98高压电器第二章短路故障的关合与开断

1、12010-2011年第一学期年第一学期 第二章第二章 短路故障的关合与开断短路故障的关合与开断2第一节第一节 综综 述述一、一、关合和开断短路故障时，关合和开断短路故障时，电弧的燃烧与熄灭：电弧的燃烧与熄灭：1. 1. 高压断路器关合和开短路故障时高压断路器关合和开短路故障时，都会出现，都会出现电弧电弧。关合与开。关合与开断的电流愈大，电弧愈强烈，工作条件也愈严重，尤以断的电流愈大，电弧愈强烈，工作条件也愈严重，尤以开断开断为甚。为甚。2. 2. 介质强度介质强度u uj j（指触头间能承受的电压指触头间能承受的电压值值）和恢复电压）和恢复电压u uhf hf （电电流过零后在断口两端出现流

2、过零后在断口两端出现的外加电压的外加电压）是影响电力）是影响电力系统开断的两个重要因素系统开断的两个重要因素，分别用，分别用u uj j（t t）和）和u uhfhf（t t）表示，）表示，如图如图2-12-1所示。所示。3 当当恢复电压的上升速度恢复电压的上升速度比比介质强度的增长介质强度的增长快快时，时， u uj j（t t）和和u uhfhf（t t）两曲线将）两曲线将相交相交（图图2-12-1，a a），），电弧会重燃电弧会重燃，电流继续，电流继续以电弧的形式通过断口，电路不能开断。以电弧的形式通过断口，电路不能开断。 当当介质强度的增长比恢复电压的上升快介质强度的增长比恢复电压的上

3、升快时，时， u uj j（t t）和）和u uhfhf（t t）两曲线将）两曲线将不会相交不会相交（图图2-12-1，b b），电弧不再重燃，电路），电弧不再重燃，电路即被开断。即被开断。4二、二、过电压过电压高压断路器在高压断路器在开断小电感负载（如空载变压器、电抗器或电开断小电感负载（如空载变压器、电抗器或电动机）和电容性负载（如空载长线或电容器组动机）和电容性负载（如空载长线或电容器组）、）、关合电容性关合电容性电流电流时，常常产生时，常常产生过电压过电压，危及包括高压断路器在内的电力系，危及包括高压断路器在内的电力系统电气设备的安全。为此，须对各种关合和开断情况下的电力统电气设备的安

4、全。为此，须对各种关合和开断情况下的电力系统电压和电流的过渡过程进行研究。系统电压和电流的过渡过程进行研究。本节从单相回路着手，阐明物理过程；再进而分析三相问题。本节从单相回路着手，阐明物理过程；再进而分析三相问题。5第二节第二节 电力系统短路故障的关合电力系统短路故障的关合一、电力系统的短路故障：一、电力系统的短路故障：1.1.电力系统短路的定义：电力系统短路的定义：是指电力系统中，因一相或多相导体是指电力系统中，因一相或多相导体发生发生接地接地或或互相短接，从而将负载互相短接，从而将负载阻抗短接的故障阻抗短接的故障。2.2.电力系统短路的形式电力系统短路的形式：单相接地短路；单相接地短路；

5、 两相接地短路；两相接地短路；两相不接地短路；三相接地短路；两相不接地短路；三相接地短路；三相不接地短路；断路器异侧两相三相不接地短路；断路器异侧两相接地短路等接地短路等。理想的短路情况：三相负载相等。理想的短路情况：三相负载相等。6第二节第二节 电力系统短路电力系统短路故障的关合故障的关合一、电力系统的短路故障：一、电力系统的短路故障：3. 3. 电力系统关合电力系统关合的的类型类型；（1 1） 正常关合正常关合：关合前线路或电气：关合前线路或电气设备不存在绝缘故障的关合；设备不存在绝缘故障的关合；（2 2） 短路故障的关合短路故障的关合：指关合前，：指关合前，线路或电气设备存在绝缘甚至短路

6、故障状线路或电气设备存在绝缘甚至短路故障状态的关合。态的关合。因短路故障的关合问题最严重，因此因短路故障的关合问题最严重，因此本章只讨论之。本章只讨论之。7第二节第二节 电力系统短路故障的关合电力系统短路故障的关合一、电力系统的短路故障：一、电力系统的短路故障：模拟电力系统短路故障进行试验的现场。模拟电力系统短路故障进行试验的现场。84. 4. 电力系统出现电力系统出现短路故障关合的四种短路故障关合的四种前提前提：（1 1）存在存在“预伏故障预伏故障”；（；（2 2）存在）存在“试探性自动重合闸试探性自动重合闸”；（；（3 3）存在）存在“人为人为接地短路接地短路”（保护需要，视频（保护需要，

7、视频http:/ http:/ u97/v_ndayodmzmtg.htmlu97/v_ndayodmzmtg.html）；（；（4 4）存在）存在“误误操作操作”。二二. . 短路电流短路电流i id d：参看图参看图2-22-2（a a）。）。设电源电压设电源电压e=ee=emmsinsin（tta a），），a a为电为电源电压的初相角源电压的初相角, ,忽略电源阻抗，可得图忽略电源阻抗，可得图2-22-2（b b）所示的计算短路关合电流的等值线路）所示的计算短路关合电流的等值线路图。图。人为接地短路线人为接地短路线91.1.短路电流短路电流 id d的表达式：的表达式：图中，图中，l

