高压断路器和隔离开关的原理与选择.ppt

第六章导体和电气设备的原理与选择 第二节高压断路器和隔离开关的原理与选择 教学内容 本节教学内容一 电弧的形成与熄灭二 断路器开断短路电流时的工作状况分析三 高压断路器的选择四 隔离开关的选择 首页 一 电弧的形成与熄灭 1 电弧 是一种气体游离放电现象 2 产生电弧的条件 用开关电器开断电源电压大于10 20V 电流大于80 100mA的电路时 就会发生电弧 3 电弧的特点 能量集中 温度很高 亮度很强 电弧是良导体 4 电弧的利用 电弧在工业上有很多有益的应用 例如 利用其高温的电弧焊接机 电弧炼钢炉等 5 电弧的危害 在开关电器中 电弧是有害的 要求尽快地熄灭 否则会烧坏开关触头 误拉隔离开关会造成相间短路和人身伤亡 第二节高压短路器和隔离开关的原理与选择 一 电弧的形成与熄灭 一 电弧的形成与熄灭 1 电弧的产生与熄灭 游离 中性质点分解成自由电子和正离子 去游离 电子和正离子相互吸引还原为中性质点 1 电弧的产生 强电场发射 E U s大于3 106V m时 金属触头阴极表面就会发射自由电子 热电子发射 在开关分闸时 动静触头之间的接触压力和接触面积减小 接触电阻增大 接触表面发热严重 产生局部高温 阴极金属材料中的电子获得动能而逸出成为自由电子 加速运动 自由电子 在强电场的作用下 向阳极作加速运动 碰撞游离 加速运动获得动能的自由电子在运动中与中性质点发生碰撞 中性质点中的电子获得能量产生跃迁 跳到能级更高的轨道上 如果获得的能量足够大 自由电子就能脱离原子核的束缚 游离成自由电子和正离子 雪崩 游离的结果导致触头间自由电子数量剧增 介质击穿产生电弧 剧增的电子形成电流 介质被击穿而产生电弧 一 电弧的形成与熄灭 2 电弧的维持与发展 由于电弧的r小 电弧形成后 触头间的电压和电场强度很低 强电场发射停止 由于电弧在燃烧过程中温度很高 可达到几千度甚至上万度 阴极表面继续进行热电子发射 一 电弧的形成与熄灭 另一方面介质的分子和原子在高温下将产生强烈的分子热运动 获得动能的中性质点之间不断地发生碰撞 游离成自由电子和正离子 此即所谓热游离 热发射和热游离给弧隙提供了大量的自由电子 电流继续流过 电弧的燃烧得以维持 3 电弧的熄灭 复合去游离 正离子和负离子相互吸引而中和成为中性质点的过程 自由电子的v远大于正离子 它们直接复合的可能性很小 往往是自由电子先附着在中性质点上 形成负离子 运动速度大大减慢 此时正离子和负离子更容易复合 扩散去游离 自由电子和正离子逸出电弧而进入周围介质中 被周围介质冷却而复合的过程 由于电弧内外的电荷浓度及温差的不同 自由电子和正离子将向浓度和温度都低的周围介质中扩散 在低温处 电子和离子的v减慢而复合成为中性质点 一 电弧的形成与熄灭 电弧的熄灭 电弧的燃烧是由游离过程维持的 但在电弧中同时还进行着相反的使带电质点数量减少的去游离过程 游离作用等于去游离作用 新增加的带电质点数量与中和的数量相等 电弧稳定燃烧 游离作用大于去游离作用 电弧燃烧加剧 游离作用小于去游离作用 则电弧中的带电质点数量减少 最终导致电弧熄灭 一 电弧的形成与熄灭 2 交流电弧的熄灭 1 电弧电流交变 每半个周期过零一次 此时电弧因失去能量而自然熄灭 2 由于热惯性 弧柱温度的变化滞后于快速变化的电流 所以交流电弧的伏安特性是动态的 如图2 1 所示 在电流增大时 温度来不及增高 弧隙电阻来不及减小 在电流减小时 温度来不及减小 弧隙电阻来不及增大 故图6 1 a中正方向电流增大时的曲线在电流减小时的上方 A点是电弧产生时的电压 称为燃弧电压 B点是电弧熄灭时的电压 称为熄弧电压 图6 1 一 电弧的形成与熄灭 1 交流电弧熄灭的条件 1 熄灭交流电弧的最佳时机 交流电弧每半周期自然熄灭是熄灭交流电弧的最佳时机 2 在电流过零后 弧隙中存在着两个恢复过程 a 介质强度恢复过程 由于去游离作用的加强 弧隙间的介质逐渐恢复其绝缘性能 以耐受的电压Ud t 表示 b 