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1、2 2 本综述涉及到的部分术语和定义本综述涉及到的部分术语和定义 1,2,3,4,5,6,7,8,9 1,2,3,4,5,6,7,8,92.1 电弧长度 电弧中心线的长度。2.2 电弧电压 电弧两端间的电压降。2.3 电弧零点 电流波形上电流值为零的点。2.4 弧后电流 电弧电流过零后，在瞬态恢复电压作用期间，流经开关设备弧隙的电流。2.5 电流截断（截流）电流在自然零点前，突然降至零的现象。第1页/共114页2.6（电弧）电流零区 电弧电流零点前后的一段时间。通常指电弧电压开始显著变化起，到弧后电流过零瞬间的时间。2.7 半波（电流的）由两个连续的电流零点，所包含的电流波部分。2.8 大半波
2、 两个相邻的电流零点间的时间间隔，比电流的对称 交流分量的半周期长的半波。2.9 小半波 两个相邻的电流零点间的时间间隔，比电流的对称 交流分量的半周期短的半波。第2页/共114页2.10 复燃 开关在开断过程中，在电流过零且熄弧后，在1/4 工频周期以内，触头间非剩余电流的电流重现。2.11 重击穿 开关在开断过程中，在电流过零且熄弧后，在1/4 工频周期及以上的时间内，触头间非剩余电流的电流重现。2.12 失步条件 断路器两侧的两个电力系统之间，失去或缺乏同步 的不正常回路条件。在该条件下，断路器操作瞬间，代表两侧电压的相量（旋转矢量）间的相位差超过了正常值，甚至可能达到 180。（反相）
3、。第3页/共114页42.13 失步（关合或开断）能力 在规定的使用和性能条件下，在断路器两侧的电网间，失去或缺乏同步时的关合或开断能力。2.14 中性点绝缘系统 除了经阻抗极高的测量或保护装置接地之外，（电源）中性点不与地连接的系统。2.15 单个电容器组 一组并联的电容器，当其投入时，其涌流被电源系统的电感和正在充电的该电容器组的电容所限制，而且没有足够近的、会显著提高涌流的其他电容器组并联在系统中。第4页/共114页52.16 多个（并联）电容器组，背对北电容器组 一组并联的电容器或电容器组合，当它的各个电容器单元独立地投入电源系统时，已经接入电源的电容器，会显著地增大将要投入的电容器单
4、元的涌流和电动力。2.17 操作顺序 具有规定时间间隔和顺序的一连串操作。2.18 不成功自动重合（闸）操作 开关自动重合后，由于外界的原因，无任何有意延时，开关又立即自动分的操作顺序。2.19 对称开断 对不含直流分量，或直流分量的影响可以忽略的短路 故障电流的开断。2.20 非对称开断 对直流分量的影响不可忽略的短路故障电流的开断。第5页/共114页2.21 预期峰值电流（开关设备的）电流瞬态过程起始后，出现的第一个大半波预期电流的峰值。2.22 额定短路关合电流 在额定电压以及规定使用和性能条件下，开关设备能保证正常关合的最大短路峰值电流。2.23 关合电容器组涌流 在规定条件下关合电容
5、器组时，开关设备关合所产生的高频衰减电流，其峰值比电容器组工作电流大很多。2.24 额定短路开断电流 在规定条件下，断路器能保证正常开断的最大短路电流。2.25 开断电流交流分量 开断电流中的交流分量有效值。第6页/共114页72.26 开断电流直流分量 开断电流中的直流分量与交流分量峰值之比，以百分数表 示（见图1）。注：三相电力系统中，取三相中最高百分数。图1 直流分量百分数及短路关合和开断电流的确定 AA和BB-电流波的包络线；CC-任一时刻电流波对零线的偏移；BX-标准零线；DD-任一时刻交流分量的有效值，由CC测取；EE-触头分 离时刻（开始起弧)；IMC-关合电流；IAC-在EE时
6、刻交流分量的峰值；IDC-在EE时刻电流的直流分量；-在EE时刻电流的交流分量有效值；-直流分量的百分数第7页/共114页82.27 临界（开断）电流 小于额定短路开断电流的开断电流值。在该电流下，其 燃弧时间最长，且比额定短路开断电流下的燃弧时间显著地加长。它假定是在试验方式T10、T30和T60中的任一最短燃弧时间，长于相邻试验方式的最短燃弧时间一个半波或更多的情况。注：此术语常用在自能灭弧（如油断路器）的开关设备，一般 小于T10时，燃弧时间显著加长较难开断。真空 开关属于外（他）能灭弧，经国内外多年试验研究，在各种开断试验方式中，没有明显的临界电流。2.28（空载线路的）线路充电开断能
