（电气工程专业论文）电缆充电电流试验的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 本文对国内试验室开合电缆充电电流试验线路进行了研究，对电缆充电电流试验线路 的关合和开断过程进行了理论分析和计算，指出由于试验线路的接地点不同( 即电源侧中 性点接地或负载侧中性点接地) ，开断后各位置电压存在差别。如果负载侧中性点接地， 只对负载侧电压测量设备的阻抗值提出要求，就可以保证负载侧恢复电压3 0 0 i i l s 时衰减不超 过1 0 。如果电源侧中性点接地，应对电源侧和负载侧的电压测量设备同时提出要求，才 可以保证开断后3 0 0 i i l s 时断口上的恢复电压的衰减不超过1 0 。 由于真空断路器具有真空间隙绝缘强度高、灭弧能力强、体积小、重量轻、使用寿命 长、使用安全、维护简捷、运行安全可靠等优点，因而在4 0 5 k v 以下的电压等级得到广泛 应用。本文根据实际情况着重分析了真空断路器的开断特性，分析了真空断路器的参数对 开断容性负载的影响。 在理论分析和应用m a t l a b 仿真的基础上，对i b c 及国家标准规定的电缆充电电流各试验 方式进行了详细的分析，提出了满足标准规定的操作程序。 根据试验过程中发生异常情况的实测波形图，分析了实际线路中开合电缆充电电流试 验过程中可能发生的复燃、重击穿、单相非保持破坏性放电( n s d d ) 、两相非保持破坏性 放电( n s 叻) 等现象并进行了仿真计算，确定了在各种不同的工况下对线路中设备造成的 同的影响，进而提出了对试验线路的保护措施。 根据分析结果和i e c 及国家标准的规定提出了建立电缆充电电流试验线路的注意事项， 设计了符合机械工业高压电器产品质量检测中心( 沈阳) 实际情况的试验线路，为其它试 验部门设计电缆充电电流试验线路提供了参考依据。 关键词：电缆充电电流试验，复燃，重击穿，非保持破坏性放电，过电压 沈阳工业大学硕士学位论文 s t u d yo fc a b l ec h a r g i n gc u n e n tt e s t a b s l 撇t i nt h i sp 印e r ，也et e s tc i r c t l i to f d o m e s t i ce x l e 血嘲t a ll 址唧例哪t 0o p e na n dc l o c 曲l e c h a r g i f 喀c u r r e n ti ss t l l d i c d ，a n dt h e 蕾e s tc i r c 血o fm a k i n ga n db r e a k i i 玛o ft h cc a b l ec h 啦g c u 玎e mi sa l 锄a l y z c dt h e 叫e t i c a l l y 柚dc a l c l l l a t c d w h 锄e a n l lp o i n t0 ft e s tc i r c 疵c h a i l g e s ( e a 】r d b i n gb yn e 岫 a lp o i i i t “m a i l l ss i d co r r i l l i n gb y 粥u 仃a lp 0 j m to f l o a ds i d e ) ，v o l t a g eo f v a r i o u sp o s i 畦o n se x i s ts o m ed i 圩e n c ea f t 盯b f e a l 血培t h ec l l 玎e m u n d e rm ec i r c 啪s t 锄c e so f e a n b j n gb y 删删p o i n to fl o a ds i d e ，l l l er e s i s t a n c e 训l l eo fv o l t a g em e a s u 崩n e n td e v i c ei n 也el o a ds i d es h o i i l db e 嘲i l i r e d ，n a m e l yi tm u s tb em e e t i ed c 蠲衄do fs 乇髓捌t i l a tt h e 撕僦o no fr c c o v e r yv o l t a g co fl o a ds i d ed on o t 鲫r p 嬲sl op e r c e n ti n3 0 0m m i s e c o n d s 船b r e a l 【i n g 恤ec u r r 吼t b mu n d e r 也ec 的l l i 邮t a n c e so fe 甜t l l i i l gb yn e u 廿a lp o 硫o fm a i l l s s i d e ，t h er c q u 确c n t so fv o l t a g cm e 蚓l r c m e n td e v i c ei nt h cl o a ds i d ea n dm a i 惦s i d es h o u l d b es c ta t 让屺s 锄e t i m e ，i no r d e r t 0a s s u