大学课件 发电厂电气 高压断路器和隔离开关

§6.2高压断路器和隔离开关的原理与选择引言①仅用来在正常情况下，断开或闭合正常工作电流的开关电器，如高压负荷开关、低压闸刀开关、接触器等。②仅用来断开故障情况下的过负荷电流或短路电流的开关电器，如高、低压熔断器。③既用来断开或闭合正常工作电流，也用来断开或闭合过负荷电流或短路电流的开关电器，如高压断路器、低压自动空气断路器等。④不要求断开或闭合电流，只用来在检修时隔离电压的开关电器，如隔离开关等。1.开关电器的类型引言2.断路器的作用在正常情况下，控制各种电力线路和设备的开断和关合。在电力系统发生故障时，自动地切除电力系统的短路电流，以保证电力系统的正常运行。引言引言引言一、电弧的形成与熄灭用开关电器切断通有电流的电路时，只要电源电压大于10~20V，电流大于80~100mA，在开关电器的动、静触头分离瞬间，触头间就会出现电弧。此时，触头虽已分开，但电路中的电流还在继续流通。只有电弧熄灭，电路才被真正断开。电弧之所以能形成导电通道，是因为电弧柱中了出现大量自由电子的缘故。一、电弧的形成与熄灭1.电弧的产生、维持与熄灭①电弧的产生强电场发射：动静触头分离初始瞬间，触头距离很小，出现强电场，阴极表面的自由电子在电场力的作用下被强行从金属表面拉出，形成强电场发射。碰撞游离从触头表面拉出的自由电子在强电场的作用下加速，以极高的速度向阳极运动，沿途撞击介质中的分子或原子，使之游离出自由电子，进而产生连锁式碰撞，使间隙中的自由电子迅速增加，这一过程称为碰撞游离，由此形成电弧。dUdUE(-)动触头(+)静触头m/V1036E1.电弧的产生、维持与熄灭热发射和热游离电弧形成后，断口由开断初始瞬间的不导电变为导电状态，因此，原来施加于断口的电压迅速下降，不能再靠强电场发射和碰撞游离来维持电弧的燃烧。当切断的电流很大时，会在极短的时间内向断口注入大量的能量，导致触头和间隙的温度迅速升高，触头依靠高温而发射电子，称为热发射。高温下的中性分子具有很高的运动速度，足以在彼此碰撞时游离出大量的自由电子，此过程称为热游离。1.电弧的产生、维持与熄灭热发射和热游离一般气体开始发生热游离的温度为9000～10000℃；金属蒸气的热游离温度约为4000～5000℃。因为开关电气设备的电弧中总有一些金属蒸气，而弧心温度总大于4000～5000℃，所以，热游离的强度足可维持电弧的燃烧。因此，大电流产生的高温是维持电弧燃烧的主要因素。1.电弧的产生、维持与熄灭电弧的稳定燃烧在游离的同时，间隙中存在着自由电子和正离子相结合还原为中性分子和原子的过程，这一现象称为复合。由于电弧温度很高，电弧中的热量向周围介质传递，并有电弧中的部分介质向周围运动而降低弧道中自由电子的密度，这一现象称为扩散。复合和扩散是去游离的过程。若游离过程大于去游离过程，则电弧继续燃烧；若去游离过程大于游离过程，则电弧逐渐熄灭。2.交流电弧的熄灭电弧温度随时间变化电弧电流数值随时间变动，电弧的功率也随电弧电流变动。电弧功率增大时，电弧的温度增加；反过来，当电弧功率减小时，电弧的温度降低。电弧有热惯性电弧的温度跟不上电流的变化，存在一个滞后过程。交流电弧每半周自动熄灭一次随着交流电流的周期性变化，电弧电流也将每隔半周过零一次。在电弧电流自然过零前后，电源向弧隙输送的能量较少，电弧温度和热游离下降，而去游离作用继续进行，电弧将自然熄灭。(0)交流电弧的特性2.交流电弧的熄灭在交流电流过零时，电弧将自动熄灭，但不等于最终熄灭。(1)交流电弧的熄灭条件电弧电压中间大部分平坦，只有在电流靠近零点，电弧电压升高，呈现为电弧尖峰。图中A点是电弧产生时的电压，称为燃弧电压，而B点是电弧熄灭时的电压，称为熄弧电压。显然，由于介质的热惯性，燃弧电压必然大于熄弧电压。2.