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关于断路器的各种技术性能

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发表时间:2016-01-06 11:11

关于断路器的各种技术性能   

一、额定电流

   断路器正常使用环境条件规定为:周围空气温度不高于40℃,海拔不凌驾1000m。当使用在周围空气温度高于40℃(但不高于60℃时,在符合标准规定的最高允许温度下,允许降低负荷恒久工作。标准上推荐周围空气温度每增高1K,减少电流的1.8%。当设备使用在海拔凌驾1000m(但不凌驾4000m)且最高周围空气温度为40℃时,规定的允许温升每凌驾100m(以1000m为起点)降低0.3%。现代高压SF6断路器,灭弧室中充有0.5MPaSF6气体我国原机械部关于SF6断路器通用技术条件要求具有高度的密封性能允许年漏气率从下列数值中选取:每年1%和每年2%

二、额定短时耐受电流

1、     额定短时耐受电流又称额定热稳定电流,是在规定的短时间T内,断路器闭合位置所能耐受的电流。流过这一电流期间,断路器的温度升高应不凌驾规定的数值。我国标准规定的短时间为2S,但对于有些参数等级的断路器标准上规定短时间为1S或3S。

2、     额定峰值耐受电流

额定峰值耐受电流也即额定动稳定电流,是指断路器在闭合位置所能耐受的峰值电流,其值等于额定短路关合电流,是其额定短路开断电流交流分量有效值的2.5倍。常用这一峰值电流IMC表示动稳定电流。

3、     额定电压及最高电压

额定电压是指断路器的标称电压,在规定的正常使用和性能条件下,能够连续运行的电压。断路器并能在系统最高工作电压下保持绝缘;并能按规定的条件进行关合与开断。我国规定在220KV及以下电压等级,系统额定电压的1.15倍即为最高电压;330KV及以上电压等级是以额定电压的1.1倍作为最高工作电压。

4、     额定绝缘水平及绝缘强度

5、     额定开断电流

额定开断电流也即额定短路开断电流,是标志着高压断路器开断故障能力的参数。这是指在规定的条件下,断路器能保证正常开断的最大短路电流。断路器的额定短路开断电流一般比其所能开断的极限电流值稍低,以资留有裕量。

6、     瞬态恢复电压与工频恢复电压

瞬态恢复电压与工频恢复电压统称恢复电压。

电流过零时,假设断路器触头间弧隙电阻为无穷大,那麽瞬态恢复电压只决定于电路参数而与断路器无关。这种开断无直流分量的交流电流时的瞬态恢复电压为电网的固有瞬态恢复电压或预期瞬态恢复电压。在断路器标准中规定的瞬态恢复电压都是指电网固有瞬态恢复电压。我国标准上规定,出线端短路时的预期瞬态恢复电压,是断路器在出线端短路的条件下,所应能开断的回路的瞬态恢复电压极限值。

三相断路器开断时,电流首先过零的一相称为首开相,首开相所开断的电流是单相的,对于不同形式的短路,首开相开断过程中工频恢复时值是不同的。首开相触头间的工频恢复电压与系统相电压幅值之比称为首开相系数。对于三相不接地的短路,首开相系数kT=1.5,对于中性点经阻抗接地系统三相短路, kT不大于1.3,对于两相异端短路kT=√3。

&.合闸能力及操纵性能

一.  额定短路关合电流及合闸能力

电力系统中的电力设备或输电线路在未投入运行前就已存在绝缘故障,甚至处于短路状态,这种故障称为预伏故障,断路器应具有足够的关合短路故障的能力。标志这一能力的参数是断路器的额定短路关合电流。

国家标准规定断路器的额定短路关合电流(峰值)为其额定短路开断电流交流分量有效值的2.5倍。也即额定短时峰值耐受电流;额定短路闭合电流在数值上等于动稳定电流,这样才能使断路器的闭合能力与开断能力相适应。