7、力 在规定条件下，开断空载运行的架空线时的开断能力。2.29（空载电缆的）电缆充电开断能力 在规定条件下，开断空载运行的绝缘电缆时的开断能力。2.30 单个电容器组开断电流 在规定条件下，开断单个电容器组时的开断电流。第8页/共114页92.31 背对背电容器组开断电流 在规定条件下，当开关设备电源侧接有并联电容器组时，开断电容器组的开断电流。2.32 恢复电压 开断电流熄弧后，出现于开关设备一个极断口间的电压。该电压可以认为是 连续的两段，起初是瞬态恢复电压，接着是工频恢复电压（见图2）。图2 恢复电压 -恢复电压；-瞬态恢复电压；-工频恢复电压第9页/共114页102.33 瞬态恢复电压（
8、TRV)具有显著瞬态特性的恢复电压。注：该电压取决于回路和断路器特性，它可以是振荡的 或非振荡的或两者的组合。在三相回路中，若无另 外说明，该电压指首开极上的电压。2.34 工频恢复电压 瞬态电压现象消失后的恢复电压。注：本定义也适用于直流，其频率可以认为是零。2.35 预期瞬态恢复电压（固有瞬态恢复电压）理想断路器开断，无直流分量的预期对称电流之后的瞬态恢复电压。注：定义假定获取瞬态恢复电压的断路器，以理想断 路器代替。即其零电流（即“自然”电流零点）瞬间，弧隙阻抗由零突变至无穷大；对三相回路，定义还假定理想断路器中的开断仅 发生在首开极上。第10页/共114页112.36 两参数法（额定瞬
9、态恢复电压的）用瞬态恢复电压的峰值、峰值时间两个参数表示瞬态恢复电压的方法（见图3）。它一般适于近似衰减的单频振荡的恢复电压。两参数法用于额定电压126kV以下的三极中压断路器开断时的预期瞬态恢复电压。图3 由两参数表示的TRV uc-峰值（参考电压），kV；ta-时延；t-时延参考时间；u-时延参考电压；t3-峰值时间（达到uc的时间），s第11页/共114页122.37 瞬态恢复电压上升率 瞬态恢复电压与时间的比值。如2.36中：uc/t3kV/s。2.38 振幅系数 瞬态恢复电压的最大幅值与工频恢复电压的峰值之比。2.39（三相系统中的）首开极系数 开断三相对称电流时，三相短路第一相开断
10、后，其两端的工频电压与三极都开断后的一极或所有极的工频电压之比。2.40 一极燃弧时间 从一极中起弧瞬间，到该极中电弧最终熄天瞬间的时间间隔。2.41 三极开关的燃弧时间 从某极中首先起弧瞬间起，到各极均熄弧瞬间的时间间隔。第12页/共114页132.42 开断时间 从开断设备接到分闸指令起，到各极均熄弧的时间间隔。2.43（回路的）功率因数 开关设备开合试验回路，假定是由电感和电阻串联组成的等效回路，在工频时，电阻与感抗的比值（不包括负荷的阻抗）。2.44 非保持破坏性放电（NSDD)真空断路器在工频恢复电压阶段，触头间的破坏性放电，导致流过与断口临近的杂散电容相关的高频电流。注：经过一个或
11、几个半波高频电流后，非保持破坏性放 电就被断开。2.45 直接试验（开断和关合能力的）一种短路试验方法（装置），其外施电压、电流、瞬态和工频恢复电压，全部取自一个单独的电源。如冲击发电机系统、网络试验装置和振荡回路。第13页/共114页142.46 合成试验 用两个电源：低电压、大电流电源，和高电压、小电流电源共同供电。2.47 单相试验 对开关设备的一极所进行的试验。2.48 三相试验（整体试验）用三相电源对开关设备的三极所进行的试验。注：从使用的等价性、和试验的严酷性考虑，当试验条 件具备时，三极开关设备优选三极直接试验。2.49 保护断路器 短路试验装置中，起后备保护作用的断路器。通常，
12、限定在被试开关设备动作后，按规定时间分闸。2.50 E1级断路器 一种不属于E2级断路器范畴内的、具有基本的电寿命的断路器。第14页/共114页152.51 E2级断路器 一种断路器，在其预期使用寿命期间，主回路中开断用的零件不需维修，其他零件只需很少维修（具有延长的电寿命的断路器）。注1：很少维修是指润滑、补充气体（适用时）及清洁外 表面。注2：本定义仅适用于额定电压40.5kV及以下的配电断路 器。2.52 C1级断路器 一种断路器，在规定的型式试验验证容性电流开断过程中，具有低的重击穿概率。2.53 C2级断路器 一种断路器，在规定的型式试验验证容性电流开断过程中，具有非常低的重击穿概率