8、l和和r r分别是包括变压器和输电线回路的电感和电阻。分别是包括变压器和输电线回路的电感和电阻。如果如果关合发生在关合发生在t=0t=0时时，通过解微分方程，通过解微分方程, ,则则短路电流短路电流i id d的表达式的表达式将为：将为：10 式（式（2-12-1），），右边第一项右边第一项是是回路稳态短路电流回路稳态短路电流i iz z ，也称，也称短路电流的周期分量短路电流的周期分量； 右边右边第二项第二项是一个按是一个按指指数规律衰减数规律衰减的的非周期暂态电流非周期暂态电流，称为称为短路电流的非周期分量短路电流的非周期分量，用用i if f表示。表示。其衰减快慢由回路的时间其衰减快慢由

9、回路的时间常数常数t t决定。决定。 图图2 - 32 - 3中画出了短路电中画出了短路电流的流的周期分量周期分量iz z、非周期分量非周期分量if f和由它们所和由它们所合成的短路电流合成的短路电流i id d的波形。从图中可见，在的波形。从图中可见，在暂态暂态过程中过程中，短路电流短路电流i id d是是围绕非围绕非周期分量电流振荡周期分量电流振荡的。的。11一般情况下，高压电网各元件的一般情况下，高压电网各元件的，因此如，因此如忽略回路电阻对稳态短路电流的影响（即忽略回路电阻对稳态短路电流的影响（即，则公式，则公式（2-12-1）可简化为）可简化为当在当在电源电压过零点瞬间电源电压过零点

10、瞬间 (即即a=0a=0) )时关合，短路电流的非时关合，短路电流的非周期分量（第二项）最大，它的初始值等于稳态短路电流的幅周期分量（第二项）最大，它的初始值等于稳态短路电流的幅值值i idmdm。此时。此时, ,式（式（2-22-2）可简化为）可简化为12图图2-42-4为与式（为与式（2-22-2）对应的波形图。对应的波形图。短路电流的示波图短路电流的示波图133.3.短路电流最大值短路电流最大值：也叫：也叫短路冲击电流短路冲击电流，以，以i ichch表示。表示。由于由于非周期分量非周期分量的存在，的存在，短路电流的最大值短路电流的最大值一般在短路发生一般在短路发生后的半个周期后的半个周

11、期-即即t=/=0.01s-t=/=0.01s-时出现。时出现。i ichch可由下式求出：可由下式求出：第二节第二节 电力系统短路故障的关合电力系统短路故障的关合144. 4. 短路冲击电流短路冲击电流i ichch的有关标准规定：的有关标准规定：短路冲击电流短路冲击电流i ichch一般为一般为短路电流周期分量幅值短路电流周期分量幅值的的1.81.8倍倍或或短路短路电流周期分量有效值的电流周期分量有效值的2.552.55倍倍。 证明：短路冲击系数证明：短路冲击系数k kchch由由回路的时间常数回路的时间常数t t决定。在决定。在感抗较感抗较大的高压电网大的高压电网内，一般取内，一般取t0

12、.045st0.045s，此时，冲击系数，此时，冲击系数k kchch为：为：对高压对高压断路器关合能力断路器关合能力的要求应的要求应根据短路冲击电流根据短路冲击电流提出；同提出；同时，短路冲击电流也决定了电力系统中时，短路冲击电流也决定了电力系统中电气设备所受的机械力电气设备所受的机械力。15 冲击电流发生器冲击电流发生器 主要用以检验电气设备耐受主要用以检验电气设备耐受冲击电流稳定的能力，广泛应用冲击电流稳定的能力，广泛应用于氧化锌避雷器阀片进行冲击于氧化锌避雷器阀片进行冲击电流试验，也可用于其它研究性电流试验，也可用于其它研究性试验。试验。冲击电流发生器的特点冲击电流发生器的特点: :

13、1 1、体积小、结构紧凑、调波方便、体积小、结构紧凑、调波方便; ; 2 2、输出电流大、输出电流大(4/10ms(4/10ms波形达到波形达到120ka); 120ka); 3 3、可采用下球气缸推动触发方式，同步性能好，、可采用下球气缸推动触发方式，同步性能好，动作可靠动作可靠; ; 4 4、每只主电容器套管上都串有一只大能量的无感、每只主电容器套管上都串有一只大能量的无感吸能电阻，确保主电容器的安全吸能电阻，确保主电容器的安全; ; 5 5、采用恒流充电计算机测量控制一体化系统，自、采用恒流充电计算机测量控制一体化系统，自动化程度高，抗干扰能力强。动化程度高，抗干扰能力强。16 某企业测

14、量避雷器相关试样的冲击特性实验图某企业测量避雷器相关试样的冲击特性实验图型号：型号：cjdl-50kv/150acjdl-50kv/150a波型：波型：0.6/58s0.6/58s最大电流峰值：最大电流峰值：150a150a最小电流峰值：最小电流峰值：20a20a冲击电流发生器生产单位：国冲击电流发生器生产单位：国电网武汉高电压试验研究所等电网武汉高电压试验研究所等17某型某型冲击电流发生器冲击电流发生器主要技术参数主要技术参数额定电压额定电压: 50 : 50 kvkv或或120kv 120kv 2000s2000s方波冲击电流方波冲击电流幅值幅值 1.5ka 1.5ka5% 5% 1/ 1

15、/20s20s陡波冲击电流陡波冲击电流幅值幅值 20ka 20ka5% 5% 4/10s4/10s冲击电流幅值冲击电流幅值 100ka 100ka5% 5% 8/20s8/20s雷电冲击电流幅值雷电冲击电流幅值 40ka 40ka5% 5% 30/80s30/80s操作冲击电流幅值操作冲击电流幅值 2ka 2ka5% 5% 185. 5. 电力系统中各种额定电流值大小的关系：电力系统中各种额定电流值大小的关系： i idmdm=i=icmcm； i ithth=i=ib b 式中，式中，i idmdm：短路冲击电流（：短路冲击电流（i ichch）；）； i icmcm：额定短路：额定短路电流

