开关电器开断时弧隙上的电压变化过程

1、开关电器开断时弧隙上的电压变化过程1.开断三相电路时首开极弧隙上的恢复电压恢复电压(recovery voltage)开断电流熄弧后，出现于开关一个极的两端子间的电压。该电压可以认为是连续的两段连续的两段，起初是瞬态恢复电压，接着是工频恢复电压。瞬态恢复电压（transient recovery voltage, 简称TRV）：具有显著瞬态特性时间内的恢复电压。工频恢复电压（power-frequency recovery voltage，简称PFRV）：瞬态电压现象消失后的恢复电压。以上的基本概念是根据IEC标准和国家标准给出的。（1 1）恢复电压的基本概念）恢复电压的基本概念对开关电器开断

2、性能来说，在熄弧过程中起重要作用的恢复电压对开关电器开断性能来说，在熄弧过程中起重要作用的恢复电压正是瞬态恢复电压，但它的大小又受到工频恢复电压大小的影响。正是瞬态恢复电压，但它的大小又受到工频恢复电压大小的影响。 另外还有一种分析方法，也符合电工术语标准，即把恢复电压看成是它的工频分量和非工频衰减分量两部分叠加。这在数学分析上较为有用，从时间上自始至终将恢复电压看成是两个分量的叠加。这两种分法从原则上讲并不矛盾，但不能混淆。这是两种不同场合的规定，是不同的名词术语，且本身含义也不同。既不能简单地把恢复电压与瞬态恢复电压等同，又不能把恢复电压的工频分量就叫做工频恢复电压。 （2 2）开断单相电

3、路时的恢复电压）开断单相电路时的恢复电压在断路器出口处发生短路，则断路器DL打开，产生电弧。在电弧电流过零时电弧熄灭，于是在间隙两端将发生一个电压恢复过程，最后间隙上的电压即为电源电压。显然，间隙上的电压恢复过程同时受到电网参数和弧隙参数两方面的作用。 sinmeUtRLZCDLsinmeUtRLCBrDL假定断路器 DL 为一个带有并联电阻 rB的理想弧隙（带有 rB的目的是使讨论情况具有一般化。rB代表的具体意义可有不同，后面将陆续提到）这样， 在触头未打开和电弧燃烧时， 触头两端没有压降。 电路中的电流为正弦电流； 熄弧后，弧隙即为介质，其残余电阻为无限大。而熄弧时的电压即为熄弧电压XU

4、（理想弧隙时，XU应为零。这里考虑XU是为了兼顾到一般情况） 。 L、R 为发电机和线路的电感与电阻（都看作为集中参数） 。C为发电机、断路器、线路等在断路器触头处的等效总电容。通常实际电压恢复过程的时间很短，为便于分析，认为在此过程中电源电压瞬时值的变化并不大，以一常数0E来代表，0E为电流过零时熄弧瞬间的电源电压瞬时值。 断路器 DL 打开后间隙两端的电压恢复过程，实际上就是电源向电容C的充电过程。当开关K 闭合后在间隙上的电压变化过程就是间隙两端的电压恢复过程。 在K闭合瞬间， 间隙上的电压为XU，即熄弧电压值，取负号表明与电源电势反向。 BrCBhfhfrChfridtiCrudtdu

5、CiiiEuRidtdiL10LCEuBdtduBdtudhfhfhf02122LCLCrRBCrLRBBB1121从特征方程的根可以看出： 若 LCLCrRCrLRBB12122 (1) 则21,为实数，微分方程可得到非周期性过程的解答。 若 LCLCrRCrLRBB12122 (2) 则1和2为实数重根，仍得非周期性解答。 若 LCLCrRCrLRBB12122 (3) 则1和2为虚数。微分方程得到周期性过程的解答。 tXhfeUEEu1)(00第一种情况v此时电压恢复过程为非周期性的，最大值不会超过工频电源电压的幅值。v恢复电压由两部分所组成。一是稳态分量；另一是与稳态分量反向的衰减分量

