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1、风电厂电气系统第六章第六章 导体和电气设备的原理导体和电气设备的原理与选择与选择第二节第二节 高压断路器和隔高压断路器和隔离开关的原理与选择离开关的原理与选择 风电厂电气系统第六章 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教学内容本节教学内容本节教学内容一、电弧的形成与熄灭一、电弧的形成与熄灭二、断路器开断短路电流时的工作二、断路器开断短路电流时的工作状况分析状况分析三、高压断路器的选择三、高压断路器的选择四、隔离开关的选择四、隔离开关的选择首页 风电厂电气系统第六章 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一、电弧的形成与熄灭一、电
2、弧的形成与熄灭 1)1)电弧电弧：是一种气体游离放电现象。是一种气体游离放电现象。2)2)产生电弧的条件产生电弧的条件：用开关电器开断电源电压大于用开关电器开断电源电压大于10 10 20 V20 V，电流大于，电流大于80 100mA80 100mA的电路时，就会发生电弧。的电路时，就会发生电弧。3)3)电弧的特点电弧的特点：能量集中，温度很高，亮度很强；电弧能量集中，温度很高，亮度很强；电弧是良导体。是良导体。4)4)电弧的利用电弧的利用：电弧在工业上有很多有益的应用，例如，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。利用其高温的电弧焊接机，电弧炼钢炉等。5)
3、5)电弧的危害电弧的危害：在开关电器中，电弧是有害的，要求尽在开关电器中，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。路和人身伤亡。第二节第二节 高压短路器和隔离开关的原理与选择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 风电厂电气系统第六章 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一、电弧的形成与熄灭一、电弧的形成与熄灭1.1.电弧的产生与熄灭电弧的产生与熄灭 游游 离离中性质点分解成自由电子和正离子。中性质点分解成自由电子和正离子。去游离
4、去游离电子和正离子相互吸引还原为中性质点。电子和正离子相互吸引还原为中性质点。1)1)电弧的产生电弧的产生 强电场发射：强电场发射：E E=U U/s s 大于大于3 310106 6 V/m V/m时，金属触头时，金属触头阴极表面就会发射自由电子。阴极表面就会发射自由电子。热电子发射热电子发射：在开关分闸时，动静触头之间的接触压力在开关分闸时，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。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。风电厂电气
5、系统第六章 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 加速运动：自由电子，在强电场的作用下，向阳极作加加速运动：自由电子，在强电场的作用下，向阳极作加速运动。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。离原子核的束缚，游离成自由电子和正离子。雪崩：雪崩：游离
6、的游离的结结果果导导致触致触头间头间自由自由电电子数量子数量剧剧增增 。介质击穿产生电弧：介质击穿产生电弧：剧剧增的增的电电子子形成电流，介质被击穿形成电流，介质被击穿而产生电弧。而产生电弧。一、电弧的形成与熄灭一、电弧的形成与熄灭 风电厂电气系统第六章 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 2)2)电弧的维持与发展电弧的维持与发展 由于电弧的由于电弧的 r r 小，电弧形成后，触头间的电压和电场小，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。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由于电弧在燃烧过程中温度很高，可达到
7、几千度甚至上万度，阴极表面继续进行热电子发射。万度，阴极表面继续进行热电子发射。一、电弧的形成与熄灭一、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。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。继续流过，电弧的燃烧得以维持。风电厂电气系统第六章 导体和电气设备的原理与选择第二节 高
8、压断路器和隔离开关的原理与选择3)3)电电弧的熄弧的熄灭灭 复合去游离：正离子和负离子相互吸引而中和成为中性复合去游离：正离子和负离子相互吸引而中和成为中性质点的过程。自由电子的质点的过程。自由电子的 v v 远大于正离子，它们直接复合的远大于正离子，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。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
9、的过程。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，电子和离子的离子的v v减慢而复合成为中性质点。减慢而复合成为中性质点。一、电弧的形成与熄灭一、电弧的形成与熄灭 风电厂电气系统第六章 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 电弧的熄灭：电弧的燃烧是由游离过程维持的，但在电电弧的熄灭：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。弧