16、（电流（i ingng）；）； i ithth：额定热稳定电流（：额定热稳定电流（i it t）；）； i ib b ：额定短路：额定短路电流（电流（i inknk）。）。（清华）19概念l 额定短路额定短路关合关合电流电流是指合闸合闸时出现短路电流下开关绝限能力绝限能力。比如开关标明的额定短时关合电流(峰值)是 50ka；当外界线路发生短路时而你把闸合上去，这时开关受合闸短路电流作用而跳闸。如果这个瞬间短路电流没有超过50ka，触头灭弧有效。如果超过瞬间50ka触头灭弧不保证，就会拉弧或造成热元件失效等。l 额定短路额定短路开断开断电流电流是指开关绝限断开电流绝限断开电流的最大能力。比如开关

17、标明的额定短路开断电流为20ka，表示20ka内的短路跳闸触头灭弧热元件动作等有效；超过这个绝限，跳闸触头的灭弧热元件动作不保证，会产生拉弧。20第三节第三节 单相短路故障开断单相短路故障开断电力系统中，电力系统中，开断短路故障的开断短路故障的任务最艰任务最艰巨。巨。本节介绍本节介绍单相短路故障单相短路故障的开断。的开断。一、恢复电压：一、恢复电压： 1. r-l-c1. r-l-c电路电路 图图2-52-5（a a）为开断中性点直接接）为开断中性点直接接地地（110kv110kv及以上）及以上）的发电电路母线的发电电路母线处发生单相接地故障的电路接线图，处发生单相接地故障的电路接线图，（b

18、b）为其等值线路图。）为其等值线路图。图中，图中，l l、r r分别为分别为发电机的电感和电阻，发电机的电感和电阻，c c为为发发电机的对地电容电机的对地电容。 设设触头分离瞬间，短路电流的触头分离瞬间，短路电流的非周期分量已衰减完毕非周期分量已衰减完毕，即，即不考虑不考虑短路电流的非周期分量短路电流的非周期分量。母线g发电机21短路电流短路电流i id d和和电源电压电源电压e e的的波形波形见见图图2-62-6。：触头开始分离、触头开始分离、形成电形成电弧弧。因。因忽略电弧压降忽略电弧压降，故，故断口两端断口两端电压电压（即电容电压）仍然为零。即电容电压）仍然为零。：电流过零、电弧熄灭电流

19、过零、电弧熄灭，此时，电源电压开始通过此时，电源电压开始通过r r与与l l对电对电容容c c充电；电容充电；电容c c上的上的电压电压u uc c将将逐渐逐渐上升，上升，u uc c也就是开关也就是开关断口两端的恢断口两端的恢复电压复电压u uhfhf。忽略电弧压降忽略电弧压降u uh h，则通过断口的短路电流，则通过断口的短路电流i id d和电源电压和电源电压e e间将有以下的关系：间将有以下的关系：222. 2. 电容性电路电容性电路 该电容该电容充电的充电的过程和图过程和图2-72-7（a a）交流电源）交流电源e=ee=emmsinsin（tt） 在在t=0t=0时时r-l-cr-

20、l-c回路合闸的过程完全相同。回路合闸的过程完全相同。考虑到电力系统短路回路的回路电阻考虑到电力系统短路回路的回路电阻r r通常很小，一般均能通常很小，一般均能满足满足 r r2 2（l/cl/c） 的条件，所以在合闸过程中将会产生的条件，所以在合闸过程中将会产生高频振荡。高频振荡。高频振荡的角频率高频振荡的角频率为：为：23这一高频振荡的频率要比工频的高很多。这一高频振荡的频率要比工频的高很多。因此，为求出因此，为求出，先假设电源电压近似保持不变（如设法在，先假设电源电压近似保持不变（如设法在电源电压接近其幅值时将高压断路器关合电源电压接近其幅值时将高压断路器关合，这时由于，这时由于电源电压

21、变电源电压变化最慢化最慢，可近似认为其值保持不变），这样，就可以把，可近似认为其值保持不变），这样，就可以把图图2-72-7（a a）中的交流电源简化为直流电源，即得中的交流电源简化为直流电源，即得图图2-7 2-7 的（的（b b）图）图。直流电源电压直流电源电压e e0 0取取t=0t=0时时交流电源电压的瞬时值交流电源电压的瞬时值，即：，即：24由三要素法，可得断口上的恢复电压由三要素法，可得断口上的恢复电压u uhfhf为：为：为电路固有衰减系数。为电路固有衰减系数。00为电路固有振荡频率；为电路固有振荡频率；253. 3. 恢复电压的上升速度：恢复电压的上升速度：恢复电压的上升速度恢

22、复电压的上升速度常用常用高频振荡高频振荡第一个半周内电压平均上第一个半周内电压平均上升速度（升速度（duduhfhf/dt/dt）p p表示。表示。 不考虑振荡衰减不考虑振荡衰减（假设无衰减假设无衰减）时，其值为：）时，其值为：式中，式中，f f0 0：固有振荡频率；：固有振荡频率； u ughgh：工频恢复电压。：工频恢复电压。 考虑衰减考虑衰减( (恢复电压的最大值恢复电压的最大值有所降低有所降低) )时，其值可近似时，其值可近似地用下式表示：地用下式表示：其中，km是恢复电压的振幅系数，取1.41.5。26 图形表示图形表示：恢复电压上升速度恢复电压上升速度是是从原点从原点至幅值点至幅值