交流电弧的熄灭在交流电弧自动熄灭后，弧隙中存在着两个恢复过程：弧隙介质强度恢复过程弧隙电压恢复过程(1)交流电弧的熄灭条件2.交流电弧的熄灭1)弧隙介质强度恢复过程可见，真空断路器和SF6断路器灭弧性能较好。含义：弧隙中介质强度恢复到绝缘的正常状态的过程。以能耐受的电压ud(t)表示。影响因素：主要是断路器灭弧装置的结构和灭弧介质的性质。ud0t油空气SF6真空(1)交流电弧的熄灭条件2.交流电弧的熄灭近阴极效应1)弧隙介质强度恢复过程ud0t油空气SF6真空(1)交流电弧的熄灭条件(+)(-)+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-(-)(+)++--+++---++--+++---2.交流电弧的熄灭2)弧隙电压恢复过程含义：弧隙电压由熄弧电压逐渐恢复到电源电压的过程。以ur(t)表示。影响因素：线路参数、负荷性质等。ur0tusrutrutrusr瞬态恢复电压工频恢复电压对不同的线路参数，弧隙电压恢复过程可能是周期性的变化过程或非周期性的变化过程。(1)交流电弧的熄灭条件2.交流电弧的熄灭综上所述，在电弧自然熄灭后，弧隙中同时存在着两个恢复过程，即弧隙电压恢复过程ur(t)和介质强度恢复过程ud(t)。ur0tusrutr可见，断路器开断交流电路时，熄灭电弧的条件应为)(r)(dttuu如果弧隙电压高于介质强度耐受电压，则弧隙就被击穿，电弧重燃。如果弧隙电压低于介质强度耐受电压，则电弧不再重燃，即最终熄灭。(1)交流电弧的熄灭条件2.交流电弧的熄灭1)利用灭弧介质不同灭弧介质具有不同的传热能力、介电能力、热游离温度和热容量。这些参数的数值越大，则去游离作用越强，电弧就越容易熄灭。2)采用特殊金属材料作灭弧触头采用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属作触头材料。采用铜、钨合金和银、钨合金等。3)利用气体或油吹动电弧吹弧利于冷却而使复合加强、带电离子的扩散。4)采用多断口熄弧电弧被拉长，触头分离速度加快，断口电压降低。5)拉长电弧并增大断路器触头的分离速度(2)高压断路器熄灭交流电弧的基本方法2.交流电弧的熄灭二、开断短路电流时的工作状况分析1.弧隙电压恢复过程分析GT~QFkk~RLrQFGCU0Curui1i2iCruuC0ddutiLiRU21iii微分方程：0CC2C21ddddUurRturLRCtuLCrutuCCCdd线性常系数微分方程二、开断短路电流时的工作状况分析1.弧隙电压恢复过程分析GT~QFk恢复电压不振荡的条件是：0CC2C21ddddUurRturLRCtuLC2410LRRCLCrr当时，即断口无并联电阻r时的不振荡条件为240LRCLCr整理得：r240RCLC2LRC即：二、开断短路电流时的工作状况分析1.弧隙电压恢复过程分析GT~QFk当，即并联电阻起作用时电压不振荡的条件是：0CC2C21ddddUurRturLRCtuLC2224+-0LRCLRCLCrr第二部分表征并联电阻r的作用，r起有利作用的条件是220LRLCrr2LrRC即：r二、开断短路电流时的工作状况分析2.不同短路形式对断路器开断能力的影响①开断单相短路电路当电流过零时，工频恢复电压的瞬时值U0=Umsin。通常短路时，角接近90º，所以U0=Umsin=Um。二、开断短路电流时的工作状况分析2.不同短路形式对断路器开断能力的影响②开断中性点不直接接地系统中的三相短路电路aQFAbXLAAUXLBBUBIXLO~~~CCUCIkAIABUBCUQFBQFCabUO'首先开断相：电弧电流先过零，电弧先熄灭。abOOUUBCAB21UUAUBUCUABUBCUBC21UOabUOOUA5.1U在A相熄弧后，经过0.005s(90º)，B、C两相电流同时过零，电弧同时熄灭。