13、。第15页/共114页162.54 EO级接地开关 适合于输、配电系统中使用的、且满足有关标准一般要求的接地开关。2.55 E1级接地开关 具有短路关合能力的EO级接地开关。注：该级接地开关，能够在额定关合电流下，经受两次 关合操作。2.56 E2级接地开关 适合于35kV及以下的系统中使用的、具有延长的短路关合操作次数的、且需要最少维护的E1级接地开关。注：通过在额定关合电流下五次关合操作，来证明该级 接地开关，可以降低维护要求，只需最少的维护，如润滑、补气（适用时）和清洁外表面。第16页/共114页172.57 隔离开关 在分闸位置时，触头间有符合规定要求的绝缘距离和明显的断开标志；合位时
14、，能承载正常电流和在规定时间内的异常（如短路）电流的开关设备。注：当回路电流“很小”时；或者当隔离开关每极的两 接线端间的电压，在关合和开断前后无显著变化 时，隔离开关具有关合和开断回路的能力。2.58 E1级通用负荷开关 适用于配电系统的正常连续馈电，且不需要进行频繁开合操作的通用负荷开关。2.59 E2级通用负荷开关 不需要对主回路的开断部件检查或维护，且在预期的使用寿命期间，其他零件仅需很少维护的通用负荷开关。注：很少维护可能包括润滑、更换气体和清洁外表面 （适用时）。第17页/共114页182.60 E3级负荷开关 具有频繁开合较大电流，和较高频率关合短路能力的通用负荷开关。2.61（
15、负荷开关的）有功负载开断能力 开断有功负载回路，该回路功率因数最少为0.75。其负载可用电阻和电抗并联表示。2.62（负荷开关的）闭环开断能力 开断闭环配电线路，或开断两个并联电力变压器或多个并联电力变压器的能力。即负荷开关开断后，其两侧均带电，且其端子间的电压基本上小于系统电压。2.63 负荷开关-熔断器组合电器 一种组合电器，它包括一组三极负荷开关及配有撞击器的三只熔断器。任何一个撞击器的动作，会引起三极负荷开关三极全部自动分闸。第18页/共114页192.64 脱扣器操作的组合电器 一种组合电器，它的负荷开关的自动分闸，是由过流脱扣或并联脱扣器触发的。2.65 转移电流（撞击器操作）在撞
16、击器操作下，开断职能由熔断器转移到负荷开关时的三相对称电流值。注：大于该值，三相电流仅由熔断器开断。稍小于该值，首先开断极的电流由熔断器开断，而后两相电流由 负荷开关或者熔断器开断。这取决于熔断器的时间-电流特性偏差，以及熔断器触发的负荷开关的分闸 时间。2.66 交接电流（脱扣器操作）两种过流保护装置的时间-电流特性交点的电流值。第19页/共114页203 3 本综述涉及到的基础知识和一些基本问题 本综述中的三相电路 系统，只讨论星形接线的电源（变压器或发电机）中性点不接地运行方式。3.1 处于稳定、平衡正常工作状态（稳态）下的对称三相电路 13的 P131，12的P1333.1.1 有关图
17、形 见图四。（a）三相电路等值电路图第20页/共114页21 （b）电压、电流矢量图 （c）电压、电流波形图 图4 不接地对称三相电路的等值电路图与电压、电流矢量图和波形图3.1.2 对电路中电压、电流的数理分析 a）电压、电流的代数表达式 电压：ua=um sin(t+)ub=um sin(t+-120。)uc=um sin(t+120。)（式1）第21页/共114页22 电流：ia=Im sin(t+-。)ib=Im sin(t+-。-120。)ic=Im sin(t+-。+120。）式（1）、（2）中：-电源电势初始相角，即t=0时的相位角，也称 合闸角；。-稳态电流与电源电势间的夹角，
18、。b）在图4所示三相平衡电路里，三相电压（电流）遵 循合成值恒为零的原则。即电路中任一节点（如 某测量点）上的任何时刻，或任何时刻电路上的 任何节点，其电压（电流）的代数或矢量和皆为 零。即（式1）或（式2）的代数和为零；图4（b）矢量图中，用图解法得出的几何矢量和为零；或 图4（c）波形图中，任一时刻tt上电压（电流）值的瞬时值代数和为零。以上恒零原则，是由旋 转发电机的固有特性决定的。（式2）第22页/共114页23 c)根据平衡三相电路的上述“恒零”原则，电路中任 何地方的三相电压、电流都是平衡的。若忽略线路 电压降，在电路上任一点接上负载（平衡负载），接后也都是平衡的。图4（a）三相电
19、路中，电压中 性点（零点）N和负载中性点N同电位，且均等于 大地电位（即 =0)。中性点对中线（若有时）的电压、电流均为零。3.2 不对称三相电路中的一些常见实例3.2.1 非全相运行13的P187 a)电力系统会发生一相或两相断开的运行状态（如导 线一相或两相断线；线路短路后，故障相熔断器熔 断；或开关设备合闸时，三相不同步未同时接通）。这种情况称为非全相运行。电力系统非全相运行时，一般没有危险的大电流和高压产生，不会对系统造 成大的危害。但负序电流的出现，对发电机的转子第23页/共114页24 有危害，零序电流对通信线路有干扰。另外，负序 和零序电流也可能引起某些继电保护装置的误动作。b)
