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第五讲 断路器的短路关合和其它类型的开断1、短路关合断路器的额定短路关合电流(幅值)等于断路器的额定短路开断电流(有效 值)的2.5 倍,对我们的产品,额定短路关合电流是 100kA。断路器的下游线路和设备由于绝缘损坏,当断路器合闸时就会造成系统短 路,这就要求断路器具有足够的关合能力,一定要让断路器关合到底,让上游的 断路器跳闸来开断短路。千万不能出现这种情况:操作机构的合闸功不够,断路 器的动触头处在既不能前进又不能后退的僵持状态,此时由于灭弧室内发生预击 穿而产生短路电流,电弧持续燃烧将导致断路器爆炸。此外,自能式灭弧室在合 闸操作时辅助气室有一个回气过程,只有在合闸到底后才能回气充分,才能保证 断路器的开断能力。以前我们讲过,当断路器处在运行状态时发生短路,继电保护命令断路器进 行自动重合闸(分0.3 秒合)操作。如果是由于雷击而造成架空输电线路短 路,在0.3 秒的无电流休止时间内,架空线路的绝缘自行恢复,断路器合闸时已 没有短路存在,此时合闸成功,这种几率占 70%。但如果下游线路是永久性故障, 断路器就要关合短路电流。在第四讲中讲到的 T100s 试验中,就包括“合分”操作。如果此时的合闸电 流达到了要求值,就认为短路关合试验有效。但该试验中的合闸时刻是随机性的, 不一定能达到所要求的合闸电流值,此时就需要进行单独的关合试验。2、近区故障对用于额定电压72.5kV及以上,额定短路电流大于12.5kA,直接与架空输 电线连接的断路器,要求具有近区故障开断性能。近区故障的电路图和等值电路见图1.由于架空线路有其线路电感 L1 和对地电容C1,在断路器的出口处(图1b中的B点)与短路点之间构成均匀分布的LC 回路。短路点离断路器越远,线路阻抗就越大。图1断路器开断近区故障时,由于短路回路中有线路阻抗,所以近区故障时的短 路电流肯定小于额定短路开断电流。开断近区故障的难点在于断口间的瞬态恢复 TRV 的起始部分上升陡度很 大,要求弧隙的绝缘恢复强度在电流过零后更快的提高,以免电弧发生重燃。开断近区故障时,断口间 TRV 起始部分上升陡度很大的原因是:在断路器CB电弧熄灭以后,由于上述LC回路振荡形成波反射,B点的电压ub呈锯齿波变 化(见图2)。电源侧的电压uA的变化曲线见图3。断口间(AB点之间)的电压 ut =u.+uB,其变化曲线见图4。这种故障在数公里(0.58km)内最严重,所以 tr A B叫做近区故障。图4GB1984-2003规定近区故障做L90、L75和L60档,断口间的TRV在该标准的907560附录 A 中给出。试验方式为“分0.3 秒合分180 秒合分”,单极试验。3、失步故障作为电力系统联络用的断路器会遇到失步故障问题。如图 5 所示的两台发电 机,如果一台是水轮发电机,另一台是汽轮发电机,两台发电机必须同步才能并 网运行,也就是说两者的相位、频率和电压等参数必须一致。如果水轮发电机发 生短路故障或负荷突变,将使它与汽轮发电机异步,也就是说它的相位与后者不 一致。此时,继电保护将命令断路器跳闸,否则将烧坏发电机,导致严重后果。 跳闸的这台断路器就是开断失步故障。图5断路器开断失步故障时具有下列特点(GB19842003的规定)(1)由于两台发电机的连接线路上有阻抗,因此失步故障的开断电流比额定 短路开断电流小,大约为其 25%左右。(2)工频恢复电压高,对额定电压126kV,在中性点不接地系统中首开极系 数为 2.5 (对 126kV,为 182kV)。(3)瞬态恢复电压TRV的峰值(u )高,对额定电压126kV,在中性点不接C地系统中, u =321kV。C在断路器开断失步故障时,虽然开断电流不太大,但工频恢复电压和瞬态恢 复电压的幅值高,容易发生熄弧后的重击穿,这与出线端短路不同。它也与近区 故障开断不同,它的TRV上升陡度并不大。标准规定,失步故障开断试验只做单分,试 3次,允许单相试验。4、开合空载输电线路 包括开合空载架空线路和开合空载电缆线路两种情况。它们都不是短路开断, 而是一种负荷开断。它们的麻烦是:如果断路器发生重击穿,将产生很高的操作 过电压。空载输电线路的单相简化电路见图 6. 空载架空线路和空载电缆线路都可以 看成是沿线路均匀分布的 LC 回路。它与近区故障的不同点是线路上并没有发 生短路。空载输电线路的单相简化电路图6对额定电压126KV,架空输电线每相每公里的电容电流是0.185A,电缆输电 线的电容电流更大,比架空线大20多倍。我们知道,电感中电流不能发生突变,电容上的电压不能发生突变。因此, 在关合和开断空载输电线路时,都会在 Lc 回路中产生振荡,并以电磁波的形 式在输电线路上来回反射传递。关合空载输电线路的操作发生在下列两种情况:(1)空载输电线路的正常投运时;(2)对空载架空线路而言,在断路器进行自动重合闸(分 0.3合)时, 由于雷击而引起的短路故障是经常发生的,此时在 0.3 秒的无电流休止 时间内,架空线路的绝缘自动恢复,此时合闸时就是关合空载架空线 路。国标GB19842003规定:额定架空线路开断电流是31.5A,额定电缆充电 开断电流是140A (国网要求160A)。关合空载输电线路时,输电线路上的操作过电压一般不超过2倍电源电压。 对于额定电压126KV,这不是危险的,线路和设备能承受这个过电压。但对于550kV和llOOkV而言,这个操作过电压是危险的,因此在断路器的断口间增加 合闸电阻,以减小合闸过电压。在开断空载输电线路时,断口电源侧(图6中的B1点)的电压u1按余弦波 变化,断口线路侧(图6中的B2点)的电压u2按振荡波形变化(见图7)。断 口间的瞬态恢复电压utr= u1- u2,其变化曲线见图8。断口间的TRV有下列两个 特点:( 1) 在其起始部分有一个振荡分量,但其上升陡度赶不上近区故障。(2) TRV 的幅值很高(比出线端短路时还高)开断空载输电线路时,虽然TRV的幅值很高,但其开断电流不大,所以开断 并不难。对于压缩空气断路器或真空断路器而言,能在很短的时间内熄灭电弧, 此时断口的开距不大,弧隙的介质恢复强度不高,断口在很高的 TRV 幅值下发 生重击穿,麻烦就来了,只要发生一次重击穿,重击穿电弧熄灭后,线路上的电 压就达到 3 倍的电源电压。如果再发生第二次重击穿,线路上的电压就达到 5 倍的电源电压。这就产生了很高的操作过电压。好在我们的自能式灭弧室不是这个情况。自能式灭弧室开断小电流是靠辅助 压气式,其压气量不大,不能在很短的时间内熄灭电弧,因此熄弧时触头开距较 大,再加上 SF6 气体的开断性能好,因此一般不会产生重击穿,我们的 GIS 在 开断空载架空线路和开断电缆线路时都成功开断,没有发生重击穿。
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