10、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。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，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。最终导致电弧熄灭。一、电弧的形成与熄灭一、电弧的形成与熄灭 风电厂电气系统第六章 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2.2.交流电弧的熄灭交流电弧的熄灭 1 1）电弧
11、电流交变，每半个周期过零一次，此时电弧因失去能量而自）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。然熄灭。2 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）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，如图弧的伏安特性是动态的，如图2-12-1所示。在电流增大时，温度来不及增高，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。故图增大。故图6-16-1a a中正方向电流增大时的曲线在电流减小时的上方。中
12、正方向电流增大时的曲线在电流减小时的上方。A A点是电弧产生时的电压，称为燃弧电压。点是电弧产生时的电压，称为燃弧电压。B B点是电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压。点是电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压。图图6-16-1一、电弧的形成与熄灭一、电弧的形成与熄灭 风电厂电气系统第六章 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（1 1）交流电弧熄灭的条件）交流电弧熄灭的条件 1 1）熄灭交流电弧的最佳时机：交流电弧每半周期自然）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。熄灭是熄灭交流电弧的最佳时机。2 2）在电流过零后，弧隙中存在着两个恢复过程。
13、）在电流过零后，弧隙中存在着两个恢复过程。a)a)介质强度恢复过程介质强度恢复过程:由于去游离作用的加强，弧隙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，以耐受的电压间的介质逐渐恢复其绝缘性能，以耐受的电压UdUd(t t)表示。表示。b)b)弧隙电压恢复过程弧隙电压恢复过程:电源电压要重新作用在触头上，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，用弧隙电压将从熄弧电压逐渐恢复到电源电压，用UrUr(t t)表表示。示。一、电弧的形成与熄灭一、电弧的形成与熄灭 风电厂电气系统第六章 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a.a.弧隙
14、介质强度恢复过程弧隙介质强度恢复过程 起始介质强度（近阴极效应）起始介质强度（近阴极效应）在电流过零后的在电流过零后的0.1 10.1 1s s 的短暂时间内的短暂时间内，阴极附，阴极附近出近出现现150 150 250V 250V的起始介质强度，称为近阴极效应。的起始介质强度，称为近阴极效应。一、电弧的形成与熄灭一、电弧的形成与熄灭图图6-46-4 原因：在电流过零的瞬间，弧原因：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，在新阴极附子质量大，基本未动，在新阴极附近就形成了只有
15、正电荷的不导电薄近就形成了只有正电荷的不导电薄层，阻碍阴极发射电子，呈现出一层，阻碍阴极发射电子，呈现出一定的介质强度，如图定的介质强度，如图6-46-4所示。所示。起始介质强度出现后的介质强度的恢复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。却条件和触头分断速度有关。风电厂电气系统第六章 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b b弧隙电压恢复过程弧隙电压恢复过程 电弧为纯电阻性质，电弧电流与弧隙电压同相位，电弧电弧为纯电阻性质，电弧电流与弧隙电压同相位，
16、电弧电流过零时，弧隙电压接近零；电流过零时，弧隙电压接近零；短路时电路电阻很小，电路短路时电路电阻很小，电路呈感性呈感性 ，电弧电流与电源电，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；压不同相位，电弧电流过零时，电源电压不等于零；由于电路参数由于电路参数L L、C C的存在，电弧熄灭后，弧隙电压不可的存在，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。电压。图图6-56-5 风
17、电厂电气系统第六章 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3)3)交流电弧熄灭的条件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：果：如果弧隙电压恢复过程上升速度较快，幅值较大，弧隙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，如图重燃，如图6-66-6a a所示。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，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