20、图5示-10kV三相系统，当A相熔断器熔断后，若配电 线路变压器的低压侧（0.4kV)接有三相电动机，两 相运行时，转速降低，电流增大会烧毁电动机。一 般预装式变电站中的“欧式”箱变，装有负荷开关-熔断器组合电器，一相熔断器熔断后，高压侧的负 荷开关就跳闸防止非全相运行；而“美式”箱变的 负荷开关和熔断器之间没有联动，单相熔断器熔断 后，需从低压侧进行非全相运行保护。图5 一相（A相）断线的电路图 R-熔断器；M-三相电动机；T-配电变压器第24页/共114页253.2.2 中性点不接地系统单相接地时的电压电流13的P11(a)电流分布(b)电压、电流矢量图图6 中性点不接地系统单相接地时的电
21、压电流a)图6所示中性点不接地系统，若在A相的d点发生 单相接地，则接地点流过另外两非故障相（B相和C相）的对地电容电流：。该电流是容性的，其值不大，但易在接地点产生电弧。中性点电压第25页/共114页26 由正常时的 =0，变为 =-。因而，各相对地 电压变为：，。即非故障相B相和C相的相电压 升高到线电压。b)电力系统中，单相接地的发生概率高达65%13的P129。但中性点不接地系统，单相接地电流只是网络中比较小 的电容电流。此时，三相线电压也保持不变（若降压变 压器二次侧电压为0.4kV,二次侧用户电压也不变）。所 以，接地保护装置，不会使断路器跳闸，只给出信号 （掉牌）。电力规程规定可
22、继续运行12h,这就提高了 供电的可靠性。但单相接地时，两非接地相对地电压升 高为线电压，开关设备及系统对地绝缘水平应按线电压 设计，电压高时就不经济。若绝缘裕度不够，也可形成 相间短路，使事故扩大。接地点流过的电容电流，易出第26页/共114页27 现电弧引起的谐振过电压。所以，必须尽快排查接 地故障点。一般，若Id5A,且为瞬时接地时，系 统可迅速恢复正常；若Id5A，易产生电弧，采用 中性点经消弧线圈（电感线圈）接地。上述情况，针对架空线路；对电缆线路，单相接地电流大，不 允许接地运行，应停电检修。c)对用于检测单相接地点的故障指示器，可通过信号 源将接地电流Id放大，以提高寻趾的灵敏度
23、。通常，通过零序电流互感器检测单相接地。系统正常时，三相平衡，流过零序电流互感器的电流为零。单相 接地时，就出现零序电流。在真空负荷开关中，内 置零序电流互感器和零序电压鉴相器，再加上方向 性SOG控制装置，就可构成方向性责任分界真空负荷 开关。就可以对界内、界外的单相接地或短路进行 选择性保护。第27页/共114页283.2.3 异相接地故障12的P139 在中性点不接地三相系统中，可能出现异地故障。图7中，A、B相同时分别在1、2处接地，断路器SP的A相中流过异相接地故障电流。A相开断、电弧熄灭后断口间的工频恢复电压为线电压（UA为A相电压，三相大小相等），为相电压的1.73倍。中性点不接
24、地系统首开极系数K1=1.5，三相短路图7 异相接地故障电路图首开极断口工频恢复电压为1.5UA,是异相接地时的86.7%（=100%）。图7中，三相短路故障时，短路电流为。异相接地时短路电流为 ,是三相短路额定短路开第28页/共114页29 断电流的0.87（=）倍。注：异相接地故障电流经地流动。GB 3906-2006的5.3中 开关柜的接地回路（接地母排），是与开关柜的接地 外壳并联的，但电阻比外壳小。开关柜主回路异相接 地时，电流实际上从接地母排上流过。接地母排的短 时耐受电流就是主回路的异相接地电流（但持续时间 可为2S)。3.3 开关设备的操作与电路内的过渡过程10的P262 a)
25、电力系统中的各种设备，在进行电路分析时，都可以 等值为电阻（R)、电容（C)和电感（L)等参数。不过 ，这些参数有些是集中的，有些是分布的。电阻是一 个耗能参数（交流电压电流同相位），电容和电感都 是储能参数。电容储藏电场能（交流电流超前电压90 。电度），其两端的电压不能突变；电感储藏磁场能 （交流电流滞后电压90。电度），第29页/共114页30 其中的电流不能突变。能量的突变意味着功率无限，这是不可能的。)开关设备总是安装在电路中，开关设备操作（合闸或分闸）时，总是伴随着电路的接通、分断或倒闸改接，引起电路参数的变化,及电路稳定状态的改变。电路从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态，这个过程