6、，是非周期性的上升特性。 第二种情况（临界情况）tXhfetUEEu)1)(00恢复电压仍是一个非周期性的过程，且最大值也不会超过工频电源电压的幅值。 电阻 R 串联在回路中，如令Br，即不考虑触头上的并联电阻，则式（2）变为： LCLR122 满足这一条件时的串联电阻值称为临界串联电阻LjR CLRLj2 要使这个电路得到非周期性的恢复过程，就必须使串联电阻 R 不得小于CL/2，即电阻要足够大。但是对于电路短路情况来说，R 数值很小，因此一般不发生非周期性的电压恢复过程。 当线路参数当线路参数L与与C为已知定值时，分析电阻为已知定值时，分析电阻R与的数值和作用与的数值和作用 在考虑并联电阻

7、Br的作用时，认为 R也是已知定值，且通常1/BrR，则式（2）近似为： LCCrLRB12122 满足这一条件时的并联电阻 rB的值称为临界并联电阻LjR。 则 )(21LRLCCRLj 当 R 很小时，还可近似成更简单形式：)(21CLRLj 如并联于理想弧隙上的电阻LjBRr 时，电压恢复过程为非周期性；而当LjBRr 时，就为周期性过程。 第三种情况teUEEutXhf100cos)(CrLRB212212121CrLRLCrRLCBB如果考虑tEeMcos且电弧电流过零时的电源电压瞬时值为)2/cos(tEM，为电路功率因数角，那么恢复电压表达式为： teUEtEutXMMhf1co

8、s)sin(2cos 显然，其中的稳态分量就是电源的工频电压。 如果当弧隙上的并联电阻Br时，即没有并联电阻。 是一个理想弧隙，则： LR20 称为线路的固有振幅衰减系数； LCLRLC12120 称为线路的固有振荡角频率。 而 LCf121200 称为线路的固有振荡频率。 显然，000,f都只是与线路本身的参数有关，与弧隙无关。 因此称它们是线路所固有的特性参数。 在不计衰减时，00。则理想弧隙上的电压变化的关系式： tUEEuXMMhf0cos)( 当0021fttM时，恢复电压达最大值。 XMXMMhfmUEUEEu2)( 如果电弧电流过零时，0E即为工频电源电压的幅值ME时，则恢复电压

9、的幅值可超过电源电压幅值的两倍。 当开断时触头上的电压恢复过程发生高频振荡，则恢复电压的幅值和恢复速度都随之增加，这对灭弧造成不利的影响。理想弧隙上的电压恢复过程只取决于电网的参数。而弧隙上的并联电阻可以改变恢复电压的特性，即改变恢复电压的幅值和恢复速度。当并联电阻的数值低于临界电阻时，还可把周期性振荡的恢复过程转变成非周期恢复过程。从而大大降低了恢复电压的幅值和恢复速度。即并联电阻可起增加断路器开断能力的作用。 在实际电路中，所遇到的情况并非象上述那么简单，而要复杂得多。不仅电压恢复过程可能是多频率的振荡过程，而且线路本身的参数也是分布的，因此计算只能等效近似地进行。弧隙参数对电压恢复过程的

10、影响实际弧隙与理想弧隙不同，电流过零后弧隙电阻并不一定立即变成无限大，有的情况还存在着残余电阻。正是由于有残余电阻，才使电弧过零后，间隙上所发生的电压恢复过程与间隙的介质强度恢复过程互相联系和互相影响。因此，弧隙参数对恢复电压的影响主要就是残余弧隙参数对恢复电压的影响主要就是残余电阻所起的影响电阻所起的影响。 如果把一个具有残余电阻的实际弧隙看成是一个理想弧隙与一个电阻的并联，而这个并联电阻就是残余电阻。残余电阻的存在降低了恢复电压的幅值和恢复速度，即残余电阻的存在降低了恢复电压的幅值和恢复速度，即对电压恢复过程起阻尼作用对电压恢复过程起阻尼作用。残余电阻大小的不同，使恢复电压可以是周期性的振

11、荡，也可以是非周期性过程。实际上，残余电阻是随时间变化的，因此阻尼作用的强弱也随时在变化着。 实际弧隙的电压恢复过程不仅取决于电网的参数，在很大程度上还取决于断路器的性能。而残余电阻的大小正是在一定条件下表征了电弧电流过零后弧隙的去游离强弱和介质强度恢复的快慢。存在着两种不同情况的实际弧隙：当弧隙的去游离作用很强时，介质强度的恢复就快，残余电阻就大（甚至接近或等于无限大）。此时弧隙上的电压恢复过程主要由电网参数来决定。 相反的，当弧隙去游离作用较弱时，残余电阻就小，电压恢复过程在很大程度上受到残余电阻的影响 。 （3）三相电路开断时的恢复电压中性点不直接接地系统的三相短路故障假定A相电流先过零