r e t h e 砷【e i m a 虹o no fr e c o 、能r yv o h a g eo f g 印d on o t s u r p 鹧s1 0p e 瞰ti n3 0 0i i l i l l i 辩c o n d 撕b f e 凼i l gt h ec u 玳斌 v a c u 啪c i r c u i t - b r e a k e ri se n e r g e t i c a l l yp o p u 】耐z e db e l o wt h er a t eo f4 0 5k v 舔 e x c e l l e n ti i l s l i l a l i o n 妣n g i ho fi t sv a c mg a p ，i 协p o 删a r c 硎n g u i s i l i 】唱c a p a c i t y ，i t s 蛐a l lv o l 啪e 锄dl i g h t 而g 吒i t sl o n g1 c i l g i ho fl i f c ，i t ss 疵叩e m t i o n 锄dc o n v e l l i e m “ ， m 咖t c l 埘1 c e ，i 乜s a f e 龃dr e l i a b l ep c r f b m m l c ea i l d o nt h ec h 黜l c t 耐s t i c so fv a c 吣 c i r c i i i t b r c a l j 耐b f e a 虹i 玛t h es h o 砖吒i r c t l i tc u r r 嘲ta r em 逾l ya i l a l y z e di l lt h i sp a p e ra c c o r d i n g t 0p m c t i c a lc i r c m i l 5 曲n c e s ，m e 砌啪c e p a r a m e t c ：瞎o fv 岫c i r c u “- b r e a k e rb r e a k 缸g 血ec a p a c i t i v el o a di sa l s 0a n a l y z e d 0 nt h eb 船i so ft 1 1 e 0 栅c a l 趾a l y s i s 舭ds i m l 山t i o nb ym a t l a b ，c a b l e c h 甜百n gc u 矾瓜 t e s tm e l o d so fp 化s c 邮t i o no fm t e r i i a t i o n a le l c c 吮h i l i c a lc o 姗【i l i s s i o n ( i e c ) 姐dn a t i o n a l s c a i l d a r d sa r ca r i a l y z e di nd e t a i l ，觚dt l l et e s tm e t h o d sm t i n gt h es ta r 】【d a r d 矗粕a n da r e p r e 辩m e d b 船e d v a s ts c a l eo fs i n g ：l l l 越w a v e s h a p ed i a g r a m s ，m ec a s c si nt h ep r a c t i c a l c i r c l 】l 】孵【a n c e s ，f | o re x 锄p l e ，r e - i 鲥t i o n ，比s 仃i k e ，n o n - 跚s t i i n e dd i s n i p 曲ed i s c h 缸g e d s p d ) o fs i n g l e l p h a s e ，n 一s l l s t a i n e dd i s n l 砸v ed i s c l l a r g e d 州s d d ) o f t w o p l l a ，a r ea i l a l y z c da n d c a l c m a t e do fs i m u l a t i o 也f i u t l 咖o f 岛n 他d i 往咖ti r r i p a c t so nt e 啦e q t l i p l l l e n t sa r e 一一 电缆充电电流试验的研究 d e t e m i du n d 盯d i 饪b r e n tc i r c u m s t 黜e s ，趾ds o m en e c e s s a f ym e 勰u r e st op r o t e c t i v eo fm e t e s tl i n ea r ep r e m e d a c c o r d i n gt oa i l a l y s i s 地s u n ，p r c s c r i p t i o no fm ca n dm l t i o n a ls t 卸d 以s ，m a t t c 墙n e e d a 仕e n t i o no fe s t a b l i s h i n gc a b l ec i m r g i n gc u r r c mt e s tl m ，t l l ec a b l ec h a r g i i l gc u n _ c n tt e s ti i l l c m e e t i n g 、i t l lh i 曲v o l t a g ea p p a r a l 瑚q u a l 蚵t e s tc e n t e ro fm a c l l i n e r yi n d u s 仃y ( s h e l l y a i l 曲 i s d e s i g n e d t l l i sp m v i d e sr e f e r 锄c ee v i d e n c ef o r o t h e rt c s t i n g d e p a r n n c n td e s i g i l i n g p r e m a m r ec a b l ec b a r g i n gc u n n tt e s tl i i l e 1 ( e yw o r d s ：c a b l ec h a r g i n gc u r 瑚tt e s t r e i g n 懈o n ，r e s h i k e ，n o n s u s t a i n e dd i s 阳p t i v e d i s c h a r g e d ，o v e r - v o l t a g e 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：j ；竺固壁1日期：塑盈! ：坚 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：三缸日期：2 皿严 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的背景和意义 1 1 1 空载输电线路特点 电能的传输是靠输电线路来完成的，空载输电线路操作是指在电网不带负 荷而只有一段空载线路的情况下，高压开关对这种情况进行开断和闭合的操作， 是一种经常遇到的工况，可见保证空载输电线路的可靠开断和闭合是高压开关 很重要的一项功能。而空载输电线路包括两种情况，即架空线和电缆。 架空线传输方式中的架空线可理解为包括各相导体之间的电容和导体对地 电容的电容。因为架空线一般采用导线循环换位方式传输，所以可以认为各相 电容是相等的。三相架空线每相每公里的电容电流主要与线路的额定电压有关， 具体如表1 1 所示： 表l1 架空线每相每公里的电容电流 t 曲1 1c a p i t a l l c ec u 丌吼to f o v e r l l e a dl i n ep e rp h a p e r “l o m c t c r 1 2 l 、4 0 5 k v 架空输电线路短，电容电流很小，电压等级高的输电线路长， 故其电容电流也比较大。例如2 2 0 k v ，3 0 0k m 架空输电线路的电容电流可达 1 1 0 a 。如果架空输电线路采用两分裂导体，电容电流还会加大2 0 。可见长的 空载输电线路对高压开关的合分操作将产生重大影响。国家标准g b l 9 8 4 2 0 0 3 交流高压断路器中规定了7 2 5 k v 及以上电压等级断路器开断额定线路充电电 流是强制性的；适用时，4 0 5 k v 及以下电压等级断路器开断额定线路充电电流 也是强制性的。并且规定出了各电压等级断路器应能开断的额定线路充电电流 t 即架空线线路的电容电流) 的数值，如表1 2 所示。 电缆充电电流试验的研究 电缆传输方式中由于电缆的相间与对地的距离都很小，固体、液体的绝缘 材料的介电常数又比空气大，因此每公里的电容电流比架空线大几十倍，即使 电缆线路的电压不高，线路也不长，但电容电流仍不小，仍将对高压开关的开 断和闭合产生重大影响。国家标准g b l 9 8 4 2 0 0 3 交流高压断路器中规定了 4 0 5 k v 及以下电压等级断路器开断额定电缆充电电流是强制性的；适用时， 7 2 5 k v 及以上电压等级断路器开断额定电缆充电电流也是强制性的。并且规定 出了各电压等级断路器应能开断的额定电缆充电电流( 即电缆线路的电容电流) 的数值，如表l - 3 所示。 表1 3 额定电缆充电开断电流i c 1 曲1 3i 鼬e dc a b l e 曲a r g i n gb 础i n gc u n 伽i c 1 1 2 高压开关进行开合电缆充电电流试验的目的和意义 在早期，架空线传输是我国的主要传输方式，而在九十年代起，由于我国工 业的兴起，经济的飞速发展，各地城市规模的扩大，环境美化意识的加强，电缆 传输的方式在各个大中城市越来越普遍，并且应用电缆传输方式的电压等级也在 升高。当任何一条空载电缆线路投入或停电时，都需要高压开关开合电缆充电电 流。高压断路器和高压负荷开关都是是电力系统中必不可少的高压电器产品，空 载电缆输电线路操作主要是靠高压断路器和高压负荷开关来完成的。可见可以关 合和开断电缆充电电流是任何一台在电缆传输线路中工作的高压断路器和高压 负荷开关所必须具备的能力。 沈阳工业大学硕士学位论文 文献 1 根据电网实际情况对高压开关开合容性负载进行了分析，由于容性 回路的特点，高压开关在开合容性回路过程中会出现涌流和过电压，很容易对线 路中设备造成重大损害。