26、就是过渡过程。从物理观点来看，出现过渡过程的原因是：在电路不同的稳定状态中，与电路有关的磁场和电场能量是不同的，而场的能量变化总是连续的，即状态的变化必须经过一定的时间才能完成，能量不能突变，状态变化不会瞬时完成。只有略去某段电路的磁场时，才能认为它的电流能够突变；只有略去某段电路的电场时，才能认为电压能够突变。第30页/共114页31)对于给定参数的电路，显然，具有储能参数（、），是电路出现过渡现象的必须条件。在电路改变前后的瞬时，储能参数内对应两种稳定状态下的能量即时值不等，才是出现过渡过程的必要充分条件。)过渡过程全部完成所需的时间，理论上说是无限长久的。但是，一种稳定状态常只需经过很暂
27、短的时间，几秒钟或远不到一秒，便很接近另一种稳定状态了。因此，实际上的过渡时间，常是暂短的。)实际的过渡时间虽短，但过渡过程的研究却有很重大的意义。因在暂短的过渡时间中，电路内某些部分的电流或电压可能大于它稳定状态的好多倍。即出现所谓过电流或过电压现象，可能损坏电路中的某些元器件。第31页/共114页32)如，开关设备合闸产生冲击电流与电压相角的关系，分断时的瞬态恢复电压（），截流过电压等等都涉及到过渡过程（双能量转换或单能量过渡）。制定开关设备标准时，许多内容的理论基础都涉及到电路的过渡过程。3.电力系统短路类型及发生概率13的P129，16的P7，17 的P327 表1 短路类型及其发生概
28、率第32页/共114页33 a)电力系统在正常运行时，除中性点专门接地（如有时）外，相与相之间或相地之间都是绝缘的。b)短路指，电力系统正常运行以外的，相与相之间或相与地之之间发生的短接。在三相系统中，简单的短路故障共有四种类型。各类型及统计发生的概率如表1所示。c)其中，三相短路时，三相回路仍然是对称的，故称对称短路；其他三种短路均使三相回路不对称，故称为不对称的短路。d)虽然三相短路很少发生，但后果较严重，必然给以足够的重视。三相出线端短路开断与关合试验简称开断与关合试验，是开关设备基本的短路试验。第33页/共114页343.5 中性点不接地系统三相短路故障开断时的工频恢复电 压12的P1
29、33 （a）等值电路图 （b）矢量图 图8 中性点不接地系统三相短路故障A相熄弧后的等值电路与矢量图 a)图8示中性点不接地系统（只考虑感抗XL，而忽略电阻）发生了三相短路，A相短路电流为：(UA为A相电压，认为三相相同）。第34页/共114页35 b)三相短路电流不同时过零，三相电流也不会同时熄灭。假定断路器SP（试品）触头分开后，A相短路电流首先过零，也先熄弧。此时，B、C两相形成两相短路，串联起来，流经B、C两相的短路电流为：。仍落后线电压 90。电 度。c)由图8知，A极断路器触头间的工频恢复电压为：而（式3）（式4）由此可见，A相开断时，断口间的工频恢复电压为 相压的1.5倍，即首开
30、极系数（首相开断系数）为 1.5。第35页/共114页36 d)A相熄弧后，B、C两相的短路电流IBC经过5ms（50HZ的90。电角度）也同时过零。电源电压UBC(线电压）将加在B、C两极的触头间。如果电压均匀分配，B、C两极触头（断口）间的工频恢复电压为：(式5）可见，B、C两相开断时，断口间工频恢复电压只有相电压的0.866倍，比A极工频恢复电压低42%。e)综上分析，断路器开断三相短路时，首开极工频恢 复电压高，而且承担考核预期瞬态恢复电压的任务 12的P139，开距也较小；后两极工频恢复电压低 ，短路电流也小，而且是双断口串联，容易熄弧。开断三相短路故障的困难和关键在首开极，若首开
31、极能顺利熄弧，一般后两极均能顺利熄弧，但燃弧第36页/共114页37 时间长5ms，触头烧损可能比首极要严重些。若延长 5ms，两后开极电流过零仍不能熄弧，需再延长10ms 到下一个零点才熄弧。把这种现象叫“滑相”。若断 路器电寿命试验中出现滑相，说明后开极熄弧能力太 差，是熄弧恶化的信号，是下一次将要出现开断失败 的先兆，必须停下来检查处理。根据经验，若三极真 空断路器中，有一极的灭弧室有问题，三相也能开断 。只是问题灭弧室不能充当首开极，需串在后开极中 ，被另一只完好灭弧室开断（断口有可能像异相接地 一样承受线电压。）f)三相短路故障开断时的工频恢复电压、短路电流的变 化曲线见图9。第37