弧隙电压恢复过程 电源电压要重新作用在触头上 弧隙电压将从熄弧电压逐渐恢复到电源电压 用Ur t 表示 一 电弧的形成与熄灭 a 弧隙介质强度恢复过程 起始介质强度 近阴极效应 在电流过零后的0 1 1 s的短暂时间内 阴极附近出现150 250V的起始介质强度 称为近阴极效应 一 电弧的形成与熄灭 图6 4 原因 在电流过零的瞬间 弧隙电压的极性发生变化 弧隙中的自由电子立即向新阳极运动 正离子质量大 基本未动 在新阴极附近就形成了只有正电荷的不导电薄层 阻碍阴极发射电子 呈现出一定的介质强度 如图6 4所示 起始介质强度出现后的介质强度的恢复这是一个复杂的过程 它与电弧电流 介质特性 冷却条件和触头分断速度有关 b 弧隙电压恢复过程 电弧为纯电阻性质 电弧电流与弧隙电压同相位 电弧电流过零时 弧隙电压接近零 短路时电路电阻很小 电路呈感性 电弧电流与电源电压不同相位 电弧电流过零时 电源电压不等于零 由于电路参数L C的存在 电弧熄灭后 弧隙电压不可能立刻由熄弧电压上升到电源电压 一般弧隙恢复电压是一个过渡过程 它将从瞬态 振荡 恢复电压逐渐过渡到工频恢复电压 图6 5 3 交流电弧熄灭的条件 电流过零后 电弧能否熄灭取决于两个恢复过程作用的结果 如果弧隙电压恢复过程上升速度较快 幅值较大 弧隙电压恢复过程大于弧隙介质强度恢复过程 介质被击穿 电弧重燃 如图6 6 a所示 如果弧隙介质强度恢复过程始终大于弧隙电压恢复过程 则电弧熄灭 如图6 6 b和6 6 c所示 故交流电弧熄灭的条件应为 Ud t Ur t 图6 6 如果能够采取措施 防止弧隙恢复电压振荡 将周期性振荡特性的恢复电压转变为非周期性恢复过程 电弧就更容易熄灭 如图6 6 c所示 图6 6 一 电弧的形成与熄灭 2 熄灭交流电弧的基本方法 加强弧隙的去游离 提高介质强度的恢复速度和降低弧隙电压的上升速度与幅值 是高压断路器中熄灭电弧的基本方法 1 利用灭弧介质 在高压断路器中 广泛采用去游离作用强的灭弧介质灭弧 2 采用特殊金属材料作灭弧触头 采用铜 钨合金和银 钨合金等特殊金属材料作触头 这些材料在高温下不易熔化和蒸发 抗熔焊 可以减少热电子发射和高温分解产生的金属蒸气 削弱了游离作用 一 电弧的形成与熄灭 一 电弧的形成与熄灭 3 利用气体或油吹动电弧 吹弧是指利用各种结构形式的灭弧室 使高温分解的气体或具有很大压力的新鲜且低温的气体在灭弧室中按特定的通路 吹动电弧 加强扩散和复合去游离而使电弧熄灭的方法 4 采用多断口熄弧 某些电压等级较高的断路器采用多个灭弧室串联的多断口灭弧方式 多断口将电弧分割成多段 在相同触头行程下 增加了电弧的总长度 弧隙电阻迅速增大 介质强度恢复速度加快 使每个断口上的恢复电压减小 降低了恢复电压的上升速度和幅值 提高了灭弧能力 5 提高断路器触头的分离速度 加快断路器触头的分离速度 可以迅速拉长电弧 使弧隙的电场强度骤降 弧隙电阻和电弧的表面积突然增大 电弧的冷却加快 有利于带电质点的扩散和复合去游离 一 电弧的形成与熄灭 二 断路器开断短路电流时的工作状况分析 目的 找出恢复电压不振荡的条件及防止振荡的方法 断路器开断短路电流时的电路如图6 4a所示 其等效电路如图6 4b所示 R L为电源和变压器的电阻和电感 C可以认为是变压器绕组及连接线对地的分布电容 r为断路器触头并联电阻 图6 4 1 弧隙电压恢复过程分析 二 断路器开断短路电流时的工作状况分析 熄弧后 从瞬态恢复电压过渡到电源电压的时间很短 一般不超过几百微秒 可近似认为电源电压不变 故电源用直流电源U0来代替 假设与初始条件 i 0时是时间的起点 即t 0 断路器开断短路电流时的弧隙电压恢复过程相当于二阶电路过渡过程中 电容C两端的电压变化过程 即 如图6 7b所示 当开关S闭合时 有 二 断路器开断短路电流时的工作状况分析 整理后 可得线性常系数微分方程 其特征根为 微分方程通解为 二 断路器开断短路电流时的工作状况分析 式中c1 c2 积分常数 其值由初始条件决定 