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1、Part 3 高压交流电弧理论与断路器的开断 关 合 试 验 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望2Selected topics for MV CB&switchgear design 第三部分 高压交流电弧理论与断路器的开断/关合试验 1.高压交流电弧的物理特性 1.1 高压电弧的场强与压降 1.2 高压交流电弧的伏安特性与 弧压降波形图31 电弧中的场强与压降图32 弧柱中的温度分布图33 交流电弧的伏安特性图34 电弧电流与弧压降3Selecte
2、d topics for MV CB&switchgear design 2.恢复电压2.1 r.C.L串联回路接入直流电源的过渡过程（准备概念）根据初始条件t=0时，uc=0 求得常数A1，A2,且(1)(2)图35 接入直流电源的过渡过程4Selected topics for MV CB&switchgear design (实质原因：断口电容，换路时电压不能突变)式中：；(a)在 t=0时，计算电压uc的初始值：由于 r 2L ，所以0(b)求uc的最大值 （可对 uc 公式求导得t值后计算电压值，或由图35按电压最大值出现在两个半波时(t=2),即t=T/2时。由 ,且 5Selec
3、ted topics for MV CB&switchgear design 2.2.r.C.L串联回路接入交流电源的过渡过程 图36 接入交流电源的过渡过程图37 断口电弧电流过零的过渡过程2.3 电弧电流过零后断口的电压波形分析 （理想断路器的曲线）6Selected topics for MV CB&switchgear design 2.4 瞬态恢复电压(TRV)及影响TRV的的因素 (1)工频恢复电压（电压与电流相位差；回路特性）(2)回路参数（变压器，电缆，连线的杂散电容）(3)断路器的弧压降（大电流电弧残存游离粒子时增大恢复电压的初始值）图38 t=0时，弧压降不为零的过渡过程7
4、 Selected topics for MV CB&switchgear design 图39 四参数法（适用126kV及以上断路器）图310 两参数法 （适用126kV以下断路器）2.5 TRV的描述方法与适用 (1)不同电压回路（变压器，架空线，电缆）、母线波阻抗、波 反射等对TRV的影响 (2)四参数法（uc,u1,t1,t2）与两参数法（uc,t3）的适用范围8Selected topics for MV CB&switchgear design 额定电压额定电压Ur kV 试验方式试验方式首开极系数首开极系数 kpp振幅系数振幅系数 kafTRV峰值峰值 uc kV时间时间t3s时
5、延时延tds电压电压 UkV时间时间 ts上升率上升率 uc/t3 kV/s 3.6T1001.51.46.24162.1200.15T601.51.56.61732.290.39T301.51.56.6912.240.77T101.51.56.6912.240.77 7.2T1001.51.412.35184.1250.24T601.51.5132234.4110.60T301.51.5131124.461.20T101.51.5131124.461.2012T1001.51.420.66196.9290.34T601.51.5222647.3130.85T301.51.5221327.36
6、1.70T101.51.5221327.361.70 24T1001.51.441871314430.47T601.51.54438615181.16T301.51.5441931592.32T101.51.5441931592.32 40.5T1001.51.469.51141723.2550.61T601.51.574.5491024.8261.53T301.51.574.524524.8133.06T101.51.574.524524.8133.06表31：GB1984/IEC 62271-100规定的出线端短路TRV（摘录)9Selected topics for MV CB&swit
7、chgear design 2.6 弧隙（断口）的恢复强度和恢复速度2.7 影响初始恢复强度和恢复速度的因素 介质种类及特性：SF6压力、真空度，去游离效果 机械特性：分闸速度 触头材料：耐烧蚀性，挥发的金属蒸汽压力 5ms介质恢复强度的定义 图311 断口的恢复电压和介质的恢复强度10Selected topics for MV CB&switchgear design 3 断路器开断的全过程图312 电弧电流过零时的电压、电流曲线图313 三相断口工频恢复电压和的波形图11Selected topics for MV CB&switchgear design 3.1 三相断口开断短路电流过
