电力系统的关合

1、电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）电力系统的关合电力系统的关合 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）短路故障的关合一、短路与短路形式 短路是电力系统中最常见的最严重的故障形式，它可能由多种原因所引起。“短路短路”就是指电力系统中一相或就是指电力系统中一相或多相载流导体接地或互相短接，从而把负载阻抗短接掉。多相载流导体接地或互相短接，从而把负载阻抗短接掉。 由短路而在系统中出现的短路电流可达正常工作电流的几十倍甚至上百倍，给电力系统带来十分严重的影响，它将引起电气设备和载流导体的损坏、电力系统稳定性的破坏、继电保护装置的动作及大量甩负荷，产生对通信线路和

2、信号系统的干扰、系统的过电压（如工频电压升高等），为了保证电力系统的安全，应采取限制措施和尽快切除短路故障。 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）引起电力系统短路的原因有如下三种： （1）绝缘破坏； （2）偶然、非人能控制的事故，如小动物灾害等； （3）人为事故。 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）电力系统中性点接地方式电力系统中性点接地方式 电力系统中性点接地方式有两大类:一类是中性点直接接地或经过低阻抗接地，称为大接地电流系统；另一类是中性点不接地，经过消弧线圈或高阻抗接地，称为小接地电流系统。其中采用最广泛的是中性点接地、中性点经过消弧线圈接地和

3、中性点直接接地等三种方式。电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）( (一一) )中性点不接地系统中性点不接地系统 当中性点不接地的系统中发生一相接地时，接在相间电压上的受电器的供电并未遭到破坏，它们可以继续运行，但是这种电网长期在一相接地的状态下运行，也是不能允许的，因为这时非故障相电压升高，绝缘薄弱点很可能被击穿，而引起两相接地短路，将严重地损坏电气设备。 所以，在中性点不接地电网中，必须设专门的监察装置，以便使运行人员及时地发现一相接地故障，从而切除电网中的故障部分。 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分） 在中性点不接地系统中，当接地的电容电流较大时，

4、在接地处引起的电弧就很难自行熄灭。在接地处还可能出现所谓间隙电弧，即周期地熄灭与重燃的电弧。 由于电网是一个具有电感和电容的振荡回路，间歇电弧将引起相对地的过电压，其数值可达(2.53)Ux。这种过电压会传输到与接地点有直接电连接的整个电网上，更容易引起另一相对地击穿，而形成两相接地短路。 在电压为3-10kV的电力网中，一相接地时的电容电流不允许大于30A，否则，电弧不能自行熄灭。在2060kV电压级的电力网中，间歇电弧所引起的过电压，数值更大，对于设备绝缘更为危险，而且由于电压较高，电弧更难自行熄灭。因此，在这些电网中，规定一相接地电流不得大于10A。电力开关设备（高压电器部分）电力开关设

5、备（高压电器部分）( (二二) )中性点经消弧线圈接地系统中性点经消弧线圈接地系统 当一相接地电容电流超过了上述的允许值时,可以用中性点经消弧线圈接地的方法来解决，该系统即称为中性点经消弧线圈接地系统。 消弧线圈主要有带气隙的铁芯和套在铁芯上的绕组组成，它们被放在充满变压器油的油箱内。绕组的电阻很小，电抗很大。消弧线圈的电感，可用改变接入绕组的匝数加以调节。显然，在正常的运行状态下，由于系统中性点的电压三相不对称电压，数值很小，所以通过消弧线圈的电流也很小。采用过补偿方式,即使系统的电容电流突然的减少(如某回线路切除)也不会引起谐振，而是离谐振点更远。电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（

6、高压电器部分） 在中性点经消弧线圈接地的系统中，一相接地和中性点不接地系统一样，故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高至 倍，三相线电压仍然保持对称和大小不变，所以也允许暂时运行，但不得超过两小时，消弧线圈的作用对瞬时性接地系统故障尤为重要，因为它使接地处的电流大大减小，电弧可能自动熄灭。接地电流小，还可减轻对附近弱点线路的影响。 在中性点经消弧线圈接地的系统中,各相对地绝缘和中性点不接地系统一样,也必须按线电压设计。 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）（三）中性点直接接地系统（三）中性点直接接地系统 中性点的电位在电网的任何工作状态下均保持为零。在这种系统中，当发生一