23、点u ushmshm所作的所作的直线直线，如，如图图2-82-8中中直线直线1 1所示，所示，t tm m为为峰值时间峰值时间。 恢复电压的上升速度也恢复电压的上升速度也可用可用恢复电压最大平均速度恢复电压最大平均速度表表示，即示，即从原点作恢复电压曲线从原点作恢复电压曲线的切线的切线，如，如图图2-82-8中中直线直线2 2所示。所示。按此速度按此速度上升时恢复电压达最大上升时恢复电压达最大值的时间值的时间将将提前到提前到t ts s。t ts s又称又称峰峰值参考时间值参考时间。27 考虑到短路时功率因数一般很低，许多情况考虑到短路时功率因数一般很低，许多情况coscos0.150.15，

24、sin1sin1，由式可得，由式可得e e0 0=e=em m，即把，即把工频恢复电压取为电源相电压工频恢复电压取为电源相电压的幅值的幅值。实际上，实际上，系统的最大工作电压系统的最大工作电压取为取为额定电压的额定电压的1.151.15倍倍，因此，因此可得用可得用系统额定电压系统额定电压u ue e（三相线电压三相线电压）表示的）表示的瞬态恢复电压最大瞬态恢复电压最大值值u ughmghm和和恢复电压平均上升速度（恢复电压平均上升速度（duduhfhf/dt/dt）p p的计算公式：的计算公式：式中，式中，k km m是恢复电压的振幅系数。是恢复电压的振幅系数。28二、开断电流二、开断电流1.

25、 1. 定义：指触头分离瞬间流过断路器断口的电流定义：指触头分离瞬间流过断路器断口的电流。根据根据继电保护整定值的快慢继电保护整定值的快慢和和断路器动作快慢断路器动作快慢的不同，的不同，触头触头的分离的分离可以出现在非周期分量尚未全部衰减完可以出现在非周期分量尚未全部衰减完( (图图2-92-9中中t t1 1) )，也可，也可以出现在非周期分量已全部衰减完后（以出现在非周期分量已全部衰减完后（图图2-92-9中中t t2 2时刻时刻） 。292. 2. 表示方法：表示方法： 触头分离瞬间触头分离瞬间, ,短路电流周期分量短路电流周期分量的的有效值有效值 ； 非周期分量的相对值非周期分量的相对

26、值 。3. 3. 在在开断电流周期分量相等开断电流周期分量相等情况下，情况下，非周期分量的存在非周期分量的存在虽虽然有可能提高触头分离瞬间的短路电流瞬时值，但它在然有可能提高触头分离瞬间的短路电流瞬时值，但它在某种程某种程度上度上却却有利于电路的开断有利于电路的开断（为什么在开关试验条件中要规定开断电流的为什么在开关试验条件中要规定开断电流的非周期分量平均值非周期分量平均值/ /直流分量不能大于周期分量最大值直流分量不能大于周期分量最大值/ /交流分量峰值的交流分量峰值的2020）？30原因原因是是当短路电流中存在非周期分量时（当短路电流中存在非周期分量时（图图2-102-10），），电弧电弧

27、不管不管是在是在电流的大半波过零电流的大半波过零（图（图2-102-10中中t t1 1点）时或点）时或小半波过零小半波过零（图（图2-102-10中中t t2 2点）时点）时熄灭熄灭，断口所受的工频恢复电压断口所受的工频恢复电压u ugh1gh1和和u ugh2gh2均比电源电压的最大值小，有利于熄弧均比电源电压的最大值小，有利于熄弧。31l三、三、降低过电压的措施降低过电压的措施并联电阻并联电阻：1 1、在为、在为限制操作过电压限制操作过电压而而并联在断路器断口上的电阻并联在断路器断口上的电阻中，将中，将几欧到几十欧的称为几欧到几十欧的称为低值并联电阻低值并联电阻；将；将几百到几千欧的并联

28、电阻几百到几千欧的并联电阻称为称为中值并联电阻中值并联电阻；将几万欧及以上的并联电阻称为；将几万欧及以上的并联电阻称为高值并联电高值并联电阻阻，它通常是为断路器每根有多个断口时均压设计的。，它通常是为断路器每根有多个断口时均压设计的。l2 2、在断路器断口两端并联几欧到几十欧的、在断路器断口两端并联几欧到几十欧的低值并联电阻低值并联电阻可可限限制短路电流制短路电流，降低工频恢复电压降低工频恢复电压和和振幅系数振幅系数，以及，以及减慢恢复电压减慢恢复电压上升速度上升速度着手。着手。323 3、图图2-112-11是用有并联电阻的高压断路器是用有并联电阻的高压断路器开断发电机母线单相开断发电机母线

29、单相接地故障时的电路图接地故障时的电路图。高压高压断路器断路器设有两个断口：主断口设有两个断口：主断口d d1 1和和辅助断口辅助断口d d2 2。电阻电阻r rb b并并联在主断口联在主断口d dl l上上。当高压断路器开断电路时，主断口先打开当高压断路器开断电路时，主断口先打开, ,把并联电阻接入。把并联电阻接入。当主断口间的电弧熄灭后，再打开辅助断口当主断口间的电弧熄灭后，再打开辅助断口d d2 2，开断流经并联电，开断流经并联电阻的电流，使电路完全开断。阻的电流，使电路完全开断。334 4、主断口、主断口d d1 1并联电阻后，主断口和辅助断口的开断电流和断并联电阻后，主断口和辅助断口

30、的开断电流和断口的电压恢复过程：口的电压恢复过程：图图2-122-12（a a）为主断口开断的等值电路图。为主断口开断的等值电路图。34此时通过主断口的短路电流此时通过主断口的短路电流i id d和电源电压和电源电压e e仍可由式（仍可由式（2-72-7）及式（及式（2-82-8）决定。）决定。式中式中 u ughgh：工频恢复电压，：工频恢复电压，u ugh gh =e=em msinsin，其中，阻抗角为，其中，阻抗角为=tg=tg-1-1（wl/rwl/r）。画出的恢复电压曲线如图）。画出的恢复电压曲线如图2-13 2-13 。35由图可见，采用由图可见，采用并联电阻并联电阻振荡振荡后，