8、程的差异(三相短路点不接地)3.1.1 首开相(1)断口的工频恢复电压1.5倍相电压幅值，三相中最严峻；(两相不平衡 电流引起中性点电位偏移)(2)电弧持续时间比另两相短(3)1.5称首开相系数.在三相短路点接地时一般该系数小于1.5图314 首开相的电路图及向量分析12Selected topics for MV CB&switchgear design 3.2.2 其余两相(1)在首开相熄弧瞬间的短路电流为其幅值的0.866倍,两相电流极性相反；持续120 度电角后电弧同时熄灭 (2)工频恢复电压EBC/2,即线电压作用在两个串联弧隙上，每相的工频恢复为相电压幅值的0.866倍(3)电弧持
9、续时间比首开相长图315 其余两相开断电弧的电路图及向量分析13Selected topics for MV CB&switchgear design 3.3 断路器在 O-t-CO 操作中的物理过程 图316 断路器自动重合闸的操作14Selected topics for MV CB&switchgear design 4.断路器的短路开断/关合试验 直接试验，合成回路试验4.1 直接试验 电流、瞬态和工频电压由一个单电源获得；电弧的物理过程与实际相同，试验条件等价 (1)网络试验 优点：设备投资小，运行管理简单、成本低 缺点:短路容量和试验次数、继电保护整定参数、短路电流持续时间等受上级
10、变电站限制 图317 网络试验站的典型接线TP电源变压器（短路变压器）;BD保护断路器；CD操作断路器；HK合闸开关；L调节电抗器；R0C0调频回路；SP被试断路器15Selected topics for MV CB&switchgear design 图318 短路发电机试验的典型接线 G短路发电机;BD保护断路器；LH电流互感器；HK合闸开关；CD操作断路器；Rjd发电机中性点接电阻；LT调节电抗器；Rcz阻尼电阻；Ctp 调频电容器；CS电磁示波 器；SP被试断路器；YH三相电压互感器(2)短路发电机试验 优点：投资大，运行技术复杂、成本高；同步电动机拖动、冲击励磁，试验参数与次数不受
11、电力系统限制16Selected topics for MV CB&switchgear design (3)短路发电机经变压器升压试验 图319 短路发电机经变压器升压试验的典型接线SP被试断路器；CD操作断路器；LT调节电抗器；Rt功率因数调节电阻；PT电压互感器；CT电流互感器；R0阻尼电阻；C0调频电容；FY分压器；DB升压变压器；Rjd发电机中性点接电阻17Selected topics for MV CB&switchgear design 图320 断路器三相成功开断的示波图 (O-0.3s-CO重合闸操作)(4)三相短路直接试验的典型示波图图321 断路器三相未开断的示波图 (
12、CO操作)18Selected topics for MV CB&switchgear design 图322 断路器B、C两相未开断的示波图 (CO操作)图323 工频恢复电压作用A、B两相击穿 (CO操作)19Selected topics for MV CB&switchgear design 图324 断路器据分的示波图 (CO操作)图325 讨论用实例之一 20Selected topics for MV CB&switchgear design 图326 讨论用实例 之二 4.2 电寿命试验的规定(1)按GB3855-1996 规定的试验次数（现仍有部分单位作为过渡标准使用）序号序
13、号 操操 作作 顺顺 序序额定短路开断电流开断次数额定短路开断电流开断次数81216203050 试试 验验 次次 数数1 分分246813232 合分合分024611213 分分合分合分180s-合分合分 2表3221Selected topics for MV CB&switchgear design 试验方式方式短路开断短路开断电流流百分比百分比(%)快速自动重合闸断路器快速自动重合闸断路器 非快速自动重合闸断路器非快速自动重合闸断路器 操操 作作 顺 序序试验次数次数操操 作作 顺 序序试验次数次数T1010OO-0.3s-COO-0.3s-CO-180s-CO84146O-180s-
14、CO-180s-CO1T3030OO-0.3s-COO-0.3s-CO-180s-CO84146O-180s-CO-180s-CO1T6060OO-0.3s-CO-180s-CO22O-180s-CO-180s-CO1 T100s100O-0.3s-CO-180s-CO2O-180s-CO-180s-CO1 T100a100O3O 3(2)按GB19842000 和IEC62271-100 规定的试验次数(我国近年来已开始执行)表32 快速自动重合闸断路器与非快速自动重合闸断路器试验次数与操作循环22Selected topics for MV CB&switchgear design 4.2
15、 合成试验回路 电流、瞬态和工频电压由两个电源获得；低压大电流（发电机/短路变压器/振荡回路）高压小电流试验源（振荡回路/冲击电压发生器）4.2.1 并联电流引入合成回路（Weil 回路）图328 并联电流引入合成回路的原理接线U1工频电流源；L1电流回路电感；HK合闸开关；R0C0电流回路调频支路;DQy、Ry、Cy延弧回路元件；SP被试断路器；FD辅助断路器；SLF近区故障人工线路；TRV瞬态恢复电压调节支路；L2电压回路电感；GQ高压回路点火球隙；C2电压回路主电容；L50工频恢复电压支路电感23Selected topics for MV CB&switchgear design 4.