7、相接地时，这一相直接经过接地点和接地的中性点短路，一相接地短路电流的数值最大，因而应立即使继电保护动作，将故障部分切除。 中性点直接接地或经过电抗器接地系统，在发生一相接地故障时，故障的送电线被切断，因而使用户的供电中断。运行经验表明，在1000V以上的电网中，大多数的一相接地故障，尤其是架空送电线路的一相接地故障，大都具有瞬时的性质，在故障部分切除以后，接地处的绝缘可能迅速恢复，而送电线可以立即恢复工作。目前在中性点直接接地的电网内，为了提高供电可靠性，均装设自动重合闸装置，在系统一相接地线路切除后，立即自动重合，再试送一次，如为瞬时故障，送电即可恢复。电力开关设备（高压电器部分）电力开关设

8、备（高压电器部分） 中性点直接接地的主要优点是它在发生一相接地故障时,非故障相地对电压不会增高, 因而各相对地绝缘即可按相对地电压考虑。电网的电压愈高，经济效果愈大；而且在中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中，单相接地电流往往比正常负荷电流小得多，因而要实现有选择性的接地保护就比较困难，但在中性点直接接地系统中，实现就比较容易，由于接地电流较大，继电保护一般都能迅速而准确地切除故障线路，且保护装置简单，工作可靠。电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分） 三相电力系统中存在着中性点直接接地（或经低阻抗接地）和不直接接地（或经高阻抗接地）两种形式，当发生一相或多相载流导体接地或相互

9、短接时，就会出现多种不同的短路形式，主要有六种不同情况。 (a)中性点接地系统的单相接地短路 (b)中性点接地系统的两相接地短路 (c)两相不接地短路 (d)中性点接地系统的三相接地短路 (e)三相不接地短路 (f)中性点不接地系统中断路器异侧两相接地短路 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分） 短路可以发生在发电厂附近电网中（即发电机近旁），也可以发生在远离发电厂的输配电电网中。前者因发电机的影响，单相短路电流最大、三相短路电流最小。运行部门常采取措施将单相短路电流降低到三相短路电流的水平。后者的单相和三相短路电流基本相等，而两相短路电流较小。 当三相短路时，通常考虑三相阻

10、抗相等，三相同时发生短路，短路点也是理想的金属短接的情况，因此三相的电压和电流是对称的（数值相同，但相位不同），这样的短路称为对称短路对称短路；而其它的短路方式，则各相电路中的电流、电压和相位角都不同，统称为不对称短路不对称短路方式。 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）二、短路故障的关合（接通） 开关电器要求能关合短路的原因有： （1）系统中存在“预伏故障”，接通电路时实际上关合了短路故障。电网中在电路接通前已存在或接通瞬间发生的短路故障称为预伏故障。这是非人能预知和控制的。 （2）自动重合闸操作的需要：短路故障大多数是临时性故障、约占85；只有少数是永久性故障，约占5。

11、为保证供电可靠性和自动区分故障线路（自动重合器与分段器的配合），需要断路器和重合器去关合短路。我们常称这种重合闸为试探性重合闸。 （3）人为接地短路操作 （4）误操作关合短路：这是人为因素的事故，应尽量避免。 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分） 触头在关合过程中，特别是关合短路时，可能产生触头焊接。这种焊接过程与触头处于闭合位置通过短路电流而产生的焊接情况是不同的。这些差别表现在: (1)触头的接触面在关合前可能已被预热甚至熔化。例如触头在关合过程中，当动、静触头间的距离很近时，触头间可能由于预击穿而出现电弧。电弧将使触头表面发热、熔化。又如在快速重合过程中，断路器在开断

12、短路故障后很快又重新关合。这样，触头在关合前已被电弧灼热、熔化。由于这一情况，触头在重合过程中的关合更容易导致触头熔焊。 (2)在关合过程触头刚刚接触时，压紧触头的力量是触头的初压力。初压力较终压力低，这也容易导致触头熔焊。 (3)在关合过程中，触头可能发生振动。电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）三、单相短路电流波形 sinmeUtRL在同一电路情况下，无论开关闭合和系统工作时发生短路，还是发生了关合短路故障，在电路中出现的短路电流应是相同的，其等值电路也是相同的。 设电源电压)tsin(Uem ，为短路发生时的电压相位角，也可称为短路合闸相位角，L、R 为短路时回路的等