31、后，恢复电压最大值恢复电压最大值将将不会超过工不会超过工频恢复电压频恢复电压u ughgh。恢复电压的最大上升速度恢复电压的最大上升速度出现在出现在t=0t=0时，其值为：时，其值为：并联电阻并联电阻r rb b愈小愈小，恢复电压的上升速度就愈低，主断口的开恢复电压的上升速度就愈低，主断口的开断将比较轻松断将比较轻松。3637可见可见辅助断口辅助断口d d2 2开断的电流开断的电流i i要比主断口要比主断口i id d为小。为小。图图2-142-14（a a）为为辅助断口辅助断口d d2 2开断时的等值电路图。开断时的等值电路图。 开断电流开断电流i i：考虑到：考虑到 ，忽略流经电容，忽略流

32、经电容c c的电流，则辅助断口的电流，则辅助断口开断前，流经电感的辅助断口电流开断前，流经电感的辅助断口电流i i和电源电压和电源电压e e将为：将为：38 恢复电压恢复电压u ushsh：图图2-142-14（b b）为计算为计算辅助断口恢复电压辅助断口恢复电压的等的等值线路图，图中，工频恢复电压值线路图，图中，工频恢复电压u ughgh=e=em msinsin。由（由（2-282-28）式可知，）式可知，r rb b的存在将使的存在将使减小，则减小，则sinsin也减也减小，因此作用在辅助断口上的工频恢复电压小，因此作用在辅助断口上的工频恢复电压u ughgh将要比主断口上的将要比主断口

33、上的工频恢复电压工频恢复电压u ughgh低。低。虽然辅助断口的瞬态恢复电压仍有高频振荡，但其工频恢复电虽然辅助断口的瞬态恢复电压仍有高频振荡，但其工频恢复电压和开断电流都得到了一定程度的降低，所以辅助断口的开断条件压和开断电流都得到了一定程度的降低，所以辅助断口的开断条件远比主断口轻松。远比主断口轻松。39高压断路器高压断路器开断单相短路电流开断单相短路电流方方 式式串联或并联串联或并联r r临界电阻临界电阻r rb b瞬态恢复电压最大值瞬态恢复电压最大值u uhfmhfm单频单频单相接单相接地故障，线地故障，线路路串联电阻串联电阻r目的目的1. 限制短路限制短路电流；电流；2. 降低工频降

34、低工频恢复电压；恢复电压；3. 减慢恢复减慢恢复电压上升速电压上升速度。度。临界临界串联串联电阻（电阻（rb b=0,即没有并即没有并联电阻联电阻): rljlj=2=2（l/cl/c） ：1. 1. rrljlj，非周期性振荡恢，非周期性振荡恢复；复；2. 2. r rljlj，周期性振荡恢复；，周期性振荡恢复；2. 2. rb b rljlj，非周期性振荡，非周期性振荡恢复。恢复。辅助断口（非主断口）辅助断口（非主断口）开断时：开断时： uhfmhfm=e0 0（1+e-1 1/1 1）式中式中 1 1为电路固有为电路固有衰减系数；衰减系数；1 1为电路固为电路固有振荡角频率；有振荡角频率

35、； 四、列表归纳高压断路器四、列表归纳高压断路器开断开断单相短路电流单相短路电流的电气参数的电气参数40高压断路器开断单相短路电流高压断路器开断单相短路电流恢复电压上升速度（恢复电压上升速度（duduhfhf/dt/dt）p p（duduhfhf/dt/dt）p p =4f=4f0 0e e0 0=4f=4f0 0u um m， 式中，式中，u um m是单相额定电压幅值。是单相额定电压幅值。（duduhfhf/dt/dt）p p=4f=4f1 1e e0 0=4f=4f1 1u um m（接上表）41第四节第四节 三相短路故障的开断三相短路故障的开断三相短路故障的开断与三相短路故障的开断与系

36、统接地与否系统接地与否以及以及短路性质短路性质有关。有关。一、三相一、三相不接地不接地短路故障的开断短路故障的开断图图2-152-15为开断三相不接地短路故障的等值线路图。电源中性点一般不接地为开断三相不接地短路故障的等值线路图。电源中性点一般不接地（ 也可以接地，如图中虚线所示）。电源相电压的幅值为也可以接地，如图中虚线所示）。电源相电压的幅值为e em m。42考虑到通常相间电容考虑到通常相间电容c c很小，很小，略去短路电流的电容分量略去短路电流的电容分量，则，则短路电流短路电流的稳态值的稳态值将为：将为：432.2.首开相首开相（first-pole-to-clearfirst-pol

37、e-to-clear）的）的短路电流：短路电流：由于三相交流电流过零时刻由于三相交流电流过零时刻有先后有先后，因此，因此，高压断路器在开断三相短路故障高压断路器在开断三相短路故障时，时，各相熄弧也有先后各相熄弧也有先后。 先分析先分析t=0t=0时，首开相时，首开相a a相电弧电流首先过零的的情况。相电弧电流首先过零的的情况。a a相需开断的相需开断的短路电流有效值短路电流有效值：a a相中的相中的aaaa电流过零电弧熄灭后，电流过零电弧熄灭后，图图2-152-15的等值电路将转化为的等值电路将转化为图图2-162-16的的形式。此时，形式。此时，a a相断口上的恢复电压可由根据相断口上的恢复