出现过电压除了是因为线路自身的原因外，高压开关的 因素也是非常重要的。 油断路器在开断容性小电流时，灭弧性能差，介质强度恢复慢，就容易出现 复燃、重击穿与n s 肋，产生较高的过电压。文献 2 经过对s n l o 一1 0 5 0 0 1 0 0 0 型少油断路器开合容性负载的研究，发现重击穿现象严重，需加放电保护，才能 安全运行。文献 3 通过现场进行开合空载电缆线路试验，得出s w 4 1 1 0 型少油 断路器重击穿次数较多；s w 6 一l l o 型少油断路器有一次重击穿。说明开合容性 线路少油断路器不能满足要求。 压缩空气断路器和s f 。断路器开断小电流的灭弧性能强，介质强度恢复快， 一般不易产生重击穿。f w 5 1 0 型产气式负荷开关开合容性负载效果良好。用 单压式l w 一1 l o 型s f 6 断路器现场进行开合空载电缆线路试验无重击穿，说明s f 6 断路器开合容性线路性能高。1 。 真空断路器是利用真空作为绝缘和灭弧介质，具有很多优点。真空间隙绝缘 强度高；真空断路器灭弧能力强；真空断路器体积小、重量轻；真空断路器使 用寿命长；真空断路器使用安全，维护简捷。真空断路器适合开断容性负载“1 。 i z n 5 1 0 勰2 0 型真空断路器用于开合容性负载是适宜的”，已经在电力系统 广泛推广使用。真空断路器目前拥有市场比重超过5 0 ，已基本满足中压市场 的需求州。经国内各研究部门的大量现场实测和统计，我国真空断路器开合容 性负载4 0 5 k v 产品差距较大，1 2 k v 产品近几年出现了下滑现象伽。文献 9 经 过试验分析，真空断路器开合容性负载时，能产生过电压，并且对线路设备造 成损害。但是真空断路器的性能是可以改善的，未经老练的真空断路器在运行 早期约有3 一6 的重击穿率“”“邮”；经三相法老练后的真空断路器运行中单相 重击穿率小于1 “”；经单相法老练后的真空断路器运行中单相重击穿率小于 o 1 “”。可见真空断路器经老练后完全可以胜任开合容性回路的任务。 电缆充电电流这个试验项目在国家标准g b l 9 8 4 1 9 8 9 交流高压断路器中 并不是强制性试验项目，而在国家标准改版后，g b l 9 8 4 - 2 0 0 3 交流高压断路器 电缆充电电流试验的研究 中规定电缆充电电流是强制性试验项目。强制性要求开断电缆充电电流的性能必 须由制造单位提出保证。从上述可见，断路器是否具备开断电缆充电电流的能力 是非常重要的考核指标，已经越来越受到行业内专家的重视。所以建立起来完善 合理的电缆充电电流试验条件，并且能够通过示波图准确的分析出在试验过程中 断路器的性能状况，为断路器的改进提出建议，越来越重要了。 1 2 课题的主要任务 由于以前电缆运行线路少、而标准执行时间又短，所以自身实践运行经验和 各试验室进行该试验项目的可借鉴经验都较少。又由于空载电缆线路、空载架空 线和电容器组都是容性回路，有一定的可参照性，所以本文参照高压开关开合空 载架空线和电容器组的具体情况来讨论和分析高压开关开合空载电缆线路可能 遇到的各种情况。 建立开合电缆充电电流试验条件，首先要了解空载电缆线路特性，以此为基 础，对高压开关开合电缆充电电流的物理过程有一个清晰的认识，对高压开关合 闸时的合闸涌流、合闸过电压和开断时电源侧电压、容性负载侧电压、断口上恢 复电压进行详细的理论分析和计算，并以标准规定为依据，建立合理的试验线路。 本课题的主要任务是在研究空载电缆线路特性的基础上，通过对整个过程中 电流和电压的计算、对试验中各种情况的仿真，分析高压开关开合空载电缆线路 的物理过程，包括工频电压升高及其振荡过程。了解标准规定试验方法的正确执 行方法及规定的意义；摸索出即保证标准执行又不苛刻，有利于检验产品的试验 方法；根据以上分析对标准规定提出合理性建议；根据高压真空断路器自身特点 提出改善性能的几点建议；最后建立起具有完善保护的、符合标准规定的高压开 关开合电缆充电电流试验线路，并对产品进行合理公正的检验。 1 2 1 建立空载电缆线路的数学模型，计算空载电缆线路的特性 空载电缆线路属于分布参数，由于含有对地漏电导，电阻、电感、电容，分 析时比较复杂。只有现场试验，才能更符合实际的验证高压开关的开断电缆充电 电流的特性，但是现场试验具有局限性，不容易进行。标准中规定为了便于分析， 不考虑线路的损耗，波形的畸变，空载电缆线路可以用简单的电感、电容、电阻 来代替，这样简化后才有利于进一步详细的分析，从而才能深入的理解标准，严 4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 格的执行标准，为高压开关更有利的完成电缆充电电流试验提出建议，确保试验 室建立起完善的电缆充电电流试验回路。 1 2 2 分析高压开关开合空载电缆线路的物理过程 根据空载电缆线路的基本方程，通过计算可以得出在关合空载电缆线路时能 够产生合闸涌流和合闸过电压，在开断空载电缆线路时断口上会产生过电压，在 空载电缆线路开断以后由于复燃、重击穿、n s d d 能够产生更高的过电压。 