二.  操纵性能与动作时间

       分闸时间——是指处于合闸位置的断路器,从分闸回路带电(即接到分闸指令)瞬间起到所有极的弧触头均分离瞬间为止的时间间隔。

       燃弧时间——从首先分离极主回路触头刚脱离金属接触起,到各极中的电弧最终熄灭为止的时间间隔。

       开断时间——从断路器接到分闸指令起到各极中的电弧最终熄灭瞬间为止的时间间隔,一般等于分闸时间与燃弧时间之和。

       合闸时间——是指处于分位置的断路器,从合闸回路通电起到所有极触头都接触瞬间为止的时间间隔,也即指直到主弧触头都接触瞬间的时间。

       关合时间——是指处于分位置的断路器,从合闸回路通电起到任意一极中首先通过电流瞬间为止的时间间隔。

       合分闸时间(即金属短接时间)——是指在合操纵中,从首合极中各触头都接触瞬间起到随后的分操纵时在所有极中弧触头都分离瞬间为止的时间间隔。

       关合开断时间——关合时,从某极首先通过电流瞬间起到随后的开断时所有极的燃弧时间结束时为止的时间间隔。

       分闸时延——断路器主回路开始通过故障电流到断路器接到分闸指令的时间间隔。

       合闸不同期性——合时各极间或同一极各断口间的触头接触瞬间的最大时间差别。

       分闸不同期性——分时各极间或同一极各断口间的触头接触瞬间的最大时间差别。

       断路器的燃弧时差——断路器能有效熄弧的最长燃弧时间和最短燃弧时间之差。

       预击穿时间——关合时,从任一极中首先通过电流瞬间起到所有极触头都接触瞬间为止的时间间隔。

三.  操纵循环

对于自动重合闸为:O→θ→CO→t`→CO

对于非自动重合闸为O→t`→CO→t`→CO

或者为CO→ta→CO   式中,O为开断动作,CO为紧接着合闸动作之后马上进行开断动作,θ、t`和ta为两次操纵之间的间隔时间或称为重合闸时间,我国标准规定θ为0.3St`为180S

       分-合时间(自动重合时)——重合操纵时从所有极的弧触头都分离瞬间起到首合极各弧触头都重新接触瞬间为止的时间间隔。

       无电流时间(自动重合时)——自动重合时,断路器分操纵时,从所有极的电弧最终熄灭起到随后重新合时任意一极首先通过电流为止时的时间间隔。

       重关合时间——在自动重关合中,从开断起始瞬间起到随后的关合时任意一极中首先重新通过电流时为止的时间间隔。

       重合时间——重合操纵中,从分闸时间起始瞬间起到所有极的动静触头都接触瞬间为止的时间间隔。

四.  机械和电气使用寿命

考核产物机械操纵的稳定性,我国标准规定,在常温下连续进行2000次操纵,试验中不允许进行任何机械调整及修理。但允许按照制造厂的规定进行润滑。

关于电气的使用寿命,在标准上规定只要满足一次标准循环即可。目前断路器电寿命试验主要依据用户技术要求进行。对于12KV,31.5KA级少油断路器一般做额定短路开断3次;同一等级真空断路器开断额定短路电流50次;而我国对252KVSF6断路器单位断口电寿命约做20次额定短路电流的开断。

δ  电力系统中各种短路故障与断路器开断

一、中性点不直接接地系统的三相短路故障

   在研究三相短路开断时,应当注意,由于三相中各相电流不同时过零,各相断路器中的电弧也不会同时熄灭,因而断路器是以一定的顺序开断故障。

A相的短路电流为:IA=UA/XL    式中,UA为电源A相电压。三相短路电流IA、IB、IC分别落后于相电压UA、UB、UC900。假定断路器QF开断后,A相短路电流先过零,A相电弧先熄灭,此时,B、C两相形成两相短路,流经B、C两相的短路电流为IBC=UBC/2X=0.866IA   短路电流IBC仍比线电压落后900。  A相断路器触头两端的工频恢复电压为:

UPRA=UA`O`=UAB+ UBO`     而UBO`= UBC/2  所以有UPRA= UAB+UBC/2=1.5UA

UPRA=1.5UA=1.5UP    由上述分析可见,第一相A开断时,工频恢复电压为相电压UP的1.5倍。A相电流过零电弧熄灭后,B、C两相的短路电流IBC经过5ms(900后)也过零。电源电压UBC将加在B、C两相触头上。如果电压均匀分配,B、C两相触头上的工频恢复电压UPRB、UPRC为    UPRB=UPRC= UBC/2=0.866UP

工频恢复电压与燃弧时间

开断序次      

1

2

3

相别

A

C

B

工频恢复电压

1.5UP

0.866UP

0.866UP

燃弧时间/ms

TA

TA+5

TA+5

由此可知,断路器分断三相短路故障时,电流首先过零的一相为首先开断相,也称首开相,首开相的工频恢复电压最高,为相电压的1.5倍。首相电弧熄灭后,另外两相的恢复电压只有相电压的0.866倍;首开相的短路电流也最大,另外两相的短路电流也只有首开相短路电流的0.866倍,所以后开断的两相,电弧容易熄灭,但燃弧时间比首开相延长5ms,电弧能量较大,因此触头、喷口等烧损的情况比首开相要严重。

二、中性点直接接地系统的三相接地短路故障

  即在中性点直接接地系统中发生三相接地短路故障时的首相开断系数为1.3。

  假设A相为首开相则:UPRA=UA×9/7=1.3 UA

  A相开断后,C相工频恢复电压为相电压的1.25倍,较首开相的1.3倍稍小。

  B相熄灭后,由于三相接地短路故障全部切除,显然B相的工频恢复电压即为相电压UP,比先前开断的两项都低。

工频恢复电压与燃弧时间

开断序次      

1

2

3

相别

A

C

B

工频恢复电压

1.3UP

1.25UP

UP

燃弧时间/ms

TA

TA+4.22

TA+6.68

  中性点直接接地系统与中性点不直接接地系统三相短路故障相同,即首相开断系数为1.5。

三、各种不对称短路故障及开断时的恢复电压

1、   中性点接地系统的单相接地短路故障

X1、X2、X0分别为从短路故障点看的系统的正序、负序、零序电抗。

IA=3UA/X1+X2+X0   一般X1和X2接近相等。因此,如果X0小于X1,则单相短路电流大于同一地点的三相短路电流(UA/X1),即当X0<X1                   时则