38、电压可由根据等值电源定理等值电源定理简化简化的的求得。求得。44图图2-172-17中，中，等值电势等值电势e ed d的大小为的大小为图图2-162-16中等值电容中等值电容c cd d拿开后，用拿开后，用电压表在断口间量得的电压值电压表在断口间量得的电压值u uadad。由于由于a a相熄弧后相熄弧后aaaa间无电流流过，所以间无电流流过，所以u uadad也就是也就是u uadad。考虑到考虑到图图2-162-16中，接在中，接在电源电源bcbc两点间的负载是对称两点间的负载是对称的的，所以，所以d d点点的电位的电位就是就是e ebcbc的中点的中点，如图如图2-182-18所示。据此

39、可求出等值电源电势为：所示。据此可求出等值电源电势为：453. 3. 图图2-172-17中，中，等值阻抗等值阻抗z zd d（=r=rd d+jl+jld d）是将）是将后，从断口两端量得的阻抗。后，从断口两端量得的阻抗。等值电感等值电感l ld d=1.5l=1.5l，等值电阻等值电阻r rd d=1.5r=1.5r，等值系数均为等值系数均为1.51.5。46a a相断口的瞬态恢复电压相断口的瞬态恢复电压u ughagha为为：结论：结论：开断三相短路故障开断三相短路故障时，时，首开相的工频恢复电压为电源首开相的工频恢复电压为电源相电压幅值的相电压幅值的1.51.5倍倍，该值比开断单相短路

40、时高。该值比开断单相短路时高。473. 3. bcbc两相短路两相短路的的开断开断：a a相开断后，由三相短路转化为两相短路。由于相开断后，由三相短路转化为两相短路。由于r lr l，在，在以后的分析中均略去以后的分析中均略去r r。48当当t=0t=0，sinwt=0sinwt=0，由（由（2-382-38）和（）和（2-392-39）可知，可知，a a相电流过零熄相电流过零熄灭时灭时，b b、c c两相间的两相间的线电压线电压e ebcbc为为零零，流过，流过b b相和相和c c相的电流各达其相的电流各达其幅值幅值 。所以，在所以，在短路短路由由三相转化为三相转化为两相两相后，后，短路电流

41、的幅值短路电流的幅值将下将下降为降为三相短路三相短路时的时的 倍。倍。倍49a a相电流过零开断后，经过相电流过零开断后，经过0.005s0.005s，流经，流经b b相和相和c c相断口的电流将同相断口的电流将同时过零点而熄灭。时过零点而熄灭。设电弧熄灭后，加在设电弧熄灭后，加在b b、c c两相串联断口上的恢复电压均匀分配，则两相串联断口上的恢复电压均匀分配，则两相断口上工频恢复电压分别为：两相断口上工频恢复电压分别为：50首开相的首开相的工频恢复电压工频恢复电压和和电源电压幅值之比电源电压幅值之比称为称为首开相系数首开相系数，用用表示，即：表示，即：51l二、三相二、三相接地接地短路故障

42、的开断：短路故障的开断：l与与“一一”内容不同的是用内容不同的是用“对称分量法对称分量法”（已知已知i ia a、u ub b、u uc c，可求出可求出u ua a、i ib b、i ic c）求工频恢复电压。）求工频恢复电压。521. 1. 三相短路后，三相短路后，a a相已开断，两相接地短路时，首开的相已开断，两相接地短路时，首开的c c相相的工频恢复电压为的工频恢复电压为 u ughcghc= 1.25e= 1.25em m。2. 2. 两相转单相开断：在继两相接地短路后，出现单相接地两相转单相开断：在继两相接地短路后，出现单相接地故障中，流经故障中，流经b b相断口的短路电流幅值相断

43、口的短路电流幅值为为0.6i0.6im m。b b相开断后相开断后，b b相断口的相断口的工频恢复电压工频恢复电压则为则为u ughbghb=e=em m。533. 3. 各种接地故障的首开相系数各种接地故障的首开相系数也列于表也列于表2-12-1。表中，以。表中，以三三相短路首开相的工作条件最严重相短路首开相的工作条件最严重。当当x x0 03x3xl l时，可取首相开断系数为时，可取首相开断系数为1.51.5；当；当x x0 03x3xl l时，可取时，可取首相开断系数为首相开断系数为1.31.3（因实际上很少发生三相短路，故取（因实际上很少发生三相短路，故取1.31.3）。）。54小规律

44、：表小规律：表2-12-1中，中，“故障形式故障形式”和和“中性点接地形式中性点接地形式”中，中，只要只要有一项为有一项为“不接地不接地”，则三相的首开极系数，则三相的首开极系数k k1 1=1.=1.5 5，而而两相的首开极系数两相的首开极系数为为k k1 1=0.866=0.866。4. 4. 总结：总结：1.1.在中性点直接接地系统中，出现在中性点直接接地系统中，出现三相短路故障三相短路故障的的机会极机会极少少，首开极系数可取，首开极系数可取k k1 1= =1.31.3；2.2.在在中性点不直接接地系统中性点不直接接地系统中，首开极系数可取中，首开极系数可取k k1 1= =1.51.