高压开关开合空载电缆线路的过程实际就是电磁能量的重新分配过程，由于 空载电缆线路简化后实际就是由电感、电容、电阻构成的二端口网络，关合时就 会产生振荡、产生过电压，由稳态分量和暂态分量两部分组成，稳态分量和电源 频率相同，反映了空载电缆线路的电容效应造成的工频电压升高，暂态分量由空 载电缆线路的特性决定，反映了关合空载电缆线路过程中的高频涌流和过电压。 开断空载电缆线路时，由于开断电流一般在额定短路开断电流的2 以下，很容 等 易开断，单相时断口恢复电压在半个工频周期时间将达到2 倍的电源电压而三相 时断口恢复电压在半个工频周期时间将达到2 5 倍的电源电压。如果高压开关的 电压等级较高，断口开距较大，在半个工频周期时间时断口开距还没有达到最大 值，并且断口介质恢复强度不高，就容易发生重击穿。发生重击穿后会产生更高 的过电压，如果发生多次重击穿，过电压将成倍增长。断口开距达到最大后，断 誊- 口电压不在增长，但维持在高电压水平上，由于断口周围杂散电容的存在，可能 发生非保持破坏性放电，同样会产生更高的过电压，如果发生多次非保持破坏性 放电，过电压也将大大增长。这些都会对系统绝缘造成严重破坏。收集了大量真 空断路器在电缆充电电流试验开断后发生重击穿或n s d d 的波形图，并且对电 缆充电电流试验开断后发生重击穿或n s d d 的现象进行了大量的仿真及分析， 弄清开合空载电缆线路的物理过程及影响过电压的因素，以及不同情况影响的大 小，有助于选择合适的限制过电压的措施，同时是正确理解标准、选择试验线路 及试验参数、分析试验结果的理论依据。 1 2 3 分析标准规定的电缆充电电流试验方法 应用实测波形图和l a t m a t 仿真波形图分析标准规定的电缆充电电流试验 方法，经过细致分析，确定最方便的试验操作过程，讨论标准规定的合理性。 电缆充电电流试验的研究 1 2 4 建立电缆充电电流试验条件 迄今为止，电弧理论的研究仍难于定量地分析，高压开关的研究开发工作仍 离不开型式试验，新开发的高压开关必须经过全面的试验检测才能在系统中运 行。现场试验仅对该线路和该高压开关有效，有很大的局限性，而试验室能模拟 多种线路，试验具备普遍意义和代表性。试验室建立试验条件立足于自己的特点， 利用现有设备，以最低的投入获得满意的结果。经过长时间的运行摸索，根据标 准规定建立电缆充电电流试验条件。 ( 1 ) 空载电缆线路的模拟。 由于试验室进行高压开关开合电缆充电电流试验的主要目的是考核高压开 关开合空载电缆线路的性能，确保空载电缆线路中设备安全，因此必须保证高压 开关断口上的恢复电压变化符合标准规定。一般采用电容器组和电阻串联的方法 来模拟空载电缆线路，而由于这种方法完全满足标准作出的具体规定，又容易实 现，所以这种方法作为首选。 ( 2 ) 电源回路。 容性电流过零开断前后电源侧电压的变化率u 影响起始瞬态恢复电压地 及恢复电压最大值“，对复燃和燃弧时间有重要影响，a u 要通过电源侧电感来 调节，由于要求的u 较小，这就要求试验电源应具有较大的短路容量；电源侧 调频电容影响起始瞬态恢复电压上升率。 ( 3 ) 直接试验法。 由于电缆充电电流试验主要是4 0 5 k v 及以下的高压开关进行的强制性试验 项目，根据试验室的条件，具有足够的容量要求，完全可以建立起满足标准规定 的试验线路，对4 0 5 k v 及以下的电压等级的高压开关进行检测。 ( 4 ) 测量设备选取。 根据试验线路的具体参数选取电压和电流测量设备，一定要依据不影响线路 正常运行的原则。在现有测量设备的前提下，适当调整线路的参数，来满足线路 的正常运行也是应该考虑的方法。 ( 5 ) 保护措施的建立。 沈阳工业大学硕士学位论文 根据试验过程中发生的异常情况，应用l a t m a b 对各种异常情况进行仿真，确 立可能发生的最大危害，建立保护措施保护线路中设备的安全，使被试开关受到 最小的损害。 电缆充电电流试验的研究 2 关合电缆充电电流的分析 电缆充电电流试验回路是由感性的电源回路和电容与电阻组成的负载回路组 成，在关合过程中电感与电容c 会产生振荡，将会产生合闸过电压和合闸涌流， 所以从理论上理解空载电缆的关合过程是很重要的。斌1 4 】对关舒容牲回路也i 新亍了 匍翔柏 工作，可以作为参考。 2 1 关合电缆充电电流的计算 由于电缆充电电流试验是模拟系统正常运行条件下的断路器开合空载电缆 的工况，依据标准要求试验线路中还有调频回路存在，所以还要考虑调频回路的 影响。但由于g o ) = o o ) ，当试验合闸后，而调频回路的电容值比负载回路的电 容值小上千倍，对试验合闸现象分析的影响极小，开关位置的电压将近似于合闸 前负载侧电压，所以在断路器合闸的现象分析时，暂不考虑调频回路。在断路器 分闸现象分析将会产生较大影响，在以后的章节会有阐述。 首先根据电缆充电电流试验线路原理图( 如图2 1 所示) 来计算在关合电缆充 电电流的过程中电流和各位置电压的变化过程。 cr 图2 1 电缆充电电流试验线路原理图 f 追2 ，lp r i n c i p l ec h a f to f c a b l c c i l a r g i n gc u r r e n tt e s tl i n e 设三相电源电压为： ( 在此只考虑电源电压频率为5 0 h z 的情况) 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 l ，= u 。