32、页/共114页38图9 三相短路故障开断时的电压、电流变化曲线 第38页/共114页393.6 针对短路关合与开断，真空断路器合、分闸速度的合理设计183.6.1 关于合闸速度 a）断路器做机械寿命试验时的合闸是空载操作（冷态 ）；短路关合（如运行时关合到预伏短路上）时是 负载操作（热态），一般，触头间有预击穿，产生 电动斥力和触头电磨损。但在预击穿前，触头间仍 是冷态的（有电压无电流）。对真空断口，冷态下 的击穿电压是很高的。由于关合时，施加在触头间 的仅是额定相电压（）,比开断时的恢复电压 低。根据试验研究，真空断路器关合产生预击穿时 的触头开距很小。对铜铬触头材料，12kV时在1mm以
33、内，40.5kV时在2-3mm以内。况且，合闸时无油缓冲第39页/共114页40 是加速运动，刚合速度总是大于平均速度，预击穿 持续时间是很暂短的。根据笔者经验，真空断路器 全程（全开距）平均合闸速度，对12kV，以（0.4 0.5）m/s为宜；对40.5kV，以（0.6.）m/s为 宜。过大的合闸速度，对断路器产生巨大的合闸冲 击，合闸弹跳也会加长，实有害而无利。注：考虑短路关合对开断的影响，断路器短路关合 能力按“co”(合分）进行。b)由于真空断路器为对接式触头，超程段触簧压力 大，断路器负载特性较陡。有的设计，如采用具有 下降输出特性的弹簧操动机构时，为保证在下限出 力下断路器能可靠合
34、闸，往往一味提高合闸速度（如12kV时，将平均合闸速度提高到1.5m/s左右），借助动能冲上去，实属不良设计。第40页/共114页41 正确的作法应是是，借助变比，减小合闸超程段断路 器作用（归算）到操动机构上的负载力，以降低负载 特性的陡度；同时，抬高操动机构合闸后期的出力 特性，使负载特性与机构输出特性匹配，才是良策。3.6.2 关于分闸速度 a)前面已分析过，断路器开断中性点不接地系统三相 短路时，最困难的是首开极。若首开极的燃弧时间 为tg,则后开两极的燃弧时间（等于三极开关的总 燃弧时间）为tg+5ms(见图9）。若断路器触头分开 后，首开极完不成首开任务（如开距过小时），则 经过3
35、.3ms（假定分不同期为零），首开极就自动 转接到下一个最临近的电流零点极上了（将使首开 极燃弧时间增长3.3ms)。第41页/共114页42 b)对于既定真空灭弧室，首开极的最小熄弧触头开距是确定的，是其基本参数，是首开极熄弧的充要条件。而首开极燃弧时间tg，与初分速度（由断路器提供）有关，是个导出参数。对已知断路器，提高初分速度是缩短燃弧时间的关键。至于后开两极，工况较轻，首极开断后，即使分速再慢，经过5ms的运动，开距总大于首开极，熄弧应不成问题，没有必要要求过高的分闸速度。c）以铜铬触头材料、纵磁触头结构、正常真空度的真空灭弧室为例，其首开极最小触头开距，12kV时为2-3mm(取3m
36、m），40.5kV时为4-6mm(取6mm）。若12kV时，0-3mm开距内的初分速度为1m/s,即首开极燃弧时间tg=3ms,总燃弧时间为8ms。当技术条件规定0-6mm的平均分速为1.2m/s时，则对应时间为5ms,即两后开极是在开距达到6mm后，再过3ms才第42页/共114页43 熄弧的。若动触头在6mm开距时开始分闸缓冲，则后两极是在分速降低时熄弧的（当然，分速下降有个时延）。过去要求，电弧应在70%开距内熄弧，在70%开距后缓冲，*即在动触头高速运动中熄弧。若触头开距为9mm,则熄弧开距应为6.3mm。而现在看来，实际上两后开极是在6.3mm开距之后熄弧的，规定0-6mm分速，对后
37、开极熄弧有多大意义，值得思考。对油断路器，灭弧室有纵、横吹弧道，分闸时，动触头必须在高速运动中才能熄弧。若在分闸位置因油质劣化断口击穿就会爆炸。而真空断口不同，若分闸位置因毛刺闪络，毛刺烧掉后就自行恢复。曾遇到过一台12kV真空断路器，作“合分”时，触头熔焊，而因分闸不同期拉开的一极在不到1.5mm的开距下,竟然开断了31.5kA的短路电流。第43页/共114页44 注*：真空开关研发早期，12kV开距取12mm，分闸时 6mm开距加上分闸油缓冲，所以只测0-6mm开距的 平均分速。后来，不管何时加油缓冲，均测0-6mm 开距的平均分速。d)对当今用的纵磁触头结构，其工作原理就是能降低电 弧电