45、5；3.3.异地故障异地故障：k k1 1= =1.7321.732；4.4.利用首相开断系数利用首相开断系数k k1 1与系统的最高工作电压与系统的最高工作电压u umnmn，可求得，可求得断路器断路器首开极首开极的的工频恢复电压最大值工频恢复电压最大值：u uprmprm=0.816k=0.816k1 1u umnmn。55高压断路器开断三相短路电流高压断路器开断三相短路电流 接地方式接地方式 等效电路、等效电感、等效电路、等效电感、电容和电压电容和电压 向量图向量图 三相不接地系统短路，三相不接地系统短路，电源中性点可以不接地，也电源中性点可以不接地，也可以接地（用虚线表示）可以接地（用

46、虚线表示） ：1.ua=ub=uc=u2.i2.ia=i=ib=i=ic=i=id=u =u / /lld d=1.5l，cd d=2c，u ud d=1.5u，id d= u / l由对称分量法得：由对称分量法得： ughfa=1.5u =1.5em m 三相接地系统的三相接三相接地系统的三相接地短路地短路临界并联电阻临界并联电阻rljlj=（l/cl/c） ：1. 1. rb b rljlj，周期性，周期性振荡恢复；振荡恢复；2. 2. rb b rljlj，非周，非周期性振荡型恢复。期性振荡型恢复。5 5、归纳归纳：56断路器开断三相短路电流断路器开断三相短路电流三相电路开断时的瞬态恢三

47、相电路开断时的瞬态恢复电压最大值复电压最大值u uhfmhfm注意：注意：三相电路开断时三相电路开断时的瞬态恢复电压通常的瞬态恢复电压通常只计算只计算首开极首开极的瞬态恢复电压，其的瞬态恢复电压，其他情况复杂，略去。他情况复杂，略去。首开极首开极a a相开断后，相开断后，三相短路变成两相短路三相短路变成两相短路最后一个半波与长、短半波最后一个半波与长、短半波首开极的瞬态恢复电压最大值首开极的瞬态恢复电压最大值uhfmhfm=0.816k1 1km mue e（kv）式中式中 km m：振幅系数，是指瞬：振幅系数，是指瞬态恢复电压最大值态恢复电压最大值uc c与首开极与首开极工频恢复电压最大值工

48、频恢复电压最大值uprmprm之之比。比。1. ubghf=ucghf=0.866um2.i2.ib=i=ic=0.866i=0.866id式中，式中，um为电源相电压的为电源相电压的幅值。幅值。 约约0.005s（/2/2）后，后，b、c同时过零。同时过零。 b相：为短半波，持续相：为短半波，持续时间：时间：0.0083s；幅值为：；幅值为：0.866im m。 c相：为长半波，持续相：为长半波，持续时间：时间：0.0116s；幅值为：；幅值为：im m。c相先过零，相先过零，ic c为零后，为零后，ucghcghf= 1.25em；然后；然后b相成相成单相接地短路，流过单相接地短路，流过b

49、相断相断口的短路电流幅值为口的短路电流幅值为0.6im m。b相开断后，壁厢断口的工相开断后，壁厢断口的工频恢复电压为频恢复电压为em m。57恢复电压平均上升速度（恢复电压平均上升速度（duduhfmhfm/dt/dt）p p （duduhfmhfm/dt/dt）p p =1.63k1 1kmdmdf0 0ue e（kv/s） = =1.63k1 1kmdmdf0 0ue e1010-6-6（kv/s） 式中，式中，umum是单相额定电压幅值。是单相额定电压幅值。58例题：用例题：用10kv高压断路器开断三相短路，已知短路电流高压断路器开断三相短路，已知短路电流为为.ka，恢复电压的固有振荡

50、频率为，恢复电压的固有振荡频率为.khz，问采用，问采用.的并联的并联电阻能否阻尼恢复电压的振荡？电阻能否阻尼恢复电压的振荡？l答：答： 1 1、求、求x xl l：x xl l= u= umnmn/i/im m () ()；l 2 2、求、求l l： l=xl=xl l/(h)/(h)； l 3 3、求、求c c0 0：因为：因为0 0 = 1/ = 1/（l cl c0 0）0.50.5，所以，所以c c0 0 = = 1/1/0 02 2 l(f) l(f)l 4 4、将、将l l、c c0 0代入公式（代入公式（l/cl/c0 0）0.50.5/ 2()/ 2()，求出阻值，求出阻值

51、r rljlj； l 5 5、比较、比较r rb b与与r rlj lj ，判断可否阻尼恢复电压振荡。，判断可否阻尼恢复电压振荡。59例题：有一个安装在例题：有一个安装在35kv35kv三相电网的断路器，已知三相电网的断路器，已知f f 0 0 ，k k1 1，k km m ，t t3 3。计算其在满容量（。计算其在满容量（100%i100%iekek）开断试验时，应能满足的瞬态恢复）开断试验时，应能满足的瞬态恢复电压的最大值、最大上升速度和平均上升速度。电压的最大值、最大上升速度和平均上升速度。解：解：1 1、由标准，知、由标准，知系统最大工作电压系统最大工作电压u umnmn=40.5kv

52、=40.5kv，得瞬态恢复电压的最，得瞬态恢复电压的最大值大值u uhfmhfm为：为：u uhfmhfm=0.816 u=0.816 umnmn k k1 1 k km m （kvkv） 2 2、瞬态恢复电压的最大上升速度（、瞬态恢复电压的最大上升速度（duduhfhf/dt/dt）maxmax为：为：(du(duhfhf/dt)/dt)max max =u=uhfmhfm /t /t3 3 (kv/us) (kv/us)3 3、瞬态恢复电压的平均上升速度（、瞬态恢复电压的平均上升速度（duduhfmhfm/dt/dt）p p为：为：（duduhfmhfm/dt/dt）p p=1.63=1.