s i n ( 1 0 0 冗f + 伊) 。= u 。s i n ( 。丌r + 伊一詈兀) c z - ， “。= u 。s m ( 。耐+ 矿+ 吾兀) 式中，甜相电压；相电压峰值；衲电压初始相角。 如果断路器三相合闸同期性为零，关合电缆充电电流线路可按单相电路进行分 析( 如图2 2 所示) 。g 为电源；电源相电压“= u 。s i l l ( 1 0 0 耐+ 力；为电源回路 电感；c 为负载回路电容；r 为负载回路电阻。 图2 2 简化后的单相回路原理图 f - g 2 2p r i n c i p l ec h a no f s i j l l p l m e ds i 叫e - p h wc i l - c u i t 依据简化后的电路图对试验现象进行分析。a 相为= u 。s i n ( 1 0 0 耐+ 妒) ， 驴为电压初始相角。 当f = 0 时，“l + “r + “c = 【，ms i n ( 1 0 0 耐+ 缈) 鸵。时，因为誓峨划警哺= 尝础争，代入上式 得出断路器关合时的电路方程为： 三c 等饿誓饥= s i n o o 埘 晓z ， 电缆充电电流试验的研究 c = “：+ 甜： ( 2 3 ) f ：c 堕( 2 4 ) z 小页础一去) 稳态分量甜：(f)2量(一，去)2葫u_sin(1。耐+矿) 暂态分量甜：o ) 微分方程的特征方程为： 另= 一盖+ j 筹一去划+ 孺 最= 一轰- j 等一吉“一扩习 式中，艿= 轰称为衰减系数或阻尼系数；m 。= 了杀称为无阻尼震荡系数厶b、，l l 占和国。由线路参数r ，工，c 决定，万和相对大小决定了电路暂态过程 根据实际情况r 2 j 考( 即艿 ) ，将产生震荡情况 在这种情况下，只和b 是一对共轭复根，即： p 、：一8 七蹁= 一8 七j 耵= 一6 j 沈阳工业大学硕士学位论文 氏= 一6 一隔= 一8 一j 雨：一一j 式中国= 耵舻轰。 把只和最的值代入式( 2 2 ) 得： “：= 4 口一5 + 4 + 爿2 p 。扣归”= 4 l p 一量7 耐+ 4 2 p 一矗+ 埘= 4 p 一盘卫删+ 4 2 p 一矗p 一扣 = p 一。+ 彳2 ) c o s 耐+ _ ，0 i 一一2 ) s i n 耐】 = p 一”0 3c o s 研+ 以s i n 删) 式中以= 4 + 爿：，以= _ ，“一一：) 令爿3 = 彳s i l l ，以= 彳c o s 于是上式可写为： “；= 口一拉一【s i n c o s 删。+ c o s s i i l 删】= 彳e 一毒s i l l + ) f o( 2 5 ) f = c 等= d e 。【_ j s i l l 协+ ) + m c o s 妇+ 伊) 】 ，。( 2 6 ) 由于“c = 甜：+ “： 将初始条件甜。( o + ) = 。( o 一) = o ，和+ ) = f ( o 一) = o 代入式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 中，设 u t o = u 。s i l l 缈，得： 4 s i l l + u t o = 0 ( 2 7 ) c _ 卜万s i n + m c o s ) = o ( 2 8 ) 从式2 6 得： 秽= 尝= 詈 因为珊= 止稃，所以，。和艿的关系可用一个直角三角形表示，可得 s i i l ：旦，将此式代入式2 7 得： 电缆充电电流试验的研究 爿：一堕：一坐 f ：一竺生以。g 一。s i n ( 晓簪+ 夕) f 2 0 “c = ”：+ ：= “一竺生u 柑p 一童s i n g ”+ ) f 2 0 扛c 錾：骘堂! ! 坐尘；+ 选。气i i l 国f 川 出州( 1 0 0 庇一志) 越 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 豁l 。害2 j i 南u m s i n ( 1 。兀f + 妒) 一专u t o e 一4s i n q 靠一芦) 铲船爿考等+ 吣幽， i n 小0 0 小赢j i u u j l 2 2 过电压的峰值的影响 f 2 0( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 从图2 1 上可以看出电源侧电压的测量点a 和负载侧电压的测量点a 都在紧 贴断路器的位置，所以合闸后电源侧和负载侧的电压是一致的。由式2 9 可以看 出，合闸瞬间的电源电压为c ，m 时，电容上会出现最大压降，并且由于电阻的存 在，电压一定小于2 c ，m 。如果合闸时负载电容上有残余电荷，产生残余压降砜， 当关合线路时，电源电压为峰值u 。= 9 0 0 ) ，若骗与【，m 极性相同，则致使过 电压减小( 如图2 3 所示) ；反之若与【，m 极性相反，可出现大于两倍c ，m 的 过电压( 见图2 4 所示) 。 