18、熄灭，则电弧熄灭，如如图图6-66-6b b和和6-66-6c c所示。所示。故交流电弧熄灭的条件应为：故交流电弧熄灭的条件应为：U Ud d(t)(t)U Ur r(t)(t)图图6-66-6 风电厂电气系统第六章 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 如果能如果能够够采取措施，防止弧隙恢复采取措施，防止弧隙恢复电压电压振振荡荡，将周期性振，将周期性振荡荡特性的恢复特性的恢复电压转变为电压转变为非周期性恢复非周期性恢复过过程，程，电电弧就更容易熄弧就更容易熄灭灭，如，如图图6-66-6c c所示。所示。图图6-66-6一、电弧的形成与熄灭一、电弧的形成与熄灭 风
19、电厂电气系统第六章 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（2 2）熄灭交流电弧的基本方法）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。方法。1)1)利用灭弧介质利用灭弧介质 在高压断路器中，广泛采用去游离作用强的灭弧介质灭弧。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)2)采用特殊金属材料作灭弧触头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
20、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。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 风电厂电气系统第六章 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一、电弧的形成与熄灭一、电弧的形成与熄灭3)3)利用气体或油吹动电弧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
21、体在灭弧室中按特定的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。法。4)4)采用多断口熄弧采用多断口熄弧 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快。使每
22、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。度和幅值，提高了灭弧能力。风电厂电气系统第六章 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5)5)提高断路器触头的分离速度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，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。电弧的冷却加快，有利于带电质点的扩散和复合去游离。一、电弧的形成与熄灭一、电弧的形成与熄灭 风电厂电气系统第六
23、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二二、断路器开断短路电流时的工作状况分析断路器开断短路电流时的工作状况分析 目的：找出恢复电压不振目的：找出恢复电压不振荡的条件及防止振荡的方法。荡的条件及防止振荡的方法。断路器开断短路电流时的断路器开断短路电流时的电路如图电路如图6-4a6-4a所示，其等效电所示，其等效电路如图路如图6-4b6-4b所示，所示，R R、L L为电源为电源和变压器的电阻和电感，和变压器的电阻和电感，C C可以可以认为是变压器绕组及连接线对认为是变压器绕组及连接线对地的分布电容，地的分布电容，r r为断路器触头为断路器触头并联电阻。并联电阻。
24、图图6-46-4 1.1.弧隙电压恢复过程分析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二、断路器开断短路电流时的工作状况分析 风电厂电气系统第六章 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 熄弧后，从瞬态恢复电压过渡到电源电压的时间很短，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，故电源用直直流流电电源源U U0 0来代替。来代替。假设与初始条件：假设与初始条件：i i=0=0时是时间的起点，即时是时间的起点，即t t=0=0 断路器开断短路断路器开断
25、短路电电流流时时的弧隙的弧隙电压电压恢复恢复过过程相当于二程相当于二阶电阶电路路过过渡渡过过程中，程中，电电容容C C两端的两端的电压变电压变化化过过程，即。程，即。如如图图6-7b6-7b所示，当开关所示，当开关S S闭闭合合时时，有，有: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 风电厂电气系统第六章 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整理后整理后,可得线性常系数微分方程：可得线性常系数微分方程：其特征根为其特征根为:微分方程微分方程通解为通解为: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式
26、中式中 c c1 1、c c2 2 积分常数积分常数,其值由初始条件决定其值由初始条件决定.风电厂电气系统第六章 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1)1)当当时，特征根为不等时，特征根为不等负负实根。实根。可解得可解得: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 风电厂电气系统第六章 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一般变压变