13、效电感和电阻 （假定为集中参数， 且为定值） ，则 回路短路阻抗 22R)L(Z 短路阻抗功率因数角 RLtg1 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）从短路开始计时，,i00 可求解得电流表达式： tLRdmdmtLRmmde )sin(I)tsin(Ie )sin(zU)tsin(zUi 式中：Z/UImdm 。 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）1短路电流的组成：它由周期分量和非周期分量两部分组成： )tsin(Iidmd 和tLRdmde )sin(Ii 周期分量di是一个幅值为Z/UImdm 的交变分量，且是一个稳态分量。dmI即为短路电流周期

14、分量的幅值，或称短路电流的稳态幅值。 非周期分量 di是一个指数衰减函数曲线，经过一定时间后即衰减至零。 2两个特殊情况： （1）当0 或时，0 di，即不存在非周期分量，只有周期分量。 （2）当2 时， di最大，非周期分量起始值即为dmI。 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）3短路电流的最大幅值与短路冲击系数： 短路电流最大幅值通常在短路后的半个周期，即s.t010 时出现，这一最大幅值常称为短路冲击电流 )e(II.LRdmc0101 式中当0 时，取负值； 时取正值。 短路冲击电流与短路电流稳态幅值之比称为短路冲击系数cK： L/R.dmcceIIK0101 据统

15、计，目前电网实际可能出现最大冲击电流的情况为,.cos070 086 ， ,msR/LT45 ， 从而可得到最大的短路冲击系数8110450010.)e(K.cm ，这也是现有标准中规定的值。随着电压等级的升高和电网容量的增大，cos和时间常数 T 都会有所变化，使最大短路冲击系数可能再增大。个别发电机近旁发生的短路，已经取值为 1.9。 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）4.角对短路电流的影响： 短路发生时电压相位角是一个随机值，一般可作为等概率事件来考虑，即任何角值发生的可能性是相同的。可见，短路合闸相位角对短路电流会发生重要影响。 显然，当0 或时，仅有周期分量，如

16、图上曲线 3。 当 0时， ，非周期分量为正值，如图中曲线 1 和 2。在非周期分量未衰减完前（即存在非周期分量时） ，短路电流波形中可见第 1、3、5个电流半波（奇数半波）的电流幅值均比dmI大，且半波持续时间长，超过ms10，这些半波就称为大半波（即幅值大而时间长的电流半波） 。而第 2、4、6个电流半波（偶数半波）的电流幅值小于dmI，持续时间小于ms10，这些半波就称为小半波（即幅值小而时间短的半波） 。 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）四、三相短路时的电流波形 L/RtdmdmdAe )sin(I)tsin(Ii L/RtdmdmdBe )sin(I)tsin

17、(Ii 3232L/RtdmdmdCe )sin(I)tsin(Ii 3232电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）电容电路的关合与涌流一、电容电路接通时的电压变化 uL L1CQ QD D电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）2121102010111020000000sin()1sin()cossin111sin()cossin00cossin()(sin )cossin2sinCCmCmCmCCmCmmCmmd uLCuUtdtCuUtttLCLCLCuUttttuUiUuUtUUttUUU通常时uL L1CQ QD D电力开关设备（高压电器部分）电力

18、开关设备（高压电器部分） 电力系统运行时主要在以下两种情况时需要关合空载输电线路 正常操作的需要，如输电线路检修后投人运行； 线路短路故障切除后的自动重合。 空载输电线路是一个对地分布电容，可看成是一个电容性负载。空载长线可用一个链形网络来等效。在通常情况下，即空线上没有残余电荷和初始电压（如接有电磁式电压互感器，可释放电荷），在关合此空线时，由于电压波在线路上行进到开路末端反射，在线路上最多产生2倍电源电压幅值（三相时指相电压）。二、空载长线接通时的过电压 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分） 关合空载线路时，过电压与合闸瞬间的电源电压（合闸相位关合空载线路时，过电压与合

