断路器的选择 (二) 高压断路器的选择 5. 短路热稳定和动稳定校验 ? 热稳定校验：It2t≥Qk ? 动稳定校验：ies≥ish 四、隔离开关的选择 1．隔离开关的作用 ① 隔离电压 ? 在检修电气设备时，用隔离开关将被检修的设备 与电源电压隔离，以确保检修的安全。 ② 倒闸操作 ? 投入备用母线或旁路母线以及改变运行方式时， 常用隔离开关配合断路器，协同操作来完成。 ③ 分、合小电流 ? 分、合避雷器、电压互感器和空载母线； ? 分、合励磁电流不超过2A的空载变压器； ? 关合电容电流不超过5A的空载线路。 四、隔离开关的选择 2．隔离开关的类型 ? 按装置地点分 ① 户内式 ② 户外式 ? 按每相绝缘支柱的数目分 ① 单柱式 ② 双柱式 ③ 三柱式 GW4系列 GW5系列 GW6-500D GW7-220 GW12系列 四、隔离开关的选择 3．隔离开关的选择和校验项目 ① 型式的选择 ② 额定电压的选择 ③ 额定电流的选择 ④ 短路热稳定校验 ⑤ 短路动稳定校验