 IA=3UA/X1+X2+X0≈3UA/X0+2X1>UA/ X1  反之,则单相短路电流小于三相短路电流。

故障处B、C相的电流当然为零。断路器在开断B、C两相时没有任何问题。

A相断路器CB打开,当电流过零,A相电弧熄灭,断路器触头两端的工频恢复电压即为相电压。

UPRA =UA       UPRA =UP

2、   两相短路故障

发生两相(B、C相)短路故障,该短路点三相对地电压及流出该点的电流(短路电流)具有下列边界条件

Ia=0,    Ib= -Ic       Ub= UC    由公式推导可知

Ib=-j√3×U0/ X1+X2          IC=j√3×U0/ X1+X2    由上述可见,当X1=X2时,两相短路电流是三相短路电流的√3/2倍,一般讲,电力系统两相短路电流小于三相短路电流。另当X1=X2时,则Ub=UC =-Ua0/2。即非故障相电压等于故障前电压。故障相电压幅值降低一半。对于两相短路故障,即相间故障,对于接地和不接地的相间故障这两种情况,两故障相上的断路器多半同时开断。在两个故障相的每一相上,工频恢复电压为√3 UP/2。也即:UPRb = UPRc=√3 UP/2=0.866 UP

   由上述分析可知,两相短路故障时,故障相的短路电流和断口间的工频恢复电压均小于三相短路开断时的电流和电压,所以两相短路故障开断容易些。

3、   两相接地短路故障

对于中性点不接地系统,发生两相接地短路时故障相的工频恢复电压与两相不接地短路故障时相同,都为√3 UP/2,也即

  UPRb = UPRc=√3 UP/2=0.866UP

4、   异地两相接地故障

A相的断路器QF中流过短路电流,断路器开断短路故障,A相电弧熄灭时的工频恢复电压UPrA为三相电源的线电压,即

UPrA = UAB=√3UP=1.732 UP

即异相接地故障时的工频恢复电压为相电压的1.732倍。

四、开断时的工频恢复电压和瞬态恢复电压

    断路器刚开断,瞬态恢复电压的高频振荡消失以后,触头两端所出现的电源频率决定的电压即为工频恢复电压。

   断路器开断短路故障时的工频恢复电压除与系统中性点的接地方式,短路故障种类有关外,还因三相断路器开断电路的顺序而异,一般来讲,首先开断相的工频恢复电压最高,用首开相系数K来表示:

K= UPr/ UP

式中,UPr为首先开断相的工频恢复电压;UP为相电压。

3-3  开断各种故障时的工频恢复电压

故障种类

中性点不接地系统

中性点接地系统

开      断       相

三相接地

      1.5

    1.3

     第一相

三相短路

      1.5

    1.5

     第一相

二相接地

     √3/2

    1.3

第二、三相(故障相)

单相接地


    1.0

第三相(故障相)

异相接地

     √3/2

    1.3

第三相(故障相)

失     步

     1.5×2

   1.3×2

     第一相

五、瞬态恢复电压

1、    单相单频回路

单相单频回路是最简单的一种情况,瞬态恢复电压中含有高频振荡,其振荡频率f0与L、C有关,当t=1/2f0时,瞬态恢复电压到达最大值Utrm,Utrm一般为工频恢复电压U0的1.4~1.5倍,即

Utrm=(1.4~1.5) U0

2、    单相双频回路

远离断路器架空线故障是系统最频繁的故障之一。在这些情况下,加到断路器两端的便是一个双频恢复电压瞬变过程,是电源侧和线路侧瞬态恢复电压的矢量差。

六、影响恢复电压的因素

   影响瞬态恢复电压的主要因素有:工频恢复电压的幅值,线路中的电感、电容和电阻的大小以及它们的分布情况,线路长度,开断时的电弧特性等。

1、    电压等级、短路容量、设备与线路的影响。110KV以下的系统,主要是用于变电所供电的系统,因此,线路长度较短,主要受主变压器电感的影响,其瞬态恢复电压大多成为单一频率衰减波形。110KV以上系统特别是在短路电流大的系统中,因受到线路的影响,通常用四参数法表示其波形。当断路器额定电压一定时,瞬态恢复电压的上升率与固有震荡频率f0成正比。

        影响固有振荡频率f0主要有系统结构,断路器位置,故障种类以及设备参数(如发电机、变压器等)的电感及电容值等。


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