瞬态与工频恢复电压的比较分析

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：电压恢复过程中，首先出现在弧隙间的是具有瞬态特性的电压，称为瞬态恢复电压utr。瞬态恢复电压与工频恢复电压统称恢复电压。在断路器标准中规定的瞬态恢复电压都是指的电网固有瞬态恢复电压。我国标准规定，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。首开极触头间的工频恢复电压与系统相电压幅值之比称为首开极系数。

电力系统发生短路后，断路器分闸开断短路电流。断路器触头分离后，触头间产生电弧。电弧电流过零瞬间，电弧熄灭，触头上产生暂态恢复电压。电压恢复过程中，首先出现在弧隙间的是具有瞬态特性的电压，称为瞬态恢复电压u_tr。瞬态恢复电压存在的时间很短，只有几十微秒至几毫秒。瞬态恢复电压消失后弧隙出现的是由工频电源决定的电压称为工频恢复电压u_pr，如图2-3所示，工频恢复电压也可以说是电弧熄灭后弧隙上恢复电压的稳态值。图2-3a所示的电压恢复过程是带有周期性分量的或是多频分量的振荡过程，图2-3b所示是非周期过程。

瞬态恢复电压与工频恢复电压统称恢复电压。

图2-3 恢复电压

a）周期性的振荡过程 b）非周期过程

交流电弧的熄灭条件是，弧后触头间的介质恢复强度在任何瞬间大于作用在断口上的暂态恢复电压值。交流断路器开断短路故障时，瞬态恢复电压具有决定性的意义，因此也是分析研究的主要方面。常用断路器的零前电流下降率和零后恢复电压上升率的乘积来衡量它的灭弧能力。

瞬态恢复电压的变化取决于：工频恢复电压的大小与频率；电路的阻尼值（如电路中的电感、电容和电阻的数值）以及它们的分布情况；断路器的电弧特性，因为电流过零时弧隙电阻值的差别很大，因此弧隙电阻对瞬态恢复电压会带来很大的影响。

电流过零时，假设断路器触头间弧隙电阻为无穷大，那么瞬态恢复电压只决定于电路参数（电压大小、频率、电感、电容和电阻等），而与断路器本身无关。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的电网固有瞬态恢复电压。

我国标准规定，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极，首开极所开断的电流是单相的，对于不同形式的短路，首开极开断过程中工频恢复时值是不同的。首开极触头间的工频恢复电压与系统相电压幅值之比称为首开极系数。对于三相不接地短路，首开极系数k_pp=1.5，中性点经阻抗接地系统三相短路，k_pp不大于1.3，两相异端短路，。

对电力系统中存在的多频暂态恢复电压波形，可以按规定的方法将其化为等效的标准波形后，再进行处理。

表征瞬态恢复电压特性的数值有四参数法和两参数法，分别如图2-4和图2-5所示。

当电力系统电压等于或高于110kV，且短路电流比较大时，瞬态恢复电压适于用四参数法确定的三条线段所组成的包络线来表示，如图2-4所示。图2-4中，u1为第一参数电压，t₁为到达u₁的时间，u_C为第二参数电压（TRV峰值），t₂为到达u_C的时间。

当电力系统低于110kV，或虽高于110kV而短路电流比较小，且经变压器供电的条件下，瞬态恢复电压接近于一种阻尼的单频振荡波，瞬态恢复电压适于用两参数法确定的两条线段所组成的包络线来表示，如图2-5所示。图2-5中u_C为参考电压，t₃为到达u_C的时间。

图2-4 四参数法恢复电压特性值

图2-5 两参数法恢复电压特性值

图2-4及图2-5中的参数说明如下：

1）u_C：瞬态恢复电压峰值，到达此峰值的时间为t₃（四参数法中为t₂），以u_C、t₃表征恢复电压特性叫做两参数法。

2）u₁：四参数法恢复电压的第一参考电压，它是首开极恢复电压中的工频分量幅值，到达此值的时间为t₁，以u_C、t₂、u₁、t₁表征恢复电压特性叫做四参数法。

3）t_d：时延线的起始时间，时延线的终点坐标为（u′，t′）。

4）u_C/t₃：两参数法恢复电压上升陡度（kV/s）。

5）u₁/t₁：四参数法恢复电压上升陡度（kV/s）。

由于断路器电源侧局部电容的影响，在瞬态恢复电压最初几微秒内产生了一个较低电压上升率，引入一个时延来考虑这个影响。图2-4和图2-5中，t_d表示时延，u′为参考电压，t′为到达u′的时间。

额定电压72.5kV及以下预期瞬态恢复电压的标准值均以两参数法表示，见表2-6。

126～800kV预期瞬态恢复电压的标准值，除10%额定短路开断电流的TRV用两参数法表示外，其余均用四参数法表示，见表2-7。

对于额定短路开断电流超过50kA且额定电压为126kV及以上，或断路器电源侧直接连接大型电缆网络等情况，采用较低的TRV上升率试验断路器可能更经济合理。对于单相系统或在其他更严酷条件下使用的断路器，如下列情况：

1）靠近发电机回路的断路器。

2）断路器直接与变压器连接，断路器和变压器之间无明显附加电容，且由变压器提供的短路电流大于断路器额定开断电流的50%。

3）靠近串联电抗器的断路器。

4）开断近区故障。

上述情况时的TRV值还应特别考虑。

表2-6 用两参数法表示的额定电压72.5kV及以下预期瞬态恢复电压的标准值

①t_d和t′（T100）给出两个数值的地方，通过括号分开，如果还要进行近区故障试验，则采用括号中的数值。否则，则采用括号前面的数值。

表2-7 用四参数法（T100、T60和T30）或两参数法（T10）表示的额定电压126～800kV预期瞬态恢复电压的标准值

（续）

注：对于近区故障，表中规定的TRV参数为其回路电源侧的。

①时间t_d和t′对于出线端故障试验方式T100给出两个数值，如果还要进行近区故障试验，则采用大的数值。否则，采用小的数值。时间t_d和t′对于出线端故障试验方式T60、失步试验方式OP1和OP2给出两个数值，这些值表示用于试验的上限和下限。时延t_d和时间t′在试验时不应比相关的下限值短，也不能比相关的上限值长。

基本短路试验系列有试验方式T10、T30、T60和T100s，分别由额定操作顺序组成，在表2-6和表2-7中规定了瞬态和工频恢复电压下开断10%（T10），30%（T30），60%（T60）和100%（T100s）的额定短路开断电流，其直流分量小于20%。在短路试验方式T100s中可能会分成关合试验和开断试验。此时，构成关合操作的部分称为T100s（a），构成开断操作的部分称为T100s（b）。

瞬态与工频恢复电压的比较分析

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