16、2.2 试验回路工作的三个阶段 (1)大电流阶段 试验前FD、SP 合闸状态，合HK后工频电流i1流过试品的断口，随即SP分闸，出现电弧；R0,C0组成的支路用于电流回路的调频，DQy、Ry和Cy组成的延弧回路元件用于控制电弧持续时间。(2)两回路相互作用阶段 断口维持燃弧一定时间，在电弧电流过零前触发GQ,C2放电，其中一个经断口电弧离子通道支路放电产生高频电流i2，实现了电流、电压两回路的连接，断口流过的电流为i=i1+i2；i1和i2叠加的波形见图330。(3)高电压阶段 SP分闸，断口出现电弧。电弧电流过零瞬间FD分闸将两个电源断开（避免电源受到高压损伤），电流i过零，电流回路断开。同
17、时，C2放电经由L2和电感、电阻元件组成的调频回路流动，形成了工频恢复电压和TRV电压施加在断口上.24Selected topics for MV CB&switchgear design 图329 合成回路工作的三个阶段 图330 高频电流与工频电流 的叠加25Selected topics for MV CB&switchgear design 4.2.3 合成回路的等价性 回路调试和参数设置应符合标准中许多相关规定的前提下，合成回路具有与直接试验的等价性，例如以下的主要几点：(1)i2 的频率为2501000Hz,引入的时延t1和幅值必须在一定范围内；(2)考虑C2放电时电压衰减恢复电
18、压不易在0.1s内符合规定值，因此要求：a)在1/8 工频周波内不低于 b)在开断短路电流0.1s内，交流电压的峰值不低于 (kpp首开相系数，U断路器的额定电压)；(3)对GB1984 规定的5个试验方式，合成回路在试验时使用代用法，见表33；(4)测定预燃弧阶段的最短燃弧时间和最长燃弧时间等。4.2.5 合成回路的特点 (1)投资低；(2)试验电压等级高；(3)一般只能进行单相试验，近来也有三相合成回路；(4)工作效率低。26Selected topics for MV CB&switchgear design 表33 合成回路试验的代用法规定27Selected topics for M
19、V CB&switchgear design 图332 开断失败的波形示例（i2 在第1个半波后又出现1个或多个波）图331 开断成功的波形示例 （i2 仅有半波）4.2.4 开断成功和失败的波形分析28Selected topics for MV CB&switchgear design4.2.5 合成回路试验的典型示波图 (1)单相合成回路示波图 图333 40.5kV/25kA/1250A真空断路器开断失败的两张示波图 U1 电流源回路的电压；Ur 工频恢复电压；Tr分闸脱扣器电压 i1 工频电流的对称分量；i2高频电流；i0分闸脱扣器电流29Selected topics for MV
20、 CB&switchgear design 图334 24kV/25kA/1250A 真空断路器 单相合成回路试验示波图 T100a Od0.3sCdOs 操作试验成功Us电流源回路电压；U1断口电压U恢复电压；I工频电流；I2高频电流30Selected topics for MV CB&switchgear design 图335 24kV/25kA/1250A 真空断路器 单相合成回路试验示波图 异相接地，CdOs 操作试验正常通过Us电流源回路电压；U1断口电压U恢复电压；I工频电流；I2高频电流31Selected topics for MV CB&switchgear design
21、（2）三相合成回路试验的典型示波图 图336 断路器的合成回路三相试验示波图（正常开断操作）Uab、Ubc、Uac电流源回路的相电压；Ia、Ib、Ic开断电流的对称分量；Ua、Ub、Uc各相的恢复电压；ia、ib、ic高频电流 32Selected topics for MV CB&switchgear design 图337 断路器的合成回路三相试验示波图（合分操作失败）Uab、Ubc、Uac电流源回路的相电压；Ia、Ib、Ic开断电流的对称分量；Ua、Ub、Uc各相的恢复电压；ia、ib、ic高频电流33Selected topics for MV CB&switchgear design
22、 4.2.6 工程应用(1)分闸速度与短路电流的直流分量 刚分速度，平均分闸速度 图339 断路器的分闸速度示意图图340 短路开断电流直流分量与时间的关系曲线 =分闸平均时间10ms34Selected topics for MV CB&switchgear design (2)分闸速度与断路器的开断能力图341 国内根据试验经验绘制的刚分速度与开断电流关系的曲线 O开断成功，开断失败35Selected topics for MV CB&switchgear design (3)提高断口介质恢复强度的 一些常见措施 (a)六氟化硫断路器：增大充气的压力，改善喷口结构，提高气体的流速；(b)真空断路器:提高真空度；(c)加大开距；(d)提高旋弧或吹弧的速度，加强冷却电弧的效果；(e)改进触头设计，减少弧柱的离子密度；(f)提高刚分速度。