19、闸瞬间的电源电压（合闸相位角角) )和线路的残余电压有关。和线路的残余电压有关。 产生过电压的根本原因是产生过电压的根本原因是L L与与C C1 1的振荡造成的。的振荡造成的。 当空载输电线路上没有初始电压关合时，过电压可达当空载输电线路上没有初始电压关合时，过电压可达2 2倍；倍；如空载长线上有初始电压，其极性在合闸时又与电源电压极如空载长线上有初始电压，其极性在合闸时又与电源电压极性相反，则关合时就可能在空载输电线路上出现性相反，则关合时就可能在空载输电线路上出现2 23 3倍的过倍的过电压。电压。 空载输电线路上具有初始电压的关合情况，通常是在自动重空载输电线路上具有初始电压的关合情况，

20、通常是在自动重合闸关合时出现。当空载输电线接在电源上时，其上即为电合闸关合时出现。当空载输电线接在电源上时，其上即为电源电压，当某种原因断路器跳闸分断时，在电流零点熄弧，源电压，当某种原因断路器跳闸分断时，在电流零点熄弧，此时电容上的电压为电源电压幅值，如果电荷无法泄漏或释此时电容上的电压为电源电压幅值，如果电荷无法泄漏或释放很慢，则电压就维持在最大值或某一值；若断路器立即自放很慢，则电压就维持在最大值或某一值；若断路器立即自动重合闸，则就是关合具有初始电压的电容负载；在最严重动重合闸，则就是关合具有初始电压的电容负载；在最严重的条件下，此时就会产生最大可达的条件下，此时就会产生最大可达3 3

21、倍的过电压。倍的过电压。 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分） 对电压等级对电压等级220kV220kV及以下的电网，其绝缘水平能够承受及以下的电网，其绝缘水平能够承受3 3倍倍以下的过电压。但对以下的过电压。但对330kV330kV及以上的电网，其绝缘水平均较低，及以上的电网，其绝缘水平均较低，在选择和确定绝缘时允许的过电压倍数，在选择和确定绝缘时允许的过电压倍数，330kV330kV电网取电网取2.752.75，500kV500kV电网取电网取2.52.5。显然在最不利条件下关合空载输电线路时可。显然在最不利条件下关合空载输电线路时可能产生的过电压倍数已超过其绝缘水平，

22、从而会危及系统绝缘能产生的过电压倍数已超过其绝缘水平，从而会危及系统绝缘安全，必须采取降低过电压的措施。安全，必须采取降低过电压的措施。 现已采用的降低过电压的措施有：现已采用的降低过电压的措施有： （1 1）断路器加装合闸用并联电阻；）断路器加装合闸用并联电阻； （2 2）选相合闸：在关合空载长线时，使断路器在电源电压）选相合闸：在关合空载长线时，使断路器在电源电压与初始电压同极性时关合。与初始电压同极性时关合。 目前正在目前正在500kV 500kV 系统中试运行的选相合闸断路器，其关合系统中试运行的选相合闸断路器，其关合精度为精度为1ms1ms。电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（

23、高压电器部分）三、并联电容器组运行中的涌流 目前电网中已广泛采用并联电容器组来调节电网电压，改善功率因数，降低线损，以提高供电质量和减少运行费用。由于电网调节的需要，投切电容器组的操作相对来说是比较频繁的。除了对投切电容器组时的操作过电压需进行研究外，还必须研究电容器组运行过程中的涌流问题。 涌流(surge current)是一个幅值比电容器正常工作电流大几倍至几十倍，持续时间很短的高频衰减电流。过大的涌流会造成系统中其它电器设备的损坏，因此对可能出现过大涌流的场合，必须采取一定的措施，使涌流的大小限制在允许的范围以内。电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分） 电容器组接入电

24、网时，通常需要断路器来进行投切的操作。为了保护电容器免于内部故障时发生爆炸，电容器保护方式中以单台熔断器保护（即用一个熔断器单独保护一台电容器）为最简单，也比较可靠。因此一般电容器组的接线原理是：每一台电容器C（也称电容器单元）与一个保护用熔断器RD串联，然后多台并联后用一断路器DL接入电网。对于三相系统则每相电容器并联后以星形或三角形连接的方式接入电网。 对于用作投切电容器组的断路器，除了考虑到开断电容电流的性能外，还要考虑合闸操作时合闸涌流的影响以及是否会因合闸涌流而引起开断性能的变坏等。 合闸涌流在系统中是一种暂态过电流，在它作用下保护用熔断器不能熔断，否则就是误动作，因此熔断器还必需具

