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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utr=uA+uB，其变化曲线见图4。这种故障在数公里（0.58km）内最严重，所以叫做近区故障。图2 图3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（uc）高，对额定电压126kV，在中性点不接地系统中，uc=321kV。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。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1100kV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） 图7 图8 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