5 第五讲 断路器的短路关合和其它类型的开断

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。