图8-3为额定电流为16A的微型断路器，当短路电流通过瞬动电磁铁线圈时，铁心向左移动，顶动脱扣杆，使机构脱扣。图8-3 微型断路器现对上述微型断路器描述其仿真过程。为了验证计算准确性，在预期电流Ip=10.2kA，U=232V，cosφ=0°，βv=4.5257×10-7条件下进行了开断试验，试验结果与计算机仿真进行了对比，如图8-7所示。......
2025-09-29
如何应对失步故障以及断路器开断
【摘要】：出现失步故障时，系统发生振荡。断路器开断时失步故障电流虽然较小，但恢复电压很高，断路器开断失步故障也不轻松。若IS已达到断路器的额定开断电流，则失步故障电流能达到断路器额定开断电流的50%。由此可见，只要两个电力系统之间，联络线的长度不太短，失步故障电流不会超过额定开断电流的25%。失步故障开断时的瞬态恢复电压与出线短路故障和近区故障时不同。图3-34 失步故障时的瞬态恢复电压
几个电网并联运行联网供电时，几个电网的电压应该同步。当电力系统发生短路故障或其他如负荷突变等原因，可能使一部分发电机过负荷，另一部分发电机欠负荷，致使电力系统失去稳定，而使发电机转入异步运行。如果失步的发电机与电力系统的联系很弱并带有很大的地方性负荷，则将因不能再恢复同步而导致系统解列。
当电力系统出现失步故障时，电网电压之间的相角差处在0°～180°之间。失步时，用在联络线上的联络断路器要能可靠地开断联络线，使并联运行的电网解列，避免整个系统崩溃。
出现失步故障时，系统发生振荡。断路器开断时失步故障电流虽然较小，但恢复电压很高，断路器开断失步故障也不轻松。
对现代快速保护来说，失步开断时两个电源间的相角差一般比较小，但用慢速保护时（例如某些型式的后备保护），开断时的角度可能较大。对于自动重合闸断路器，在重合闸失败之后第二次开断故障的时候，两个电压间则可能发生相当大的相角差。当在两个电源具有180°相角差的情况下分闸时，在直接接地系统中出现最坏的情况，首先开断相上的恢复电压最大大约为相电压的2.6倍。在中性点不直接接地系统中，首先开断相上的恢复电压为相电压的3倍。
图3-30为分析失步故障时单回路接线方式的简化电路。如果QF处在闭合状态，则两个电网同步正常运行时，作用在断路器上的电源电压为两个电网电压之差，其值近于零，流过联络线两个网路电压的相角差可能达到180°，这时，作用在网路上的电源电压为两个电压之和，网路中的电抗为两个电网的电抗与联络线电抗之和。发生失步时，断路器上反相开断，流经断路器QF1的故障电流为
式中 Xs1、Xs2——系统1与2的短路感抗；
Xl——线路感抗。
图3-30 分析失步故障单回路接线方式简化电路图
断路器QF1额定开断电流是按QF出线处1的短路电流Is来选择的，因为有
所以有
若两系统的短路容量相同，即Xs1=Xs2=Xs，则式（3-32）可简化为
不同Xl/Xs比值时的Iop/Is如图3-31所示。由图可见，当Xl/Xs≥6时，Iop/Is≤25%。
若已知系统的短路电流以及线路每千米的电感值l1，即可求得Iop/Is=25%时的线路临界长度，见表3-7。只要两系统相隔的距离大于表3-7中的临界长度，失步故障电流Iop就不会超过额定开断电流的25%。
图3-31 失步故障电流与线路阻抗的关系
表3-7 线路临界长度（单回路）
下面分析双回路接线方式失步故障开断情况。图3-32示出分析失步故障时所用的简化电路。当K1点发生短路，断路器QF1与QF2开断故障后可能引起两系统振荡失步甚至系统崩溃。若此时两系统已反相，断路器QF3开断的就是失步故障电流Iop，由图3-32可得
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图3-32 分析失步故障双回路接线方式简化电路
断路器QF3出线处的短路电流为
所以有
令
由式（3-34）可得出不同y值时的
，如图3-33所示。
这里先分析两个系统短路容量相同，即Xs1=Xs2=Xs的情况。这时，y=Xs1/（Xs2+Xl），只可能小于1，Iop/IS的比值随Xl减小而增大。当两个电力系统相距较近，联络线长度很短，Xl→0时，
，Iop/IS→0.5。若IS已达到断路器的额定开断电流，则失步故障电流能达到断路器额定开断电流的50%。反之，联络线长度较长，Xl较大，当Xs/（Xs+Xl）≤0.17，也即Xl≥5Xs时，Iop/IS≤0.25。若已知系统的短路电流以及线路每千米的电感值l1，同样能得出Iop/IS=25%时的线路临界长度，见表3-8。
图3-33 不同y值下的Iop/IS
表3-8 线路临界长度（双回路）
如果两个系统的短路容量相差较大，则情况有所不同。例如Xs2=5Xs1时，由式（3-33）可得，只有Xl＜0.88Xs1，即两系统之间联络线长度较短时，Iop/IS的比值才有大于25%的可能，相应的临界长度见表3-8。
由此可见，只要两个电力系统之间，联络线的长度不太短，失步故障电流不会超过额定开断电流的25%。因此IEC高压断路器标准中规定：断路器额定失步开断电流定为额定短路开断电流的25%，我国标准也规定额定失步开断电流为25%的额定短路开断电流。但有些国家的标准中定得较高，如40%。
失步故障开断时的瞬态恢复电压与出线短路故障和近区故障时不同。对于图3-30中断路器QF1，开断失步故障时触头两端的瞬态恢复电压Utr可分析如下。
为简单起见，只分析单相电路的情况，三相电路时只需要乘以首开相系数即可。
断路器QF1开断电路，在触头间电弧熄灭前若忽略电弧电压的影响，A点与B点的电压相同，UA=UB，电流过零时UA与UB正好是电压峰值UAm与UBm，若系统1的相电压为Up，系统2为Up1，则有
电流过零电弧熄灭后UA、UB不再相等。A点电压将由UA变到
；B点是电压由UB变到
，这一过程是以振荡形式出现的。UA的振荡频率较高，UB则因连接有一段输电线路，电感与电容值较大，振荡频率较低，如图3-34a所示。
断路器QF1触头间的瞬态恢复电压Utr=UA-UB，Utr的波形如图3-34b所示。与出线短路故障开断时的瞬态恢复电压（见图3-34b中的虚线）比较，虽然失步故障开断时的瞬态恢复电压平均上升率较低，振幅系数（1.25）较小，但瞬态恢复电压的最大值较高，电弧不易熄灭。因此，断路器开断失步故障也是很困难的，特别对于那些带有并联电阻的断路器，反相故障分、合时，并联电阻的发热量将显著增加。
图3-34 失步故障时的瞬态恢复电压
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