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合闸能力与操作性能优化分析

【摘要】:因此,断路器应具有足够的关合短路故障的能力,而标志这一能力的参数是断路器的额定短路关合电流。合闸时,电动力向减弱合闸力的方向作用。操动机构的操作特点是由其动作时间来说明的。

1.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”。当断路器关合有预伏故障的电路时,在关合过程中,常在动静触头尚未接触前,在电源电压作用下,触头间隙击穿,通常称为预击穿,随即出现短路电流。如果关合过程中出现短路电流,则会对断路器的关合造成很大的阻力,这是由短路电流产生的电动力造成的。因此,断路器应具有足够的关合短路故障的能力,而标志这一能力的参数是断路器的额定短路关合电流。

在大多数情况下,电力系统的故障是暂时性的,断路器开断以后再合闸,线路上的故障已经排除,因此,要求断路器在开断一段时间以后再合闸。但是,有时候合闸后线路的短路故障并没有排除,断路器闭合以后在线路和断路器中将再次通过短路电流产生很大的热效应和电动力效应,会使断路器受到严重的损伤。断路器应具有足够的承受电动力和热作用的合闸能力,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,即额定峰值耐受电流(动稳定电流)。

当断路器合闸时,若系统处于短路状态,则断路器应该再次开断。但是在触头闭合之前会产生预击穿,在触头之间产生电弧,从而可能产生触头的发热、熔焊,降低断路器开断短路电流的能力。

合闸时,电动力向减弱合闸力的方向作用。当电动力过大时,合闸操作力被减弱,动触头由于电动力的作用被反弹回来。当合闸时在触头间产生的电弧熄灭后合闸动作再次开始,这样就有可能反复产生触头的合分过程,即弹跳现象。当发生弹跳现象时,电弧能量积累,有时会引起灭弧室的破坏。当断路器发生闭合短路故障时,发生弹跳现象是很严重的,额定短路关合电流是表示断路器最严重工作状态的参数,因此必须保证断路器在额定关合电流下的合闸能力。

标准上规定,额定短路关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。

2.操作性能与动作时间

操作是指动触头从一个位置转换至另一个位置的动作过程,操动机构在高压断路器中占有重要地位。它不但要保证断路器长期的动作可靠性,还要满足灭弧特性对操动机构的要求。断路器的分合所需时间或速度必须满足其开断和关合的要求,以便通过快速切除故障不使故障扩大,保持系统的稳定。再者也可减轻故障点的设备、线路、绝缘等的损伤,因此要求断路器具有良好的操作性能以满足上述要求。

断路器开断大电流和开断小电流时对操动机构的要求是不同的。开断大电流时需要较大的分断速度,因而也需要较强的操作力,但对于小电流而言,分合电磁反弹力较小。为了在此情况下不致由于过大的操作力而产生冲击,故要采用油、空气或弹簧等缓冲装置。可是当运动部件重量较大时,操作力大而冲击力小的要求不容易实现。对于断路器的操动机构而言,要求能够很好地实现各种情况下的分合要求。

操动机构的操作特点是由其动作时间来说明的。断路器的动作时间有开断时间与关合时间之分。

断路器的时间参量介绍如下。

1)分闸时间

分闸时间是指处于合闸位置的断路器,从分闸操作起始瞬间(即接到分闸指令瞬间)起到所有极的触头分离瞬间的时间间隔。

断路器的分闸时间根据下述的脱扣方法分别定义。

(1)对于用任何形式辅助动力脱扣的断路器,分闸时间是指处于合闸位置的断路器从分闸脱扣器带电瞬间起到所有各极的弧触头均分离瞬间为止的时间间隔。

(2)对于自脱扣断路器,分闸时间是指处于合闸位置的断路器从主电路电流达到过电流脱扣器的动作值时刻,到所有各极弧触头分离时刻的时间间隔。

分闸时间可以随开断电流的变化而变化,但是准确地测量开断短路电流时的起弧时间并不容易,因此分闸时间一般为空载状态下测得的数值。

2)燃弧时间

燃弧时间是指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的时间间隔。

3)开断时间

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

4)合闸时间

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的时间间隔,即直到主弧触头都接触瞬间的时间。

5)关合时间

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的时间间隔。

6)合分闸时间

合分闸时间是指在合操作中,从首合极中各触头都接触瞬间到随后的分操作时在所有极中弧触头都分离瞬间的时间间隔,即金属短接时间。

7)关合开断时间

关合开断时间是指关闸操作时第一极触头出现电流时刻到随后的分闸操作时燃弧时间终了时刻的时间间隔。

8)分闸时延

分闸时延是指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。

9)合闸不同期性

合闸不同期性是指合闸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异。

10)分闸不同期性

分闸不同期性是指分闸时各极间或同一极各断口间的触头分离瞬间的最大时间差异。

11)断路器的燃弧时差

断路器的燃弧时差是指断路器能有效熄弧的最长燃弧时间和最短燃弧时间之差。

12)预击穿时间

预击穿时间是指在合闸操作期间,从第一极出现电流时刻,对于三相条件,到所有极触头接触时刻的时间间隔;对于单相条件,到起弧极的触头接触时刻的时间间隔。

断路器的开断时间和关合时间分别如图6-7和图6-8所示。

图6-7 断路器的开断时间

图6-8 断路器的关合时间

3.操作循环

架空输电线路的短路故障大多数是临时性故障,为了提高供电的可靠性并增加电力系统的稳定性,线路保护多采用快速自动重合闸操作的方式。也就是说,当输电线路发生短路故障时,断路器开断,经过很短时间又再自动关合。断路器重合闸后,如故障并未消除,则断路器必须再次开断短路故障。在有的情况下,断路器第二次开断短路故障后经过一定时间(如180 s)再次关合电路,称为强送电。强送电后,如故障仍未消除,则断路器还需第三次开断短路故障。上述操作顺序称为快速自动重合闸的额定操作顺序,在断路器上应选取下列之一为标准操作循环:

(1)对于自动重合闸为o→θ→co→t′→co;

(2)对于非自动重合闸为o→t′→co→t′→co,或者为co→ta→co。

其中,o表示1次分闸操作;co表示1次合闸操作后立即(即无任何故意的时延)进行分闸操作;θ、t′和ta为2次操作之间的间隔时间或称为重合闸时间。我国标准规定,用于快速自动重合闸的断路器θ为0.3 s,t′为180 s。

自动重合闸过程中的分—合时间为:重合操作时,所有极弧触头分离时刻到重合闸操作过程中的第一极触头接触时刻的时间间隔。

自动重合闸过程中的无电流时间为:自动重合闸时,断路器分闸操作中所有各极的电弧熄灭时刻到随后的合闸操作中任一极首先重新出现电流时刻的时间间隔。

重合闸时间为:在重合闸循环过程中,分闸时间的起始时刻到所有各极触头都接触时刻的时间间隔。

重合闸过程中的重关合时间为:在重合闸操作中,分闸时间的起始时刻到随后的合闸操作中任一极首先重新出现电流时刻的时间间隔。

断路器在自动重合闸操作中的有关时间如图6-9所示。

图6-9 断路器在自动重合闸操作中的有关时间(c—t—co)

对于一般的断路器,当自动重合闸时,在操作循环中的第二次开断,其性能较第一次降低。这是因为断路器的分—合时间或自动重合闸时间短,开断一次短路电流以后,再次开断短路电流时,它的力学性能和灭弧装置的灭弧性能还没有完全恢复,所以开断能力有所降低。对具有重合闸要求的断路器,其最后的开断动作必须保证能够开断额定开断电流。