38、压Ug,当电弧电流ig 一定时，降低电弧能量。所 以，电弧长度不宜太长，对触头开距和分速要求也较 低。在这种情况下，两后开极分速低，对分断更有利。e)分闸过程，触头开距的不同阶段，承担着不同的任务：在首极熄弧开距时，首极熄弧；在70%80%开距内，后 两极熄 弧，承担动态恢复电压；在全开距内，承受断 口绝缘试验电压（电压最高，但在冷态下）。对不同任 务配不同的分速。第44页/共114页45 f)结论性定义 对铜铬、纵磁真空断路器，应改善其分闸特性：1）理想的分速应是先快后慢；2）断路器技术条件中，增加刚分速度的要求。原来 12kV 06mm开距分速，40.5kV 012mm开距分速 仅作参考；
39、3）真空灭弧室应提供首开极最小触头开距；4）提高刚分速度的方法：加大超程阶段触簧作的功；合闸时利用四连杆的死区原理；采用双波纹管真 空灭弧室，使初分速度V。0；合理利用回路电动 力等。第45页/共114页463.7.1 交流电弧的伏安特性 电弧是电阻性质的。交流电弧的伏安特性如图10所示。其特性为负特性，即电弧电流增大，电弧电阻减小，电弧电压下降。因此，交流电弧的伏安特性呈马鞍形。影响伏安特性的因素有电弧长度、电极材料和介质的种类等。由于电流交变及弧柱热惯性的影响，在同一电流下，在电流上升和下降阶段的电弧电压有一定的差别，电流上升阶段的电弧电压总比下降阶段的高。图10 交流电弧的伏安特性 ig
40、-电弧电流；ug-电弧电压；u1-燃弧尖峰；u2-熄弧尖峰3.7 交流电弧的伏安特性及熄灭方式 12的P106、116，15的 P41第46页/共114页473.7.2 交流电弧的熄灭 交流电弧的熄灭有以下三种方式：a)强迫熄弧（限流）：在工频电流起始上升阶段，由于 电弧电压ug很高（相当电弧电阻很大），电源电压不 足以维持电弧的燃烧，电弧电流很快被减小到零而熄 灭，如图11所示。这种灭弧方式，在预期短路电流达 到峰值之前就被熄灭了，具有限流作用。限流熔断器 ，及低压塑壳限流断路器开断短路故障即属于这种情 况。这种灭弧方式与直流电弧熄灭相同，在感性元件 时将出现过电压。图11 交流电弧强迫熄灭
41、时 的电流波形第47页/共114页48 b)截流开断：工频电流（自然）过零之前，在外界因素干扰下，电弧燃烧不稳定，导致电弧电流瞬时降到零，电弧熄灭，如图12所示。当开关的灭弧能力强，被开断电流又不大时，可能出现这种截流现象。如真空开关开断小电流时，可能截流。如为小电感电流，可能出现截流过电压（）。不过，现代真空开关的截流值都很小，不成为使用中的障碍了。注：截流一般发生在电流下降阶段 ，截流值以瞬时值表示。图12 交流电流截流时的 电流波形 io-截流值第48页/共114页49 c)(自然）过零熄弧 1）在大多数开关设备中，电弧电压远低于电源电压 ，电源电压足以维持电弧燃烧，不会发生强迫熄 弧，
42、电流较大时，也不会出现截流，而是在电流 零点时熄灭的。交流电弧电流每半个周波过零一 次，50Hz时,每秒有100次零值。在过零前，电源 输入弧隙的功率（能量）急剧下降，过零时，输 入功率为零，弧隙温度迅速降低，是交流电弧熄 灭最有利的时刻。在某次电流过零后，电弧熄灭 ，触头间不复燃，电路被开断。2）电流过零后，弧隙同时出现两个恢复过程：断口 介质强度恢复；电源恢复电压上升。若前都大于 后者，则电弧最终熄灭，电路开断；反之，弧隙 被击穿，电弧复燃，等待下一次电流过零。第49页/共114页50 3）在开断大电流时，介质强度的恢复过程，包括热击穿和电击穿两个阶段 （1）热击穿阶段：电弧电流过零之初，
43、弧隙介质温度仍很高，热游离使弧隙有一定的电导，恢复电压加在弧隙上，弧隙流过弧后电流。一方面，电源通过弧后电流给弧隙提供能量；另一方面，弧隙又将能量传给周围介质。若提供能量大于传击能量，弧隙温度将不断上升，导致击穿，称为热击穿。防止热击穿阶段复燃的基本措施，是加强冷却，增加消游离，即提高开关装置的熄弧能力。（2）电击穿阶段：是在上述开断大电流的热击穿阶段之后继续发生的，或在开断小电流时，电弧电流之后立即发生的。由于弧隙温度已降低到3000K4000K以下，热游离已基本停止，弧隙转变为介质。在此恢复中，如发生复燃，则与气体介质击穿第50页/共114页51 过程相似，称为电击穿。防止电击穿的主要措施
44、，是提高弧隙介质强度增长速度。如建立足够的触头开距及提高断口耐受恢复电压的能力。4）过零熄弧开断时的电流波形见图13 图13 过零熄弧开断时的电流、电压波形 u-电源电压；ug-电弧电压；ig-电弧电流；to-一起弧瞬间；tg-燃弧时间第51页/共114页523.8 中压真空断路器的基本短路试验方式与预期瞬态恢复电 压的关系3的P60、表12,12的P129、P139、P145 表2 用两参数表示的额定电压12kV40.5kV预期瞬态恢复电压的标准值 （摘自GB1984-2003的表12）第52页/共114页53 aa)中压真空断路器短路开断的所有试验方式的预期TRV,均用两参数表示（波形见图
