断路器断口间并联电阻的分析及应用

断路器断口间并联电阻的分析及应用 l 断路器是电厂、电网和用户的重要电气设备。当电力系统发生短路故障时，断路器应能迅速可 靠地切断故障电路，以缩短电力系统的故障时间和减轻短路电流对电气设备的损害。另外，电力 系统中的切、合空载线路，切空载变压器等操作引起过电压也与断路器工作性能有关。为了改善 断路器的工作性能，常在断路器灭弧室断口上并联不同阻值的电阻。选择并联电阻大小的基本原 则是：要保证完成主要的任务，对所需辅助灭弧室的切断能力应尽可能的小。根据并联电阻的大 小，可将其划分为低值并联电阻、中值并联电阻及高值并联电阻。如何将这三种不同阻值的并联 电阻恰当地应用在具体电路中，从而保证断路器有良好的工作性能，即是本文着重要讨论的问。 2 21 在断路器断口两端并联几欧到几十欧的低值并联电阻，是改善断路器工作条件的比较有效的方 法。 如图1所示，L、R分别为发电机的电感和电阻，C为发电机的对地电容，电源电压为e。断路器设有两个断口：主断口D1和辅助断口D2。电阻Rb并联在主断口D1上。当断路器开断电路时，主断口先打开把并联电阻接入。当主断口Dl问的电弧熄灭后再打开辅助断口D2，开断流经并联电阻的电流使电路完全开断，见图1。下面分析主断口和辅助断口的开断电流和电压恢复 过程。 如图2(a)所示，主断口开断时通过断口的短路电流id和电源电压e满足以下关系： 忽略短路回路中的及，假定在电容充电的暂态过程中电源电压近似地保持不变，则图2(a)可简化为 电压曲线。由此可见，采用并联电阻尼振荡后，恢复电压的最大值将不会超过工频恢复电压Ugh。恢复电压(Uhf)的最大上升速度则发生在t＝0时，其值为duhf／dt=(Rb／L）Ugh，并联电阻愈小，恢复电压的上升速度就愈低。因此，采用并联电阻阻尼振荡后，主断口的开断将比较容易。 ，忽略流经电容C 的电流，流经电感的辅助断口电流将为： 虽然作用在辅助断口上的瞬态恢复电压中仍有高频振荡，鉴于其工频恢复电压和开断电流都得 到了一定程度的降低，所以，辅助断口的开断条件远比主断口容易。 另外，电容器组投入或开断电容器组重击穿时，都将产生很大的涌流。在断路器上加装低值并 联电阻可以起到限制涌流的作用。 空气断路器KW—35／400型，采用了45Ω的并联电阻。DW2—35R／630—16型多油断路器每断口并联电阻值70Ω或120Ω，均属低值并联电阻。 22 在断路器断口上并联中值电阻，可以改善断路器开断近区故障时的工作条件。近区故障是指离 开断路器几百米至几公里的线路上发生的短路故障。在超高压电力系统中，当短路电流在 25—65kA范围内，断路器开断近区故障时的工作条件较之直接开断在断路器出线端上的短路故 障更为严重。以中性点接地的发电机近区单相接地故障为例，在0?t ?2s／v的时间内，恢复电压的上升速度和第一个最大值可近似地写成： 上式说明，恢复电压的上升速度和短路电流的大小成正比。因此，随着系统短路容量的增大， 恢复电压的上升速度将增加，从而引起开断的困难。不过，电弧是否重燃还与U1有关。当s值减小时，I增大，恢复电压上升速度增大，但U1却下降，电弧可能不会重燃。反之，随着s值的增大，U1将增大，但由于I减小，恢复电压上升速度却减小了，电弧也不会重燃。可见电弧 的重燃往往出现在恢复电压的上升速度不低而恢复电压的第一个最大值较高时，一般s＝0．5—8km时，这就是近区故障。此时断路器所开断的短路电流虽然比断路器出口短路时为小， 但开断却更困难。 在断路器断口上，并联以适当数值的并联电阻Rb可以改善断路器开断近区故障时的工作条件。 Rb的数值可以用图5(a)计算。 图5中与C1串联的直流电源是用来取代C1上的起始电荷的。在0?t ?2s／v时间内工1所呈现的 阻抗非常大，可以认为是开路的。等值电路简化为图5(b)，此时恢复电压的最大上升速度为： 显然小于末加并联电阻时的值。可见并联电阻能降低恢复电压的上升速度。Rb愈小则效果愈好。如取Rb＝Z，恢复电压上升速度将减小为无并联电阻时的1／2。