近区故障开断试验及ISS值选择

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：近区故障指的是离开断路器几百米到几千米之内的线路上发生的故障。由于断路器灭弧介质与熄弧方式改变时，α值变化较大且很难通过计算得出，因此断路器进行近区故障开断试验时应选择不同的ISS值进行试验。IEC高压断路器标准中规定：额定电压72.5kV以上，额定开断电流12.5kA以上，直接与架空线连接的断路器应进行单相近区故障试验，试验时的开断电流应选择为额定开断电流的75%和90%。

以往认为在断路器出线端上发生故障时，故障电流最大，断路器开断最为困难，这仅仅是从短路电流的观点来看的，没有考虑瞬态恢复电压对开断性能的影响。而近区故障的短路电流显然比断路器出线端处的短路电流小，但是开断近区故障时瞬态恢复电压的起始部分上升速度很高，断路器中的电弧难以熄灭，因而造成了断路器开断最恶劣的条件便是近区故障。

近区故障指的是离开断路器几百米到几千米之内的线路上发生的故障。近年来，随着电力系统的不断扩大，短路容量不断增加，断路器在开断近区故障时常常出现不能开断的严重故障，因此近区故障的问题才引起人们的重视，近区故障已作为最苛刻的开断条件受到重视，并开展了大量的研究工作。IEC标准和我国标准都规定，对于额定电压不低于52kV（我国标准为63kV及以上），额定开断电流12.5kA以上，直接与架空线连接的断路器，都必须进行开断近区故障能力的短路试验。

图3-27示出分析近区故障时的电路图和计算恢复电压的等值电路。

图中，U_p为相电压；L_s、C_s为断路器电源侧的电感与对地电容；L_l、C_l为线路侧的电感与对地电容。若线路每公里的电感及对地电容分别为l₁与c₁，则离断路器S km处发生短路时，L_l=l₁S，C_l=c₁S，短路电流I_SS为

最大值为

式中 ω——电源角频率；

I_s0——断路器出线故障时的短路电流，。

图3-27 近区故障

a）近区故障电路图 b）等值电路

当断路器电流过零前，电弧未熄灭时，设电弧电压很低，断路器端点A、B的对地电压相同，即U_A=U_B。断路器中电流过零电弧熄灭之后，U_A和U_B正好达到电压峰值U_Am和U_Bm，U_Am和U_Bm分别按照电源侧L_S、C_S回路及线路侧L_l、C_l、S回路所规定的暂态规律变化，即

由式（3-23）和式（3-24）可知，当故障点离断路器较近，S较小时，I_SS较大，当S=0时，即为断路器出线端故障时的短路电流，而U_Am和U_Bm较低；反之，当S较大，I_SS较小，而U_Am和U_Bm较高。

在电源侧，电流过零后，可列出下列微分方程式：

在初始条件t=0，i=0，U_A=U_Am下，求得上式的解为

U_A=U_pm-（U_pm-U_Am）cosω₀t （3-25）

式中。

在输电线路侧，由于输电线路具有分布参数，端点B的对地电压是一个锯齿波的行波过程，行波的周期TB为经过输电线长度S所需时间的四倍。行波的传播速度为，值为，锯齿波的振荡频率为，断路器出口B点上电压从U_Bm起经后下降到零，可以得到U_B初始周期内的电压下降率为

式中 Z₀——输电线路波阻抗。

在初始1/4周期内，U_B的电压变化方程式为

U_B=-I_smωZ₀t （3-26a）

由上面分析可知，电流过零电弧熄灭，断路器两端电压U_A与U_B不再相等，触头两端电压即为恢复电压U_tr，即

瞬态恢复电压上升率为

由式（3-25）和式（3-26）可见，输电线侧的瞬态恢复电压的幅值与瞬态恢复电压上升率均为输电线长度的函数。在离断路器很远的地方发生短路时，瞬态恢复电压的幅值虽高，但短路电流小，恢复电压上升率较低，开断任务减轻了。在断路器出线端B处发生短路时，S=0，恢复电压的上升率虽高，但幅值U_Bm已趋近于零，所以开断任务仍然较轻。

由线路侧锯齿波的振荡频率f_B可知S愈大，f_B愈低；反之，S愈小则f_B愈高。电弧熄灭时，电源侧C_s两端的电压为U_am，电源电压为。由于电路中除C_s外还有电感L_s，因此C_s两端电压由U_am变到U_pm的过程必然会出现振荡，振荡频率为。