27、压器器绕组电绕组电阻阻 ，略去不略去不计计，得，得 从上式可以看出，由于特征根从上式可以看出，由于特征根为负实为负实根，故弧隙根，故弧隙电压电压恢复恢复过过程程为为非周期性的，如非周期性的，如图图6-86-8曲曲线线3 3所示。所示。一般一般，略去不略去不计计，故上式最大，故上式最大值值不会超不会超过过U U0 0，进进一步化一步化简简得得:风电厂电气系统第六章 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 忽略高忽略高压电压电网的网的R R后，若后，若电电网参数网参数满满足足4r4r2 2C/L
28、C/L0.250.25时时特征根特征根为为:则则:UtoUrUr0图6-5 恢复电压非周期性变化过程 可见可见,恢复电压最大值不恢复电压最大值不会超过会超过U U0 0.如图如图6-56-5所示所示.风电厂电气系统第六章 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 对上式微分，可得电流过零时的恢复电压上升速度对上式微分，可得电流过零时的恢复电压上升速度(V/s)(V/s)为为:由上式可知，触由上式可知，触头头并并联电联电阻阻r r可以降低恢复可以降低恢复电压电压的上的上升速度，升速度，r r越小
29、，恢复越小，恢复电压电压的上升速度越低。的上升速度越低。风电厂电气系统第六章 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当当时，特征根为共轭复根。时，特征根为共轭复根。式中式中,-,-衰减系数衰减系数;-;-电路固有震荡频率电路固有震荡频率.二、断路器开断短路电流时的工作状况分析二、断路器开断短路电流时的工作状况分析 风电厂电气系统第六章 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将将、代入，得代入，得:利用欧拉公式化利用欧拉公式化简简，得，得:从上式可以看出，从上式可以看出，1 1、2 2为为共共轭轭复根复根时时，弧隙，弧隙电压电压恢复恢复过过
30、程程为为衰减衰减的周期性振的周期性振荡过荡过程，如程，如图图6-66-6曲曲线线2 2所示，从所示，从图图中曲中曲线线2 2可以看出，周期性可以看出，周期性振振荡过荡过程的恢复程的恢复电压电压上升速度上升速度较较快，幅快，幅值较值较大，大，给电给电弧的熄弧的熄灭带灭带来来难难 。如果断路器触头没有装设并联电阻如果断路器触头没有装设并联电阻(r r=)=)时，时，忽略忽略R R，则，则:式中式中,震荡频率震荡频率二、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 风电厂电气系统第六章 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 a)a)周期性振周
31、期性振荡过荡过程中的弧隙恢复程中的弧隙恢复电压电压最大最大值值可达可达2 2U U0 0 ，如如图图6-66-6曲曲线线1 1所示。所示。b)b)上升速度取固有振上升速度取固有振荡频荡频率的半个周期内的平均速度率的半个周期内的平均速度，由，由 得得二、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图图6-66-6 风电厂电气系统第六章 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当当时时，为为相等的相等的负实负实根根(重根重根)。根据初始条件和公式根据初始条件和公式 及其
32、微分表达式，可求得及其微分表达式，可求得:不不计计R R，从而得从而得:由由罗罗彼塔法彼塔法则则可知：可知：时时，当当 在此种情况下，弧隙在此种情况下，弧隙电压电压恢复恢复过过程仍是非周期性的，但程仍是非周期性的，但处处在在临临界情况。忽略界情况。忽略R R，临临界并界并联电联电阻阻值为值为 风电厂电气系统第六章 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 a)a)当当 r r r rcrcr 时时，弧隙，弧隙电压电压恢复恢复过过程程为为非周期性。在非周期性。在断路器触断路器触头间头间并并联联低低值电值电阻（几欧至几十欧），可以改阻（几欧至几十欧），可以改变变弧弧隙隙电
33、压电压恢复恢复过过程的上升速度和幅程的上升速度和幅值值，可以将弧隙恢复，可以将弧隙恢复电压电压由由周期性振周期性振荡荡特性恢复特性恢复电压转变为电压转变为非周期性恢复非周期性恢复电压电压，大大降，大大降低了恢复低了恢复电压电压的上升速度和幅的上升速度和幅值值，改善了断路器的，改善了断路器的灭灭弧条件弧条件 。b)b)当当 r r r rcrcr 时，弧隙电压恢复过程为周期振荡性过时，弧隙电压恢复过程为周期振荡性过程，对电弧熄灭不利。程，对电弧熄灭不利。临临界并界并联电联电阻阻值值: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 风电厂电气系统第六章 导体和电气设备
34、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 2.2.不同短路形式对断路器开断能力的影响不同短路形式对断路器开断能力的影响（1 1）断路器开断单相短路电路）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当电流过零，工频恢复电压瞬时值为U U0 0U Um m sinsin。通常短路时，功率因数很低，一般通常短路时，功率因数很低，一般coscos 0.150.15，所以所以sinsin1 1。此时此时 U U0 0 U Um m sin sin U Um m 。即起始工频恢复电压，近似地等于电源电压最即起始工频恢复电压，近似地等于电源电压最大值。大值。二、断路器开断短路电流时的