可解得 代入微分方程的通解可得短路器触头的恢复电压为 二 断路器开断短路电流时的工作状况分析 二 断路器开断短路电流时的工作状况分析 一般变压器绕组电阻 略去不计 得 从上式可以看出 由于特征根为负实根 故弧隙电压恢复过程为非周期性的 如图6 8曲线3所示 略去不计 故上式最大值不会超过U0 进一步化简得 二 断路器开断短路电流时的工作状况分析 忽略高压电网的R后 若电网参数满足4r2C L 0 25时特征根为 则 可见 恢复电压最大值不会超过U0 如图6 5所示 二 断路器开断短路电流时的工作状况分析 对上式微分 可得电流过零时的恢复电压上升速度 V s 为 由上式可知 触头并联电阻r可以降低恢复电压的上升速度 r越小 恢复电压的上升速度越低 式中 衰减系数 电路固有震荡频率 二 断路器开断短路电流时的工作状况分析 利用欧拉公式化简 得 从上式可以看出 1 2为共轭复根时 弧隙电压恢复过程为衰减的周期性振荡过程 如图6 6曲线2所示 从图中曲线2可以看出 周期性振荡过程的恢复电压上升速度较快 幅值较大 给电弧的熄灭带来难 如果断路器触头没有装设并联电阻 r 时 忽略R 则 式中 震荡频率 二 断路器开断短路电流时的工作状况分析 a 周期性振荡过程中的弧隙恢复电压最大值可达2U0 如图6 6曲线1所示 b 上升速度取固有振荡频率的半个周期内的平均速度 由 得 二 断路器开断短路电流时的工作状况分析 图6 6 二 断路器开断短路电流时的工作状况分析 不计R 从而得 在此种情况下 弧隙电压恢复过程仍是非周期性的 但处在临界情况 忽略R 临界并联电阻值为 a 当r rcr时 弧隙电压恢复过程为非周期性 在断路器触头间并联低值电阻 几欧至几十欧 可以改变弧隙电压恢复过程的上升速度和幅值 可以将弧隙恢复电压由周期性振荡特性恢复电压转变为非周期性恢复电压 大大降低了恢复电压的上升速度和幅值 改善了断路器的灭弧条件 b 当r rcr时 弧隙电压恢复过程为周期振荡性过程 对电弧熄灭不利 临界并联电阻值 二 断路器开断短路电流时的工作状况分析 2 不同短路形式对断路器开断能力的影响 1 断路器开断单相短路电路当电流过零 工频恢复电压瞬时值为U0 Umsin 通常短路时 功率因数很低 一般cos 0 15 所以sin 1 此时U0 Umsin Um 即起始工频恢复电压 近似地等于电源电压最大值 二 断路器开断短路电流时的工作状况分析 2 断路器开断中性点不直接接地系统中的三相短路电路 a 电路图 b 相量图图6 7A相电弧熄灭后等值电路及相量图 二 断路器开断短路电流时的工作状况分析 A相首先开断 电流过零后电弧熄灭 此时 B C相仍由电弧短接 A相断路器靠近短路侧触头的电位 此时仍相当于B C两相线电压的中点电位 由图6 7 b 可知 可知 A相开断后 断口上的工频恢复电压为相电压的一倍半 6 24 二 断路器开断短路电流时的工作状况分析 经过0 005s 电角度90 后 B C两相的短路电流同时过零 电弧同时熄灭 电源电压加在B C两相弧隙上 每个断口将承受一半电压值 即 断路器开断三相电路时 其恢复电压通常是首先开断相为最大 所以 断口电弧的熄灭 关键在于首先开断相 5 32 二 断路器开断短路电流时的工作状况分析 经分析 当系统零序阻抗与正序阻抗之比不大于3时 其首先开断相的恢复电压的工频分量为相电压的1 3倍 第二开断相恢复电压的工频分量可为相电压的1 25倍 最后开断相就变为单相情况 也就是相电压 即 3 断路器开断中性点直接接地系统中的三相接地短路电路 二 断路器开断短路电流时的工作状况分析 三 高压断路器选择 一 高压断路器的作用和类型 1 高压断路器的作用 高压断路器内有灭弧介质和灭弧装置 可以熄灭接通或开断电路时产生的电弧 其作用是 1 在正常运行时接通或断开有负荷电流的电路 2 在电气设备出现故障时 能够在继电保护装置的控制下自动切断短路电流 2 高压断路器的分类 根据灭弧介质的不同 高压断路器可以分为以下几种类型 