通常f_A比f_B低得多。图3-28示出断路器开断近区故障时断路器断口上所受瞬态恢复电压波形。图3-28a表示断口两侧的瞬态恢复电压的波形，图3-28b表示触头间瞬态恢复电压的波形。由图3-28b可见，开断近区短路故障时，瞬态恢复电压初始部分的上升率，比开断断路器出线端短路时要高得多。

与断路器出线端短路故障开断时的恢复电压相比，主要差别在于瞬态恢复阶段的起始部分。前面已经分析了当故障点离断路器较近或较远时，断路器灭弧都不太困难，最困难的是瞬态恢复电压起始部分的上升速度高而电压幅值又不太低的情况，此时电弧不易熄灭，也就是断路器开断最为困难。

图3-28 开断近区故障时的瞬态恢复电压波形

那么故障点距断路器多远时，断路器开断最为困难呢？有人提出可从苛刻度的角度来分析。所谓电网对于断路器的苛刻度是指：断路器开断短路故障的困难程度，主要决定于短路电流I_SS，电流过零时瞬态恢复电压的上升速度（du_tr/dt）_t=0，以及瞬态恢复电压的第一个峰值U_tr1。若苛刻度用F表示，则有

式中 A——常数；

α——与断路器灭弧方式及灭弧介质有关的常数。

由图3-28a可知：

式中 K——振荡系数，不考虑线路损耗时K=2，考虑损耗时可取K=1.7。

以K=2代入式（3-30），结果与式（3-26）相同。将式（3-29）、（3-30）代入式（3-28），得

式中 A₁、A₂——常数，与S无关；

X_l——随S增大而增加。

将式（3-31）对X₁求导，并令它为零，可得

即可求得苛刻度最严重时，X_S与X₁之间的关系为

（X_l+X_S）-（2+α）X_l=0

所以有

若α=1，则X_l=0.5X_S，即I_SS=66.7%I_S0时断路器开断短路故障最为困难。同样当α=2，I_SS=75%I_S0时，断路器工作条件最为严重。由于断路器灭弧介质与熄弧方式改变时，α值变化较大且很难通过计算得出，因此断路器进行近区故障开断试验时应选择不同的I_SS值进行试验。IEC高压断路器标准中规定：额定电压72.5kV以上，额定开断电流12.5kA以上，直接与架空线连接的断路器应进行单相近区故障试验，试验时的开断电流应选择为额定开断电流的75%和90%。

图3-29示出开断电流I/I_S0与近区故障开断时的瞬态恢复电压关系示意图。此图是从开断点看的线路侧和电源侧的波阻抗比为5的场合，将瞬态恢复电压上升率与锯齿波第一尖峰相对关系以I/I_S0为参数用图表示的，可以看出开断电流越大，上升率也越高，但瞬态恢复电压的尖峰则减低。

若发生三相不接地的出线端短路故障，则首开相承受1.5倍额定相电压作用，见本章第四节，这时电压分配是：在电源侧为正一倍相电压，而在线路侧为负0.5倍相电压，这能改善断路器的电压分布，有助于均压。若在离断路器出线端不远的地方发生近区故障，将出现同样的电压条件，因而在试验时会要求电源侧瞬变过程在1.5倍相电压附近振荡。在联系紧密的电力系统中，电源零序阻抗常较电源正序阻抗低，使得单相条件下的故障电流比三相条件下的故障电流大（一般约大20%～30%），因此，这种近区故障开断的苛刻度也相应增加。

图3-29 I/I_S0与近区故障开断的瞬态恢复电压

考虑上述因素，已经形成了一个国际协议：近区故障试验只需按单相故障进行。

接在断路器出线端上的设备对瞬态恢复电压有较大影响。断路器出线端和设备入口之间的设备，如互感器，很可能有相当大的容性负载。这些设备的存在对线路侧瞬变过程影响很大。研究表明，电容式电压互感器所增添的电容，有效地降低了线路瞬态频率，从而减轻了断路器的开断条件。

由于开断近区故障对断路器提出了很苛刻的要求，近几十年来对开断近区故障问题作了大量的研究。开断近区故障时，断路器的灭弧方式不同，对瞬态恢复电压初始阶段上升率的敏感程度也不同。某些类型断路器，在相同的电压和电流条件下，能开断正常短路电流，但不能开断近区故障。因此在研究断路器的灭弧能力时，还要研究电弧电流过零后，恢复电压初始上升阶段的介质强度恢复性能。

改进灭弧结构和操动机构特性是提高断路器开断近区故障能力的途径之一。另一个有效的方法是在断路器断口间并联电容，以降低瞬态恢复电压上升率，达到提高开断近区故障能力的目的。

近区故障开断试验及ISS值选择

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