45、3）。其瞬态恢复电压上升率为uc/t3,uc取决于断路器的额定电压ur，t3与固有振荡频率fo有关。影响fo的主要是电网接线、断路器在电网中安装的位置及电网中主要元件（如发电机、变压器等）的电感、电容与电阻值。b)从灭弧角度来看，在开断短路故障时，瞬态恢复电压具有决定性的意义，是分析研究的重点。通常，提到的恢复电压往往就是指瞬态恢复电压。注：通常只计算首开极的瞬态恢复电压。c)中压真空短路器，在进行短路开断能力和电寿命试验时，厂家为使电寿命后断口间的状态检查电压容易通过（是电寿命试验是否合格的判据之一），开断试验往往按T60T100sT100a（若有时）T30T10的第53页/共114页54
46、程序安排。认为T30、T10开断试验容易通过，且对触头表面有电抛光作用。但从表2中各试验方式下的TRV分析，T30、T10的电弧能量确实小些，但瞬态恢复电压的上升率uc/t3并不比T60、T100低。好在真空断路器没有明显的临界电流。所以，从表2分析，通常采用的上述真空断路器开断能力和电寿命试验各方式试验程序，可能并不一定是最佳的选择。3.9 用于自动重合闸方式的额定电压40.5kV及以下的E2级 真空断路器电寿命常用试验方法比较 这些年来，开关行业上，常将这类真空断路器的电寿命（称为延长的电寿命），和这类断路器的短路关合和开断能力（按基本短路试验方式验证，相当E1级断路器的基本电寿命）两项试
47、验合并在一台断路器上进行，中间不进行修整。其具体操作顺序、次数见表3。第54页/共114页55 表3 用于自动重合闸方式的额定电压40.5kV及以下的E2级 真空断路器电寿命+短路关合和开断能力试验常用操作 顺序（修改采用JB/T 3855-2008的表1）第55页/共114页56 a）表3中序列1，是IEC标准新规定的，更符合电网实际运行工况，累计开断电流千安数大于序列4。但试验次数多、时间长、试验费用也昂贵。试验次数一多，出现异常情况的概率一定时，次数就会增加。目前，已有厂家这样试验。b)表3中序列4，是我国的开关行业惯用作法。目前，大多数厂家还在这么试验。c)电弧电流越大，触头电磨损越大
48、。序列1中，100%的开断次数只有6次，而序列4最多达50次。从电磨损角度看，两者是否等价，有待分析研究。3.10 额定短路开断电流的直流分量（非周期分量、自由分量）的确定及分析3的P18、图9、附录I,12的P34，13的P134，16的P8第56页/共114页57 a)由辅助动力脱扣的断路器，短路开断时直流分量的百分数（%dc)，是基于时间间隔（Top+Tr)和时间常数，从图14查出来的（也有计算公式）。其中，Top是断路器首先分闸极的最短分闸时间，Tr是额定频率的一个半波时间（50Hz时为10ms),是继电响应时间。是时间常数，与断路器额定电压、线路的X/R比值等因素有关。标准时间常数1
49、=45ms，足以覆盖大多数工况；还有特殊工况下的时间常数，其值与断路器额定电压相关，如40.5kV及以下时4=120ms。某些特殊工况下，如靠近发电机的断路器，可能要求更高的值。注：直流分量的计算公式：。第57页/共114页58 b)过大的直流分量，使短路电流不对称。大、小半波的时间和电流值有较大的差异。断路器触头分离时，遇到大半波电弧能量大，但电流过零时触头开距也大；遇到小半波时电弧能量小，但过零时触头开距也小。GB1984-2003规定，如果直流分量不超过20%，额定短路开断电流仅由交流分量有效值表征，即不考虑直流分量的影响，只作T100s(对称开断）；若大于20%时，还要作T100a(非
50、对称开断），要考虑直流分量的影响。c)直流分量产生的原因，是为使短路前后的过渡过程瞬间电流不突变。直流分量起始值的大小，与系统短路时（试验时即合闸开关合闸时）电源电压的相位、及短路初始回路的工作电流值有关。在电压峰第58页/共114页59 值处关合，产生一个对称的短路电流及最长的预击穿电弧；在电压零点关合，旡预击穿，但产生一个完整的非对称电流，短路电流的非周期分量最大，短路电流的峰值也最高。不管直流分量的起始值有多大，都将按时间常数衰减到零。短路关合试验时，为获得预期峰值电流，要选择合闸相角（选相合闸）。d)短时的直流分量产生短路冲击电流。额定峰值耐受电流（IP）等于额定短时耐受电流（Ik)的