53、63k k1 1k km mf f0 0u umnmn (kv/us) (kv/us)60第四节第四节 电力系统的瞬态恢复电压特性电力系统的瞬态恢复电压特性单相和三相短路故障开断单相和三相短路故障开断中的中的瞬态恢复电压的特性瞬态恢复电压的特性都是都是单频（工单频（工频）频）的。当的。当回路结构回路结构发生变化发生变化时，电力系统的时，电力系统的恢复电压恢复电压也也可以是双频可以是双频、三频三频甚至甚至更高频率更高频率。一、一、双频双频电路电路：图图2-232-23（a a）中中开断开断中性点接地中性点接地的发电机输电线路在电抗器后的单的发电机输电线路在电抗器后的单相接地短路相接地短路。图图2

54、-232-23（b b）为其为其等值线路图等值线路图，图中，图中略去全部电阻略去全部电阻。其中。其中l l1 1、c cl l为为断路器电源侧断路器电源侧的电感和对地电容，的电感和对地电容，l l2 2、c c2 2为为电抗器电抗器的电感和对的电感和对地电容。地电容。611.l1.l1 1、l l2 2电路电路：忽略断路器开断前流经：忽略断路器开断前流经c cl l和和c c2 2的电流，则电弧电流过零的电流，则电弧电流过零前瞬间作用在前瞬间作用在l ll l、l l2 2、c cl l和和c c2 2上的电压将为：上的电压将为：2. c2. c1 1、c c2 2电路电路：从从电流过零电弧熄

55、灭开始电流过零电弧熄灭开始，断口两侧的回路断口两侧的回路将将分开成两个独立的分开成两个独立的振荡回路振荡回路，忽略忽略振荡过程中振荡过程中电源电压变化电源电压变化，可得，可得图图2-232-23（c c）的等值的等值线路图线路图。62由此可求出由此可求出电容电容c c1 1和和c c2 2上的上的瞬态电压变化瞬态电压变化为：为：63图图2-242-24为为计及衰减时计及衰减时u uc1c1和和u uc2c2的变化曲线，的变化曲线，以及由此合成的以及由此合成的双频恢复电压双频恢复电压的波形。的波形。64二、电力系统二、电力系统瞬态恢复电压瞬态恢复电压：实际电力系统回路多样，参数各异，瞬态恢复电压

56、实际波形实际电力系统回路多样，参数各异，瞬态恢复电压实际波形很复杂，一般要通过实测或用电子计算机计算得出。很复杂，一般要通过实测或用电子计算机计算得出。根据统计和归纳，根据统计和归纳，电力系统的瞬态恢复电压电力系统的瞬态恢复电压分为分为两种两种：1. 1. 系统电压低于系统电压低于110kv110kv，或，或虽高于虽高于110kv110kv但短路电流只有最但短路电流只有最大短路电流的大短路电流的10103030，相对较小相对较小的情况。此时的情况。此时瞬态恢复电压近瞬态恢复电压近似于衰减的单频振荡。似于衰减的单频振荡。 此时，此时，恢复电压特性常用恢复电压特性常用“两参数法两参数法”表示。表示

57、。即即瞬态恢复电压峰值瞬态恢复电压峰值u ushmshm（kvkv）和）和峰值时间峰值时间t tm m（ss），或），或恢恢复电压复电压振幅系数振幅系数k km m和和固有振荡频率固有振荡频率f f0 0。 为了反映恢复电压起始部分的变化，为了反映恢复电压起始部分的变化，iec推荐采用推荐采用“两参两参数带时延法数带时延法”。65具体采用下列参数，如具体采用下列参数，如图图2-262-26所示所示：a a 瞬态恢复电压的最大值瞬态恢复电压的最大值u ushmshm（kv）； b b 峰值参考时间峰值参考时间t t3 3（s） ：指按最大平均速度上升到最大值：指按最大平均速度上升到最大值u us

58、hmshm所需的所需的时间；时间； c c 时延时延t td d（s） ，指与恢复电压的起始部分相切且平行于，指与恢复电压的起始部分相切且平行于oaoa的直线（又的直线（又称时延线）与时间轴的交点；称时延线）与时间轴的交点；d d 时延参考电压时延参考电压u u（kv）及及时延参考时间时延参考时间t t（s），指时延线与恢复，指时延线与恢复电压曲线相切的切点所对应的电压及时间。电压曲线相切的切点所对应的电压及时间。66 两参数法的两参数法的缺点：不能正确反映缺点：不能正确反映恢复电压起始部分恢复电压起始部分的变化情况的变化情况，因而，因而无法确定电弧是否重燃无法确定电弧是否重燃。图图2-252

59、-25给出了断口的给出了断口的介质强度恢复曲线介质强度恢复曲线u uj j以及以及两条恢复电压曲线两条恢复电压曲线u uhf1hf1和和u uhf2hf2。u uhf1hf1和和u uhf2hf2具有具有相同的瞬态恢复电压峰值和峰值时间相同的瞬态恢复电压峰值和峰值时间，其中，其中u uhf1hf1的起始上升的起始上升速度高，因此在速度高，因此在t=tt=t1 1时和时和u uj j曲线相交而造成电弧的重燃。曲线相交而造成电弧的重燃。u uhf2hf2则由于起始上升则由于起始上升速度低不和速度低不和u uj j相交而不重燃。相交而不重燃。672. 2. 系统电压高于系统电压高于110kv110k

60、v且短路电流相对于最大短路电流来说百分数较大且短路电流相对于最大短路电流来说百分数较大时，瞬态恢复电压时，瞬态恢复电压包含一个包含一个上升速度较高的初始部分，以上升速度较高的初始部分，以及继之而来的及继之而来的上升上升速度较低速度较低的部分，的部分，采用采用“四参数法四参数法”（为（为最大短路电流的最大短路电流的6060100100）。）。 iec iec推荐的推荐的“四参数法四参数法”中的中的四个参数是四个参数是：第一波幅值第一波幅值u u1 1（kvkv），），达到第一波幅值的时间达到第一波幅值的时间t tl l（ss），），瞬态恢复电压瞬态恢复电压峰值峰值u ushmshm（kvkv）和