25、有一定的抗涌流能力。 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）ULCLCLCLCLs电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）涌流幅值 ffIII01m01mm1y 式中01f为涌流振荡频率，f 为工频频率 50Hz。 若将涌流幅值与工作电流有效值之比称为涌流倍数 K。则 ff222/IImIIK0101mm1ycm1y1 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）在三相电力系统中， 已知电容器组三相总容量为2rcmCUP，（kVAR） ，其中 mC 为每一相的电容量（F） ；电容器组安装处的三相短路容量为dP，（kVA） ，可得单组电容器组关合时每

26、一相的涌流幅值 rcdcdm01mymUpp32PpIII 式中：rccmU3P2mI2I ，即为电容器组每相工作电流； （A，有效值；rU为系统最高工作电压或电气设备额定电压， （kV，有效值） 。 且涌流倍数cdP/PK 21 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）（1）合闸涌流的幅值与涌流的振荡频率有关。也即与线路电感和电容器组的电容有关。涌流倍数与f/f01（即涌流频率和电源工频之比）成正比。 （2）流经断路器的合闸涌流，其幅值与电容器组的容量和装设地点短路容量的乘积的平方根成正比。 （3）合闸涌流倍数与电容器装设地点的短路容量的平方根成正比，而与电容器组容量的平方根

27、成反比。在短路容量相同的地点投入电容器组时，电容器组的容量愈小，则流过单台电容器及保护用熔断器的涌流倍数愈大。 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）电容器分组投入时的涌流电容器分组投入时的涌流 在实际运用中，由于容量上或运行上的需要，有时把电容器分成几个组，每个组由一台断路器控制再接入母线。电容器组各组间为并联，安装位置也相距较近，运行时电容器组将按顺序投入电网。在第一组投入时，所产生的涌流就是单组投入时的合闸涌流。第二组投入时，除由电源产生的涌流外，第一组已充电的电容器也要向第二组电容器充电，也产生涌流，所以在被投入的回路中所产生的涌流为上述两种涌流的叠加。以后几组电容器

28、投入时的情况与第二组的情况相同。只是在每投入一组后，已充电的电容器组的容量有所增大。与前面分析相同，当电源产生的涌流在达到其最大值时，因电容器组之间所产生的涌流（因频率更高）已经早就衰减完，即分组投入时的涌流主要取决于组间产生的涌流。所以分组投入时涌流的计算，只要计算电容器组投入电网时近旁已有电容器组在运行的情况即可。 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）设有 n 组容量各为 mPc 的电容器组。 （n-1）组已投入电网，当第 n 组在电源电压幅值时投入，电容器组间因电位均等过程而产生的涌流可如下计算， （因电源产生的涌流可照前述计算） ，如假定各组间的电感和电阻均相等，各

29、为 L2及 R2。第 n 组电容器上没有残余电荷。求解可得： tsineIn1ni02tm022y2 涌流幅值为： m02m2yIn1nI 上两式中：Im最后投入的电容器组的工频工作电流幅值； mC每一电容器组的电容； 02022221f;mCL ， 02f和02为电容器组间电位均等时涌流的振荡频率和角频率。 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）（1）由于电容器组间距离较近，组间电感总比线路的电感要小得多，即0102 ,因此，电容器组间所产生的涌流无论频率或幅值都比因电源产生的涌流要大。 （2）在已有电容器投运的地点，再投入电容器组时，则所产生的涌流要比单组投入时为大。 且

30、先已投运的电容器组容量愈大，则涌流也愈大。 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）开断电容器组发生重击穿时的涌流开断电容器组发生重击穿时的涌流 在开断电容器时，若由于开关发生重击穿，相当于把电容器又投入电网，因而也要产生涌流。考虑最严重的情况，即在电源电压幅值时开断电容器组，且电容器上的电荷还来不及释放，又在反向幅值时重击穿，此时相当于两倍电压幅值时投入电容器组，因此涌流幅值也加倍。若多次反复击穿，则涌流逐步更大，并将在电容器上产生很高的过电压。 电力开关设备（高压电器部分）电力开关设备（高压电器部分）电容器组内电容器单元故障时的涌流 由多台电容器并联成一个电容器组，当其中任一台电容器发生内部短路（整个单元全部短路）或外部短路故障时，那么其它健康的电容器均将向故障电容器放电而产生涌流。以短路发生