1 油断路器以具有绝缘能力的矿物油作为灭弧介质的断路器 多油断路器 断路器中的油除作为灭弧介质外 还作为触头断开后的间隙绝缘介质和带电部分与接地外壳间的绝缘介质 少油断路器 油只作为灭弧介质和触头断开后的间隙绝缘介质 而带电部分对接地之间采用固体绝缘 例如瓷绝缘 2 六氟化硫 SF6 断路器采用SF6气体作为灭弧介质和触头断开后的间隙绝缘介质的断路器 SF6气体是一种无色 无味 无毒 不燃的惰性气体 具有优良的灭弧性能和绝缘性能 3 真空断路器以真空的高介质强度实现灭弧和绝缘的断路器 4 压缩空气断路器采用压缩空气作为灭弧介质和触头断开后的间隙绝缘介质的断路器 三 高压断路器选择 二 高压断路器的技术参数 高压断路器的技术性能常用以下技术参数来表征 三 高压断路器选择 额定电压是指高压断路器长期正常工作的线电压有效值 该参数表征了断路器长期正常工作的绝缘能力 额定电流是指高压断路器在规定条件下 可以长期通过的最大电流 该参数表征了断路器承受长期工作电流产生的发热量的能力 在额定电压下 高压断路器能可靠开断的最大短路电流有效值 该参数表征了断路器的灭弧能力 3 额定开断电流 2 额定电流 1 额定电压 额定关合电流是指在规定条件下 断路器能关合不致产生触头熔焊及其他妨碍继续正常工作的最大电流峰值 4 额定关合电流 热稳定电流是指在断路器在合闸位置t 单位为秒 时间所能承受的最大电流有效值 5 热稳定电流 该参数表征了断路器耐受短路电流热效应的能力 t称为热稳定时间 动稳定电流是指断路器在合闸位置所能承受的最大电流峰值 该参数表征了断路器承受短路电流电动力效应的能力 6 动稳定电流 7 分闸时间 分闸时间 也称全开断时间 是指断路器从接到分闸命令起到各相触头电弧完全熄灭为止的一段时间 它等于断路器的固有分闸时间与燃弧时间之和 三 高压断路器选择 8 合闸时间 合闸时间是指断路器从接到合闸命令起到各相触头完全接触为止的一段时间 三 高压断路器的选择 1 种类和型式的选择 种类 6 10kV电网一般选择少油 真空和六氟化硫断路器 35kV电网一般选择少油 真空和六氟化硫断路器 某些35kV屋外配电装置也可用多油断路器 110 330kV电网一般选择少油和六氟化硫断路器 500kV电网一般选择六氟化硫断路器 2 额定电压选择 UN UNs 安装地点 屋内和屋外 3 额定电流选择 IN Imax 4 额定开断电流选择 断路器的额定开断电流INbr应不小于其触头刚刚分开时的短路电流有效值Ik 即INbr Ik 三 高压断路器选择 开断计算时间tbr 从发生短路到断路器的触头刚刚分开所经历的时间 为保证断路器能开断最严重情况下的短路电流 开断计算时间等于主保护动作时间tpr1与断路器固有分闸时间tin之和 即 tbr tpr1 tin 1 对于非快速动作断路器 其tbr 0 1s 可略去短路电流非周期分量的影响 简化用短路电流周期分量0s有效值I 校验断路器的开断能力 即 INbr I 2 对于快速动作断路器 其tbr 0 1s 开断短路电流中非周期分量可能超过周期分量的20 需要用tbr时刻的短路全电流有效值校验断路器的开断能力 即 三 高压断路器选择 Ipt为触头刚刚分开tbr时的短路电流周期分量有效值 在此可取Ipt I 为短路电流非周期分量衰减时间常数 其中 X R 分别为电源至短路点的等效电抗和等效电阻 5 额定关合电流选择 如果在断路器关合前已存在短路故障 则断路器合闸时也会产生电弧 为了保证断路器关合时不发生触头熔焊及合闸后能在继电保护控制下自动分闸切除故障 断路器额定关合电流iNcl不应小于短路电流最大冲击值 即 iNcl ish 三 高压断路器选择 6 热稳定校验 7 动稳定校验 ies ish 三 高压断路器选择 四 隔离开关的选择 隔离开关没有专门的灭弧装置 不能用来接通或切断负荷电流和短路电流 否则 将产生强烈的电弧 造成人身伤亡 设备损坏或引起相间短路故障 隔离开关的作用如下 1 隔离电源在检修电气设备时 为了安全