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 3 砜与极性相同 f i g 2 3 砺锄du 二w 劬t h cs 锄ep o l 撕t y ，h 舸“k 一 ， ， ， ， ， 1西 图2 4 “与玑极性相反 f i g 2 4 砺d w 纳t 1 1 eo p p o s i t ep o l 撕t y 标准中规定每次合闸前，负载侧电容必须放电，这可以有效的限制合闸时出 现大于两倍u 。的过电压。在试验的过程中，必须严格执行，否则将产生较高的 过电压对断路器产生不利的影响，甚至造成试验失败。 2 3 过电压的限制 产生过电压的根本原因是由工与c 的振荡造成的，而电阻r 可以使衰减加 快，r 增大可以降低过电压峰值。在不违反标准规定的情况下，试验室可以调整 线路电抗三值，降低振荡频率；调整负载电阻提高衰减速度来降低过电压峰值。 2 4 涌流峰值和频率的影晌 涌流的频率较高，可达几百到几千赫；幅值比正常工作电流大几十倍，但衰 减很快且持续时间很短，一般小于2 0 m s ，具体时间与电容c 和电感值的大小 比例有关。在关合电容器组时，涌流过大可能造成断路器触头熔焊、烧损，涌流 产生的电动力可能会使零件损坏，还可能给电流互感器和串联电抗器造成绝缘损 伤等。而电缆充电电流试验要求的试验电流只有几十安，合闸涌流造成的影响不 是很大，一般不会造成负面影响。由于涌流峰值比正常时高很多，频率也较高， 这对测量的采样速度提出了严格的要求，否则采集的波形图不能真实的反映实际 情况。 电缆充电电流试验的研究 2 5 涌流的限制 标准中明确的规定了可以用最大值为5 容抗的无感电阻与电容器串联，更 高的电阻值可能会过分的影响恢复电压。如果串联这个电阻之后，峰值涌流仍然 高得不可接受，只要开断瞬间的电流和电压条件以及恢复电压没有明显的偏离规 定值，可以用一个替代阻抗( 例如r ) 来替代电阻。但是采用该替代阻抗应注 意，因为该替代阻抗在复燃后会产生过电压，将可能导致更进一步复燃或重击穿。 建议尽可能不要采用这种方法，更进一步复燃或重击穿的后果将会比峰值涌流更 加严重。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 开断电缆充电电流的分析 3 1 单相电缆充电电流开断的分析 首先从最简单的情况开始分析，按照不考虑测量设备的存在( 如图3 1 所示) 来计算进行单相试验时分闸后的电源侧恢复电压的变化情况。 o 面 图3 1 带调频回路的单相试验原理图 f i g 3 1 砸n c i p l ec h a no f s i n g l e - p i l 獬储tw i m 舶q n c y - m o d u l a t i o nc i r c u i t 由于调频回路的存在，回路中的电感和电容将产生振荡，也就是瞬态恢复电 压，经过很短时间达到稳定后，就成了工频恢复电压。 假设电源电压为：“= 【，。s i n f + 妒) ( 3 1 ) 断路器开断前，k = 以= u 一l ( 3 2 ) 断路器开断后，”。、甜：将发生变化。假如电弧在电流过零时熄灭，电压“。、 “，正好处在峰值，我们分别分析图3 1 中a 点和a 点的电压变化。 a 点：电流过零，电弧刚熄灭时，正好到达电压峰值，u m = 互p 一三k ) 。 电弧熄灭后a 点的稳态电压为= 一吼= 材c o + ”因此a 点的电压将由【， m 变 电缆充电电流试验的研究 化到，这一过程以振荡形式出现，振荡频率为2 丢习奇衰减系数为 艿：喜。瞬态过程是一个振荡衰减的过程，这个过程在几百微秒后将衰减结束， 2 工 一 并且工频电压幅值是瞬态电压幅值的上百倍，瞬态电压对开断的过程影响很小， 所以一般情况可以不考虑这个过程。 由于标准要求电源侧t r v 不能比t 1 0 0 s 的t r v 苛刻，如果参照t l o o s 的t r v 值，调频回路的容抗值是电源回路的电抗值几万倍，所以电源回路的压降可忽略 不计，即 “a = u 。s i n 白r + 伊) ( 3 3 ) a 点：甜。= u 。= u m = 互p 一。) ( 3 4 ) 断路器的恢复电压为：“。= 一。由图3 2 可见在电流过零后1 0 m s ，“。达到 最大值，由于三、r 值都很小，为了分析方便起见，认为甜。zc ，。，即 甜。= 一“。= 2 ( ，。，。假使f ：时刻弧隙介质强度不能耐受恢复电压的作用，产生 ( b ) 图3 2 电流和恢复电压波形图 f i g 3 21 1 1 ec u r v e so f c u r r 耐卸d 嗽o v e r yv 0 1 诅g e 沈阳工业大学硕士学位论文 a ) 电流波形图”恢复电压波形图 a ) t h ec u r v 嚣o f c u n 舶tb ) 1 1 l ec u r v e so fr e c o v e r yv o l t a g e ( b ) 图3 3 断口发生重击穿的电流和电压波形图 f 培3 3t h ec a r v e so f c u n 屯m 锄dv o l t a g ew t 麟l 蛹k eo c c 谢n gk t w nm e 卿 a ) 电流波形图b ) 恢复电压波形图 a ) t h ec u r v 船o f c 哪n tb ) t h ec u r v 豁o fr c c o v e r yv o l t a g e 重击穿( 如图3 3 所示) 。