12、，且A极电弧熄灭 pAdUU5 . 1 首开极上的工频电压是1.5倍的电源相电压，并不是电源的相电压，这是因线路的影响所至。 经过5ms后，B、C两相电流同时过零而电弧同时熄灭，此时电源的线电压加在两个串联的断口上，如认为两断口是均匀分布，则每一断口只承担一半电压，但很快三相电压均向电源电压恢复。 中性点直接接地系统的三相接地短路故障首开极A极 熄弧时PadUU3 . 1即其工频电压为1.3倍的电源相电压。 从电路上看，紧接着A相过零的是C相，然后才是B相电流过零。第二开断极C极 熄弧时PcdUU25. 1即为1.25倍的电源相电压。 C相电流分断后，此时电路中电流只剩下B相一相，而在熄弧时的

13、工频电压即为电源相电压。 首开极系数从上面分析可看出，三极断路器分断时，三极断口所开断的电流大小和其上的恢复电压的大小均不相同。但均可得到以首开极为最高，即首开极的开断条件最为严酷。因此，根据约定，在不加明确说明时，三相系统中的恢复电压就是指首开极上的恢复电压。首开极系数即为首开极的恢复电压工频分量有效值与电源相电压有效值之比。 （4 4）瞬态恢复电压）瞬态恢复电压瞬态恢复电压的表示法 断路器必须在电网中可能出现的最严重的恢复电压下可靠分断。当断路器在进行开断能力试验时，所施加的恢复电压应该有一个统一的要求。这就对瞬态恢复电压应有一个共同的描述方法，并按此确定额定参数。现行标准中规定的额定瞬态

14、恢复电压的表示法有两种： 在某些情况下，特别是电压高于100kV的系统中，短路电流相对于所考虑点的最大短路电流而言是比较大的，瞬态恢复电压包括一个高上升率的起始阶段，继之而来的后一阶段上升率比较低。这种波形一般适宜于用四参数法确定的三条线段所组成的包络线来表示。 在另外一些情况下，特别是在电压低于100kV的系统中，或系统电压虽高于100kV而短路电流相对较小且经变压器供电的条件下，瞬态恢复电压接近于一种阻尼的单频振荡波，这种波形适宜用于两参数确定的两条线段所组成的包络线来表示。 （1）两参数加延时线法 以两个基本参数和三个附加参数组成： CU瞬态恢复电压峰值，kV； 3t峰值参考时间，s；

15、dt时延时间，s； U时延参考电压，kV； t时延参考时间，s。 因实际试验时，线路电容的影响，恢复电压起始阶段上升较慢，从而可能影响试验结果，故采用加延时线来限制，即试验时所加实际的瞬态恢复电压波形与延时线不能相交两点，最多只可相切于一点。 （2）四参数加延时线法 以四个基本参数和三个附参数组成： CU瞬态恢复电压峰值，kV； 2t峰值参考时间，s； 1U第一波幅值，kV； 1t第一波幅值参考时间，s； dt时延时间，s； U时延参考电压，kV； t时延参考时间，s。 四参数法比两参数法更科学、合理，尤其对电压等级较高、实际恢复电压可能是多频振荡的波形更加合适。 起始瞬态恢复电压（ITRV）

16、 在电压较高和容量大的电网中，在开断短路时，由于母线上电压波反射的结果，会在恢复电压起始上升的零点几微秒内出现一个比第一波幅值较低的高峰，这对熄弧又起很大影响，因此在额定值中又加进了额定起始瞬态恢复电压的要求，即起始峰电压iU，kV，和起始峰值时间it，s。 ITRV的上升率决定于开断的短路电流，而其幅值决定于沿母线到第一个不连续点的距离。额定ITRV表示为：在坐标原点与(ui，ti)点之间画的直线和从(ui，ti)点作水平线与规定的TRV时延线在A点相交的直线。 2.近区故障近区故障是指在大容量的系统中，距断路器出线端几百米至几公近区故障是指在大容量的系统中，距断路器出线端几百米至几公里的架