每个断口电压为0.5UBC=0.866UB(UC)。二、开断短路电流时的工作状况分析2.不同短路形式对断路器开断能力的影响②开断中性点不直接接地系统中的三相短路电路aQFAbXLAAUXLBBUBIXLO~~~CCUCIkAIABUBCUQFBQFCabUO'首先开断相：电弧电流先过零，电弧先熄灭。在A相熄弧后，经过0.005s(90º)，B、C两相电流同时过零，电弧同时熄灭。每个断口电压为0.5UBC=0.866UB(UC)。OAabUUBCAB21UUA5.1U结论：首先开断相的恢复电压最大，为1.5倍的相电压；后续开断相的燃弧时间比首先开断相延长0.005s。二、开断短路电流时的工作状况分析2.不同短路形式对断路器开断能力的影响③开断中性点直接接地系统中的三相接地短路电路三相接地短路：当零序阻抗与正序阻抗之比不大于3时，首先开断相恢复电压的工频分量为相电压的1.3倍；第二开断相恢复电压的工频分量为相电压的1.25倍；最后开断相恢复电压的工频分量为相电压。三相直接短路：各相工频恢复电压与中性点不直接接地系统中的三相短路分析结果相同，即首先开断相恢复电压的工频分量为相电压的1.5倍。二、开断短路电流时的工作状况分析2.不同短路形式对断路器开断能力的影响④开断两相短路电路中性点直接接地系统：工频恢复电压可达相电压的1.3倍。其余情况：工频恢复电压为相电压的0.866倍。二、开断短路电流时的工作状况分析2.不同短路形式对断路器开断能力的影响小结：影响工频恢复电压的因素：中性点接地方式短路故障类型三相开断顺序首先开断相的工频恢复电压最大值：sm11m32UKUsm1816.0UKK1——首先开断相开断系数；Usm——电网最高运行电压。二、开断短路电流时的工作状况分析3.降低恢复电压上升速度和熄弧过电压的措施①断路器加装并联电阻作用：①改变恢复电压的恢复特性；②使电弧电流被分流。问题：电弧熄灭后还有短路电流流通。措施：增加辅助触头。1Q2Q1Q主触头2Q辅助触头r1Q2Qr问题：多断口断路器，断口电压分配不均匀，影响断路器的灭弧能力。UU1U2UQCQC0CCC0Q0Q12CCCCUU0QQ22CCCUU0Q0Q1)(2)(CCCCCCUU0QQ2)(2)(CCCCCUU)(2)(QQCCCCU)(2)(QQCCCCUU21U21U32U31二、开断短路电流时的工作状况分析3.降低恢复电压上升速度和熄弧过电压的措施②断路器加装并联电容并联电容后：1．种类按灭弧介质和灭弧方式分油断路器：包括多油断路器和少油断路器(压缩)空气断路器真空断路器SF6断路器按安装地点分户内式户外式(一)高压断路器型号和技术参数三、高压断路器的选择1．种类多油式断路器的油同时兼作灭弧介质和带电体与不带电体之间的绝缘介质，耗油量大，现已淘汰。少油式断路器的油只作灭弧和触头间弧隙的绝缘介质，断路器中的带电导体与接地部件之间的绝缘主要采用瓷件，油量少，占地少，价廉，已有长期运行经验，当前在110~220kV电压等级配电装置中仍占有一席之地。由于油断路器的开断性能差，且110kV电压以上产品为积木式、多断口的结构，很难实现断口电压均衡，因而限制了在500kV及以上电压等级的运用。(一)高压断路器型号和技术参数三、高压断路器的选择1．种类压缩空气断路器采用压缩空气做灭弧介质，具有大容量下开断能力强及开断时间短的特点，但结构复杂、尚需配置压缩空气装置，价格较贵，而且合闸时排气噪音大，所以主要用于220kV及以上电压的屋外配电装置。利用真空的高介质强度灭弧，具有灭弧时间快、低噪声、高寿命及可频繁操作的优点，已在35kV及以下配电装置中获得最广泛的采用。真空断路器切断短路电流及分合电动机负荷时，会产生截流过电压，需采用氧化锌避雷器等过电压保护措施。(一)高压