z值一般可取500Ω，为改善断路器在开断近区故障时的工作条件，并联电阻的取值不能超出数百欧的数量级，属中值电阻范围。 在电力系统合空载长线时，由于电容以振荡回路的形式进行充电和过充电，造成操作过电压。 通常在断路器上加装中值并联电阻来限制这种过电压。 图6为原理图。合闸时辅助断口D2先接通，此时长线经合闸电阻R6接人电源。由于合闸电阻的存在，D2合闸时长线电容上的电压振荡可得到阻尼。合闸电阻愈大阻尼作用愈强。在D2合闸后经7—15ms，诶长线上的电压基本趋于稳定后，再闭合主断口D1，短接合闸电阻Rb。虽然电阻Rb被短接时电容上的电压仍会出现振荡，但由于主断口闭合前，电源与输电线电容间已 有合闸电阻Rb起联系作用，电源电压与电容电压间的差值不会很大。因此，由于振荡而出现的 过电压不会太高。合闸电阻的数值一般应在400—l200Ω范围内，属于中值并联电阻。 断路器开断空载长线时，由于电弧的重燃将引起过电压。在330kV及以上的线路中需采取专 门的来限制切空线过电压。最有效的措施是提高断路器的熄弧能力(即加快断口的介质强度恢复)，使之不发生重击穿。断路器熄弧能力不高时，可用在断口上并联电阻的方法来防止断口 的重击穿。 如图6所示，DL开断时，主断口D1先分开，此时，由于电阻Rb的存在，电容C上的电荷可以通过Rb流向电源，电压Uc不再保持不变，因此，主断口D1上的恢复电压要比没有并联 电阻时小。显然，Rb愈小，重击穿的几率也就愈低。 主断口D1分开，经过1．5个工频周期后，辅助断口D2打开。此时，由于Rb的存在，减小了电容电流和电压间的相位差，从而降低了作用在断口D2上的恢复电压，所以，辅助断口D2重击穿的几率也就相应降低。而且，即使重击穿，Rb将起阻尼作用，过电压也不会太高。所以， 400—l200Ω的合闸电阻同时可以起到限制切空线过电压的作用。 电容器组开断时，也将产生过电压。电容器运行中电极间的操作过电压不允许超过两倍额定电 压峰值。因此，如果断路器不能做到不重燃，则在使用时必须辅以相应的限制过电压的措施。在 熄弧强度与电流大小有关的油断路器中，可以采用中值并联电阻以限制切断电容电流时的过电 压。对于110kV断路器并联电阻Rb值可取3500—4000Ω，对于110kV多油断路器分断并联电阻的数值一般为l500Ω。国产110—220kV少油断路器，由于分断性能较高而不需要带并联电阻。 目前，在我国500kV电网中大量采用的六氟化硫断路中有不少采用了并联合闸电阻。由瑞土 ABB公司进口的500 kV ELP SL型SF6断路器，每相四断口，每个合闸电阻单元的电阻为 112．5Ω。 尚在使用的压缩空气断路器和多油断路器也有部分采用了并联电阻。在超高压系统中被广泛使 用的KW4和KW5系列压缩空气断路器，断口上并联有中值电阻，每个断口的电阻是500Ω，330 kV时为3000Ω。多油断路器DW 2—35型并联电阻值为(950?50)Ω。 23 由于断路器的灭弧能力较强，在开断小电感电流时，如开断空载变压器、并联电抗器及高压感 应电动机等大电感负荷时，电弧有可能不是在电流经过自然零点时熄灭，而是在某一电流值时被 强迫熄弧。此时，在电感上将感应出过电压。接在断路器断口上的并联电阻Rb可为被截断的电流提供通路，从而可以起到限制过电压的作用。 的值很大。对于开断电力变压器的110kV的断路器，并联电阻值大约为25000Ω—30000Ω。 KWl系列压缩空气断路器就采用了高值并联电阻。其中KWl—110型，并联电源为2×180000Ω； KWl—220型并联电阻为4×10000Ω。 3 综上所述，在断路器断口两端并联低值电阻，有利于限制短路电流，降低工频恢复电压和振幅 系数，以及减慢恢复电压上升速度，从而改善断路器开断短路故障的工作性能。在断路器断口间 并联中值电阻，不仅可以改善断路器开断近区故障的工作条件，还可以限制切合长线过电压，而 高值电阻则起到限制切空变过电压的作用。可以认为,断路器断口上的并联电阻，对电力系统可 靠、稳定的运行起着重要作用。