17、空线路上发生的短路故障，也有称为近距故障。里的架空线路上发生的短路故障，也有称为近距故障。在断路器出线端处短路，其短路电流总是最大的。短路点随着离出线端距离的增加，则短路电流逐渐减小，这是因为线路本身存在着阻抗。起初，总认为断路器只要能开断最大的短路电流，则其余各点的短路故障都能开断。随着系统容量的增加，情况却并不完全如此。1957年美国GE公司指出，断路器可在31kV电压下开断45kA的母线短路电流，却开不断在约1800m的架空线处的16kA的短路电流。经研究分析说明，断路器之所以开不断在近距区域内的短路故障，主要是因为近区短路开断时恢复电压的波形不同。它具有上升速度很高的起始部分。从而影响

18、了断路器的开断能力。随着电网的集中和容量的加大。近区故障已经成为断路器的严重开断条件。 0LDLu11LC0CAB在短路过程中，线路可近似看成是纯电感性的。此时近区短路电路（有效值） )(210lLLUImdl而A、B两点的对地电压相等，其有效值为 1lLIUUdlBA在电流过零瞬间，断路器DL开断，此时电源电压为最大值。A、B两点也为电压最大值，即 mBBmAmUlLLlLUUU1012在DL开断以后，断路器两侧不再有联系，变成了两个独立的回路。它们将按各自的规律变化 BAABhfuuuutUUUuBmmmA0cos)(0001CL00021CLf断路器左边的电源侧回路实际上就是电源对电容的

19、高频充放电过程，最后A点的电压将过渡到电源电压。假定此过程中电源电压不变。且不计衰减，以DL开断时为计时起点。则开断后A点的电压变化为： 断路器右边的线路侧回路，由于输电线上具有非零的初始电压分布，B 点的对地电压将引起振荡。根据行波过程理论。BmU将以行波速度111/1CLV （通常即为光速，skmV/3 . 01）在输电线上进行。行波到达短路点时，由于短路，Z0，反射系数1，被反向反射回来。行波到达线路首端（B 点）时，B 点开路。1，也被全部反射。行波每走过线路长度 l 所需时间为，则 1111CLlV 经过4时间之后， 过程又重复， 在 B 点出现从BmU变到BmU、又回到BmU的三角

20、波电压，如图 916 所示，其频率为： 1114141CLlf ） 三角波电压的表达式为： )24(1 )1(1ntfUuBmnB） 式中), 3 ,2, 1 ,0(nn可根据时间 t 所在区间，由下式确定： )1(21ntfn） 线路上总有损耗，实际上 B 点的电压也是一个衰减的三角波电压且最后 B 点的电压为零。 1100CLCLHzff5001恢复电压的起始阶段有一上升速度很高的部分，而且第一波幅值也达到足够大的数值。对近区故障的开断，主要考虑恢复电压的起始部分，即第一波峰的情况。实际到达第一波幅值的时间很短，只有几至几十个微秒，在此时间内Au变化很小，即为BmU。而Bu则按表达式，且

21、n=0 确定。因此，恢复电压的起始部分即为： tUftfUUuuuBmBmBmBAhf1104)41 (在121f时到达恢复电压第一波峰。且第一波幅值为 BmBmmhfUfUfuA2214110因为输电线的波阻抗111/CLZ ，且111LvZ ， ，则 1101222vzIUuAdlBmmhf 而恢复电压起始阶段的上升速度（也可简称恢复电压上升速度）为： 111012444VZIlVUfdtduldlBmhfdldlISzI12 式中：12 ZS称为恢复电压上升速度系数。 恢复电压的第一波幅值和上升速度是近区故障开断时的两个重要参数。从上面分析中可见：当在同一个输电线开断近区故障时，恢复电压第一波幅值随短路点距离l 的增加而增加；但近区短路电流dlI和恢复电压上升速度都随l的增加而减小。 第一波幅值的增加， 加重断路器开断的负担； 而dlI和恢复电压上升速度的减小，又使断路器的开断负担减轻。对一定的断路器必定存在一个特定的线路长度，使断路器开断时的负担最重。根据分析和实验测得，对于压气式6SF断路器。影响最严重的情况是短路发生在nbdlII) 9 . 06 . 0(处（nbI为断路器额定短路开断电流） ，通常在85 . 0lkm处。 3.失步故障目前电力系统大多是多电源联网供电。那些用来联接两个独立电源的断路器被称为联络