35、工作状况分析二、断路器开断短路电流时的工作状况分析 风电厂电气系统第六章 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（2 2）断路器开断中性点不直接接地系统中的三）断路器开断中性点不直接接地系统中的三相短路电路相短路电路 （a a）电路图电路图 （b b）相量图相量图 图图6 67 A7 A相电弧熄灭后等值电路及相量图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二、断路器开断短路电流时的工作状况分析 风电厂电气系统第六章 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 A A相首先开断，电流过零后电弧熄灭。此时，相首先开断，电流
36、过零后电弧熄灭。此时，B B、C C相仍相仍由电弧短接。由电弧短接。A A相断路器靠近短路侧触头的电位，此时仍相相断路器靠近短路侧触头的电位，此时仍相当于当于B B、C C两相线电压的中点电位。由图两相线电压的中点电位。由图6 67 7（b b）可知可知 可知，可知，A A相开断后，断口上的工频恢复电压为相电压相开断后，断口上的工频恢复电压为相电压的一倍半。的一倍半。（6 62424）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 风电厂电气系统第六章 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 经过经过0.005s(0.005s(电角度电
37、角度 9090)后，后，B B、C C两相的短路电流同两相的短路电流同时过零，电弧同时熄灭。电源电压加在时过零，电弧同时熄灭。电源电压加在B B、C C两相弧隙上，两相弧隙上，每个断口将承受一半电压值。即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。为最大，所以，断口电弧的熄灭，关键在于首先开断相。（5 53232）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 风电厂电气系统第六章 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
38、关的原理与选择 经分析，当系统零序阻抗与正序阻抗之比不大于经分析，当系统零序阻抗与正序阻抗之比不大于3 3时，其首先开断相的恢复电压的工频分量为相电压的时，其首先开断相的恢复电压的工频分量为相电压的1.31.3倍。第二开断相恢复电压的工频分量可为相电压的倍。第二开断相恢复电压的工频分量可为相电压的1.251.25倍。最后开断相就变为单相情况，也就是相电压。倍。最后开断相就变为单相情况，也就是相电压。即：即：（3 3）断路器开断中性点直接接地系统中的三相接地）断路器开断中性点直接接地系统中的三相接地短路电路短路电路二、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 风电
39、厂电气系统第六章 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三、高压断路器选择三、高压断路器选择（一）高压断路器的作用和类型（一）高压断路器的作用和类型 1 1高压断路器的作用高压断路器的作用 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，其作用是产生的电弧，其作用是:1)1)在正常运行时接通或断开有负荷电流的电路；在正常运行时接通或断开有负荷电流的电路；2)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。短路电
40、流。2 2高压断路器的分类高压断路器的分类 根据灭弧介质的不同，高压断路器可以分为以下几种类型。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 1）油断路器）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。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：多油断路器：断路器中的油除作断路器中的油除作为灭为灭弧介弧介质质外，外，还还作作为为触触头头断开后的断开后的间间隙隙绝缘绝缘介介质质和和带电带电部分与接地外壳部分与接地外壳间间的的绝缘绝缘介介质质。风电厂电气系统第六章 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 少油断路器：少油断路器：油只作油只
41、作为灭为灭弧介弧介质质和触和触头头断开后的断开后的间间隙隙绝缘绝缘介介质质，而，而带电带电部分部分对对接地之接地之间间采用固体采用固体绝缘绝缘（例如瓷（例如瓷绝缘绝缘）。）。（2 2）六氟化硫）六氟化硫(SF6)(SF6)断路器断路器 采用采用SF6SF6气体作气体作为灭为灭弧介弧介质质和触和触头头断开后的断开后的间间隙隙绝缘绝缘介介质质的断路器。的断路器。SF6SF6气体是一种无色、无味、无气体是一种无色、无味、无毒、不燃的惰性气体，具有毒、不燃的惰性气体，具有优优良的良的灭灭弧性能和弧性能和绝缘绝缘性能。性能。（3 3）真空断路器）真空断路器 以真空的高介质强度实现灭弧和绝缘以真空的高介质
42、强度实现灭弧和绝缘的断路器。的断路器。（4 4）压缩空气断路器）压缩空气断路器 采用压缩空气作为灭弧介质和触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。头断开后的间隙绝缘介质的断路器。三、高压断路器选择三、高压断路器选择 风电厂电气系统第六章 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（二）高压断路器的技术参数（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：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，额定电压是指高压断路器长期正常工作的线电压有