这个过程近似地相当于电压为u ：的直流电源经电感三 突然加在电压为一：的负载电容上，电容上将出现振荡电压 = u 。= 【，。= 芝( u 一。) 。 电容电压作用：= 堕u 。p 。由s i i l ( 缈+ ) 根据标准要求和实际情况， ，m * 。，吉 警，所以“c = 等u 。e m s t n o ，+ ) = u 。c o s 国r 电源电压作用c = 材，一生u 。p 一。s i n + ) = “t u 。c o s 研与击穿时刻 有关系。 电缆充电电流试验的研究 总作用：c5 “一詈e 。s i n 鼢+ ) + 等e 4 s i n 伽+ ) ( 3 5 ) = 一u 吐 c o s 缈f + u mc o s f 由于振荡频率高，f 3 一f ：很小，时刻很快到达，“m u t 2 所以击穿后电压最大值在f = f 3 时刻出现，为u = - 2 u m u 。此时电流 正好过零，如果开断，电容上将残留电压为【，。= - 2 u 。+ u 。，如果击穿时刻 u 似= 【，m ，将电容上将残留电压出现最大电压= 3 u 。，开断后，断路器的恢 复电压又将上升，最高恢复电压可达4 u 。，断口更容易发生重击穿，之后电容上 的电压可达到5 u 。，开断后断路器的最高恢复电压可达6 u 。，依此类推电容上将 残留电压将按照奇数增长，断路器的最高恢复电压将按照偶数增长，可见如此下 去断口更难开断，对线路中的设备造成严重威胁。但实际情况不一定在电压峰值 位置重击穿，重击穿后也不一定在第一个电流零点开断，那样就不会产生那么高 的过电压。 发生复燃时，只是相对于燃弧时间加长，不会产生过电压；从前面分析可见 重击穿会产生过电压，因此开合容性回路不出现重击穿的断路器开断时不会出现 过电压。如果断路器分闸速度快，可以增加断路器动静触头间的分开距离，增高 弧隙介质强度，就有可能避免断口出现重击穿。所以断路器开断容性回路应提高 分闸速度，有利于开断。 3 2 三相电缆充电电流开断的计算 经过对单相电缆充电电流试验回路的计算、分析，得出由于电感l 、电阻r 很小，在开断过程中对电压的影响很小；调频回路的的阻抗值太大，对开断后电 压的影响也很小。由于三相电缆充电电流试验回路的计算更为复杂，为了方便起 见，在此不考虑电感l 、电阻r 、电容c o 和电阻的存在，以纯容性回路来进行 计算。电源为星型接法，中型点不接地，负载回路为中型点接地的星型接法( 如 图2 1 所示) 。设三相电源电压为： 沈阳工业大学硕士学位论文 甜a 0 = ，mc o s ( 1 0 0 冗f ) ”c o s ( 谢一等) 妒c o 扣甜+ 訇 各相电流f 、f b 、乇超前电压9 0 。 ( 3 6 ) 假定触头分开后，在 时，彳相电流先过零熄弧，爿点电压为甜 0 ，由于回 路中阻抗的存在，开断时刻电压的相位角小于9 0 。，电压小于峰值，而阻抗所占 比例很小，所以电压微小于峰值。又由于感抗的存在，将使开关位置的电压有一 定的升高，而感抗所占的比例很小，所以电压升幅有限。综合考虑，近似的认为 开关处的电压“。= 。 所以各相开关处的电压及电源中性点d 的对地电压为： u 。= u 。 ( ，：【，：一生( 3 7 ) 吣1 u 。一= u b o u = o 以后，a 相电容电压u 。，= u 。保持不变，而b 、c 两相电源继续供电，因 而l ，。，“。，“0 0 将按下式变化： 甜。- = u 。 = 一扛+ 拉= 毛+ 孚虬c o s ( - o o 砑一司 炉一扛一扛= 一扛一手c o 扣耐一三) s ， 飞嘞= 一扛+ 孚虬c o s ( 姗耐一守帅s ( 1 0 0 瓜) = o 5 c 厂m ( c o s l o o 耐一1 ) a 点对地( d 点) 电压为： “ o = “ 0 + “= u 。c o s l o o 耐+ o 5 u 。( c o s l o o 耐一1 ) = o 5 u 。( 3 c o s l o o 耐一1 ) ( 3 9 ) 电缆充电电流试验的研究 a 相电弧熄灭后，断路器a 相的恢复电压为： “= “ 4 = 甜 o - 一“。= o 5 u 。( 3 c o s l o o 耐一1 ) 一u 。= 1 5 u 。( c o s l o o 耐一1 ) ( 3 1 0 ) 式3 1 0 适用于a 相电弧熄灭后o o 9 0 0 电角度的范围内。a 相电弧熄灭后9 0 0 电角度即1 0 0 耐= 兰时，电流过零，三相电路完全开断。在此瞬间，各相电容 电压及电源中性点电压可得出，为： l 【，。= u 。 防嚣：凝黧。 l u 。= _ o 5 ，。一o 8 7 c ，。= 一1 3 7 u 。 【u o o = - 0 5 u 。 从图3 4 上可以清晰的看到三相负载电压的大小变化情况。 各相电源侧a 、b 、c 点的对地电压为； 材矗= “a o + 【，0 0 一= u mc o s l