GB14048.2仅对短时耐受实验中不同电流下的功率因数、冲击系数等进行了要求，并未对合闸相角进行规定。这主要是因为电流相间邻近效应主要体现在某相电流峰值时其他两相电流在该相导体内的感应电流方向，而合闸相角的改变不影响三相电流的相序，故其不影响某相电流峰值时其他两相电流在该相导体内的感应电流方向。......
2023-06-15
频率对电动稳定性的影响
【摘要】：短路电流初始阶段根据上一小节分析可知，合闸相角为φ+π/6时，触头系统电动稳定性最差，故本节主要分析合闸相角为φ+π/6时频率对电动稳定性的影响。增大的冲击系数，势必会对短耐过程中电动稳定性造成影响。因此，如何采取措施抑制频率升高后电流的不均匀性，以及提高外侧动导电杆的动热稳定性是提高非工频框架断路器短时耐受能力的关键点之一。
永磁同步风力发电机与全功率双PWM变流器相结合的先进技术以其对电网优越的动态调节特性、高可靠性、运行效率高等优点，将成为未来大功率、并网型风力发电机组的发展方向。然而，与传统的带增速齿轮箱的双馈感应异步发电机组出口频率（50/60Hz）较为稳定不同的是，其发电机侧的工作频率变化范围大，即考虑到风速的变化和系统控制的需要，现有商用低速直驱和中高速（可达2000r/min）混合传动两种类型发电机组的工作频率范围一般分别为2～20Hz和30～180Hz。根据ABB公司产品性能对比可以看出，其非工频产品的短时耐受能力约为同电流产品的1/5。因此，这就需要对框架断路器非工频短路电流下耐受特性进行深入研究。
（1）短路电流初始阶段
根据上一小节分析可知，合闸相角为φ+π/6时，触头系统电动稳定性最差，故本节主要分析合闸相角为φ+π/6时频率对电动稳定性的影响。由式（7-1）可知，频率对短路电流暂态分量没有影响，但是频率提高后，会使得短路电流峰值时刻提前，致使峰值时刻的暂态分量变大。见表7-4，频率增大至100Hz和200Hz时，短路电流最大值由50Hz时的2.2I分别增加了12.7%和20.9%，大约达到2.4I和2.6I。增大的冲击系数，势必会对短耐过程中电动稳定性造成影响。
表7-4 频率对各相短路电流峰值的影响（I=55kA，ψ-φ=π/6）
频率对短耐初始阶段动导电杆电流峰值分布的影响如图7-35所示，可以看出频率提高后电流的集肤效应变得更为显著，A相电流凹形分布的陡度增大，B相和C相电流由50Hz时的斜坡分布转变为不对称凹形分布。尤其是当频率由50Hz增大到100Hz和200Hz时，B1动导电杆的峰值电流分别达到了3.00IM和3.46IM，即分别增加了20.0%和38.6%，可以看出由于更为显著的集肤效应，使得B1动导电杆上电流峰值的增幅大于B相总电流的增幅。
图7-35 频率对短耐初始阶段动导电杆电流峰值的影响
由于电动斥力与电流平方的相关性，频率对动导电杆上电动斥力矩Tr的影响与其对电流的影响一致。当频率由50Hz增大到100Hz和200Hz时，B1动导电杆的峰值动斥力分别增加了51.0%和114.9%。
频率增大对短耐初始阶段动导电杆侧向力峰值分布的影响如图7-36所示，可以看出频率增大后，靠近其他相的动导电杆（即A5、B1、B5和C1）上的侧向力显著增大，其余动导电杆上的侧向力变化不大。当频率由50Hz增大到100Hz和200Hz时，B1动导电杆的侧向力峰值分别增加了35.3%和63.3%。由于侧偏力矩和滑动力矩的相关性，频率对侧偏力矩和滑动力矩的影响与其对侧向力的影响一致，在此不再赘述。
图7-36 频率对短耐初始阶段动导电杆侧向力峰值的影响
（2）短路电流的周期阶段
如图7-37所示，当周期阶段短路电流的频率升高时，虽然各项总电流相等且不变，但由于集肤效应的影响，A相峰值电流凹形分布的陡度增大，B相和C相峰值电流由50Hz时的斜坡分布转变为不对称凹形分布。尤其是当频率由50Hz增大到100Hz和200Hz时，B1动导电杆的峰值电流分别达到了2.00IM和2.4IM，即分别增加了12.5%和26.4%；动导电杆电动斥力Tr峰值分别增大了36.4%和86.2%。
图7-37 频率升高对短时耐受过程周期阶段电流峰值分布的影响
根据7.3节的分析结果，虽然电流不均性会随着B1导电斑点温升的上升而得到缓解，但这是以提高B1导电斑点的温升为代价的。因此，可以推断：当频率升高后，B1动导电杆电流增大，将使得B1动导电杆的温度增大，影响触头系统的热稳定性。
频率对周期阶段侧向力的影响如图7-38所示，可以看出随着频率升高，靠近其他相的动导电杆（即A5、B1、B5和C1）上的侧向力增大，其余动导电杆上的侧向力变小。当频率由50Hz增大到100Hz和200Hz时，周期阶段B1动导电杆侧向力峰值分别增加了11.5%和19.9%。
综上，频率升高至100Hz和200Hz后，由于电流峰值时刻提前，短时耐受初始阶段三相短路电流总电流的冲击系数提高；另一方面，由于更加显著的集肤效应和邻近效应，A相峰值电流凹形分布的陡度增大，B相和C相峰值电流的斜坡分布转变为不对称凹形分布，这使得B1动导电杆上的电流占B相总电流的比重增大；上述两方面因素使得B1动导电杆上的电流在初始阶段电流峰值显著增大。由于频率对三相短路电流周期分量大小没有影响，因此，上述第一个影响B1动导电杆电流的因素在周期阶段不存在，只有第二个因素作用，这使得在周期阶段B1动导电杆电流虽然增大，但幅度比初始阶段小。
图7-38 频率升高对短时耐受过程周期阶段侧向力峰值分布的影响
通过上述分析可以看出，频率升高对框架断路器短时耐受性能的影响主要体现在其使得外侧动导电杆电流显著增大，使得外侧动导电杆电动斥力增大。因此，如何采取措施抑制频率升高后电流的不均匀性，以及提高外侧动导电杆的动热稳定性是提高非工频框架断路器短时耐受能力的关键点之一。
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2023-06-15
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