不同负荷性质的关合与开断

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1、第五章不同负荷性质的关合与开断本章要点：1.单相短路故障的关合与开断2.三相短路故障的开断3.实际电网的瞬态恢复电压与表示方法4.近区故障的开断5.容性负荷的关合与开断6.开断空载变压器、电抗器和电动机7.失步故障及其它开断8.断路器断口并联电阻及并联电容的作用基础感性负荷电力系统的开关操作图5.1关合三相对称短路的电压电流在电力系统的开关操作中，关合有两类情况:1.正常负载情况下的分合2.短路状态下的分合。第一节单相短路故障的关合与开断一、关合短路对三相对称短路而言，其中的每一相实质上都存在一个过渡过程。我们不妨以单相

2、短路为例来讨论。设关合瞬时电源电压为其中R是短路点前的线路电阻理论推导(理想电弧近似)满足方程初始条件求解得其中—关合瞬时电源电压的相角,T=L/R—回路的阻抗角(5-1)公式5-1分析若=(回路的阻抗角等于关合瞬时电源电压的相角),第二项为零，即暂态分量不存在。关合直接进入稳态。（概率太小，很难碰到！)通常情况总是存在某种大小的非周期分量当时，从式(5-1)可得(5-2)最坏情况公式5-2分析的取值范围为0～，而的取值范围在0～/2，但到不了/2。当=0，=/2(R->0),T=式中In为短路

3、稳态有效值请回忆第一章=0时的短路电流波形图5.2=0时的短路电流波形冲击系数.短路电流最大冲击值Ich与Idm之比称为冲击系数。在现代电网中，冲击系数有些地方可能达1.9，但冲击系数绝不会大到2，由于1.8的系数在相关行业中使用了数十年，因此目前的断路器标准中仍沿用系数为1.8。关合过程主要考核的是电流的热效应和力效应。二、单相短路的开断断路器能否开断短路电流，关键在于能否熄弧，能否在电流过零期间使弧隙由导电态状转变为绝缘状态图5-3出口短路故障图5-4开断过程等效电路(忽略R)wL>>R分析恢复电压的变化情况忽

4、略短路回路开关电源侧的电阻R，而认为熄弧过程就发生在工频电压的峰值处，即熄弧瞬刻，电源、电压Ue=Ugm，Ugm为工频电压幅值。经这样的分析和简化,我们可以把电弧电流过零熄灭后开关两端的电压变化过程视作一个恒定的电压Ugm经电感L向电容C和电阻r并联电路的接通过程，故有图5.4的等效电路。因而有微分方程：(5-5)(5-6)整理一元二次常系数微分方程恢复电压式中uhf为开关两端，也即与开关断口并联的电容C两端的电压，也即恢复电压。图5.5电感电路熄弧过程波形关系分析电弧是阻性元件，电弧电压(uh)总与电弧电流(ih)同相

5、位。电弧电流过零熄灭时通常可认为对应于电弧电压的熄弧尖峰，或者说电弧电压的熄弧尖峰处(uhm)是恢复电压uhf的起点。而尖峰处是波形的导数为零处。因此我们从式(5-5)，式(5-6)求解uhf时可有初始条件：视r为常数联解式(5-5)，式(5-6)，并代入初始条件可得uhf的表达式为：恢复电压的的表达式前已述及，恢复电压的幅值高、上升陡度快，断路器熄弧就困难。下面我们来分析哪些因素会影响恢复电压的变化。在实际开断过程中，冷却强度与恢复电压的变化通过“剩余电阻”被联系起来而有相互影响的关系。(5-7)(5-8)弧隙并联电

6、阻r的影响图5.6回路无电阻时的等幅振荡波在式(5-7)中，若r=，即无并联电阻的情况，此时式(5-7)变为：恢复电压的初始条件恢复电压的波形如图(5-6)，是以uhm为起点，绕工频电压幅值无衰减的振荡波，振荡角频率为0，完全由线路参数L和C所确定，因而称之为回路的固有角频率。显然这是一种实际上不存在的极端情况在这种情况下，恢复电压的幅值可达2ugm。通常情况下回路总是存在电阻的，尤其是与弧隙串联的电阻绝对存在，因而即令并联电阻或剩余电阻都不存在，波形也如下面将要看到的是衰减振荡波，幅值到不了2ugm。分析若式中则

7、式(5-8)可写成称为振幅衰减系数，s称为电路实际振荡角频率。通常情况下远小于s，当<<s时可得式(5-7)恢复电压uhf的表达式(5-10)在高压系统中常有uhm<

8、幅系数是表征恢复电压特性的两个重要参数，从这两个参数，很容易得到恢复电压的平均上升率为：恢复电压的平均上升率电路振荡处于临界状态，此时恢复电压表达式为：(5-13)恢复电压的平均上升率在非振荡的情况下我们不妨作如下的近似分析，在ugm经L向r、C并联电路接通的过程中，在接通瞬刻电容C两端(也即r、C两端)因电压不能突