43、效值，该该参数表征了参数表征了断路器断路器长长期正常工作的期正常工作的绝缘绝缘能力。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，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，该该参数表征了断路器承受参数表征了断路器承受长长期工作期工作电电流流产产生的生的发热发热量的能力。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，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，该该参数参数表征了断路器的表征了断路器的灭灭弧能力。弧能力。3 3额定开断电流额定开断电流 2 2额定电流额定电流 1 1额定电压额定电压 额定关合电流是指在规定条件下，
44、断路器能关合不致产生触头熔焊及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。其他妨碍继续正常工作的最大电流峰值。4 4额定关合电流额定关合电流 风电厂电气系统第六章 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 热稳热稳定定电电流是指在断路器在合流是指在断路器在合闸闸位置位置t t（单单位位为为秒）秒）时间时间所能承受的所能承受的最大最大电电流有效流有效值值。5 5热稳定电流热稳定电流 该该参数表征了断路器耐受短路参数表征了断路器耐受短路电电流流热热效效应应的能力。的能力。t t 称称为热稳为热稳定定时间时间。动稳动稳定定
45、电电流是指断路器在合流是指断路器在合闸闸位置所能承受的最大位置所能承受的最大电电流峰流峰值值，该该参数表参数表征了断路器承受短路征了断路器承受短路电电流流电动电动力效力效应应的能力。的能力。6 6动稳定电流动稳定电流 7 7分闸时间分闸时间 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。间之和。三、高压断路器选择三、高压断路器选择 8 8合闸时间合闸时间 合闸时间是指断路器从接到合闸命令
46、起到各相触头完全接触为止的一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。段时间。风电厂电气系统第六章 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(三三)、高压断路器的选择、高压断路器的选择 1种类和型式的选择种类和型式的选择 种类：种类：610kV610kV电网一般选择少油、真空和六氟化硫断路器。电网一般选择少油、真空和六氟化硫断路器。35kV 35kV电网一般选择少油、真空和六氟化硫断路器，某些电网一般选择少油、真空和六氟化硫断路器，某些35kV35kV屋外屋外配电装置也可用多油断路器。配电装置也可用多油断路器。110330kV 110330k
47、V电网一般选择少油和六氟化硫断路器。电网一般选择少油和六氟化硫断路器。500kV 500kV电网一般选择六氟化硫断路器。电网一般选择六氟化硫断路器。2额定电压选择：额定电压选择：UN UNs 安装地点：屋内和屋外。安装地点：屋内和屋外。3额定电流选择：额定电流选择：IN Imax 4额定开断电流选择额定开断电流选择 断路器的断路器的额额定开断定开断电电流流I INbrNbr应应不小于其触不小于其触头刚刚头刚刚分开分开时时的短路的短路电电流有流有效效值值I Ik k，即，即 I INbrNbr I Ik k三、高压断路器选择三、高压断路器选择 风电厂电气系统第六章 导体和电气设备的原理与选择第二
48、节 高压断路器和隔离开关的原理与选择 开断开断计计算算时间时间tbr：从：从发发生短路到断路器的触生短路到断路器的触头刚刚头刚刚分开所分开所经历经历的的时间时间。为为保保证证断路器能开断最断路器能开断最严严重情况下的短路重情况下的短路电电流，开断流，开断计计算算时时间间等于主保等于主保护动护动作作时间时间tpr1与断路器固有分与断路器固有分闸时间闸时间tin之和，即之和，即:tbr=tpr1+tin 1)对对于非快速于非快速动动作断路器（其作断路器（其tbr0.1s），可略去短路），可略去短路电电流流非周期分量的影响，非周期分量的影响，简简化用短路化用短路电电流周期分量流周期分量0s有效有效值
49、值I”校校验验断路器的开断能力，即断路器的开断能力，即:INbrI”2)对对于快速于快速动动作断路器（其作断路器（其tbr0.1s），开断短路），开断短路电电流中非流中非周期分量可能超周期分量可能超过过周期分量的周期分量的20%，需要用，需要用tbr时时刻的短路全刻的短路全电电流有效流有效值值校校验验断路器的开断能力，即断路器的开断能力，即:三、高压断路器选择三、高压断路器选择 风电厂电气系统第六章 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I Iptpt为为触触头刚刚头刚刚分开分开t tbrbr时的短路电流周期分量有效值，在此可取时的短路电流周期分量有效值，在此可取I
50、 Iptpt=I I”；为为短路短路电电流非周期分量衰减流非周期分量衰减时间时间常数，其中，常数，其中，X X、R R分别为电源至短路点的等效电抗和等效电阻。分别为电源至短路点的等效电抗和等效电阻。5额定关合电流选择额定关合电流选择 如果在断路器关合前已存在短路故障，如果在断路器关合前已存在短路故障，则则断路器合断路器合闸时闸时也会也会产产生生电电弧，弧，为为了保了保证证断路器关合断路器关合时时不不发发生触生触头头熔熔焊焊及合及合闸闸后能在后能在继电继电保保护护控制下自控制下自动动分分闸闸切除故障，断路器切除故障，断路器额额定关合定关合电电流流i iNclNcl不不应应小于短路小于短路电电流最