短路的开断与关合能力

断路器的额定开断电流、额定断路关合电流额定开断电流等于热稳定电流. 额定关合电流等于动稳定电流额定短路开断电流是表征断路器开断能力的参数。

在额定电压下，断路器能保证可靠开断的最大电流，称为额定开断电流，其单位用断路器触头分离瞬间短路电流周期分量有效值的千安数表示。

当断路器在低于其额定电压的电网中工作时，其开断电流可以增大。

但受灭弧室机械强度的限制，开断电流有一最大值，称为极限开断电流。

额定短路开断电流是指在GB规定的使用和性能条件下,断路器所能开断的最大短路电流。

额定短路开断电流由两个值表征：——交流分量有效值；——直流分量百分数。

如果直流分量不超过20%，额定短路开断电流仅由交流分量的有效值表征。

额定短路关合电流：是表征断路器关合电流能力的参数。

因为断路器在接通电路时，电路中可能预伏有短路故障，此时断路器将关合很大的短路电流。

这样，一方面由于短路电流的电动力减弱了合闸的操作力，另一方面由于触头尚未接触前发生击穿而产生电弧，可能使触头熔焊，从而使断路器造成损伤。

断路器能够可靠关合的电流最大峰值，称为额定关合电流。

额定关合电流和动稳定电流在数值上是相等的，两者都等于额定开断电流的2.55倍。

具有极间同期性的断路器的额定断路关合电流是与额定电压和额定频率相对应的额定参数。

对于额定频率为50Hz且时间常数表幺值为45ms，额定短路关合电流等于额定短路开断电流交流分量有效值得2.5倍。

对于所有特殊工况的时间常数，额定短路关合电流等于额定短路开断时间交流分量有效值的2.7倍，与断路器的额定频率无关。

开断电流：开关跳闸时（故障跳闸）可以切断灭弧的最大电流；关合电流：开关合闸时（合闸到冲击负荷或故障）容许流过的最大电流，电流过大会发热，损坏断路器触头。

补充：是指合闸瞬间的电流，在开关合闸过程中，比如还有几毫米没有闭合严或闭合不紧时，这时候电阻比较大，I^2*R是发热，这时候电流如果过大，发热会很大，烧毁开关触头。

第一节综述一、短路故障关合与开断电路时电弧的燃烧与熄灭：1. 断路器关合和开断电力系统某些元件时，都会出现电弧。

关合与开断的电流愈大，电弧愈强烈，工作条件也愈严重，尤以开断为甚。

2. 介质强度uj（指触头间能承受的电压值）和恢复电压uhf （电流过零后在断口两端出现的外加电压）是影响电力系统开断的两个重要因素，分别用uj（t）和uhf（t）表示，如图2-1所示。

①当恢复电压的上升速度比介质强度的增长快时， uj（t）和uhf（t）两曲线将相交（图2-1，a），电弧会重燃，电流继续以电弧的形式通过断口，电路不能开断。

②当介质强度的增长比恢复电压的上升快时， uj（t）和uhf（t）两曲线将不会相交（图2-1，b），电弧不再重燃，电路即被开断。

二、断路器在开断小电感电流（如空载变压器、电抗器或电动机）、电容性电流（如空载长线或电容器组），以及关合电容性电流时常产生过电压，危及包括断路器本身在内的电力系统中的各种电气设备。

为此必须对各种关合和开断情况时电力系统中电压和电流的过渡过程进行研究。

讨论可先从单相回路着手，阐明物理过程，然后再分析三相问题。

第二节短路故障的关合一、电力系统的短路：1. 定义：电力系统中一相或多相导体接地或互相短接而将负载阻抗短接掉。

2. 短路形式：单相接地短路、两相短路、两相不接地短路、三相接地短路、三相不接地短路和断路器异侧两相接地短路。

理想的短路情况：三相负载相等。

3. 电力系统的关合的两种类型；（1）正常关合：指关合前线路或电气设备不存在绝缘故障的情况；（2）短路故障的关合：指关合前线路或电气设备已存在绝缘故障，甚至处于短路状态的情况。

因短路故障的关合最严重，因此只讨论短路故障的关合。

4. 出现接通短路故障的四种前提：已存在未被发现的“预伏故障”；“试探性自动重合闸”；“人为的接地短路”及“误操作”。

二. 短路电流id：参看图2-2（a）。

设电源电压e=Emsin（ωt＋a），a为电源电压的初相角,忽略电源阻抗，可得图2-2（b）所示的计算短路关合电流的等值线路图。

1.短路电流 id的表达式：图中L、R分别为包括变压器和输电线回路的电感和电阻。

如果关合发生在t=0时，通过解微分方程,则短路电流id的表达式将为：2.回路的稳态短路电流iz ：①（2-1）式右边第一项是回路的稳态短路电流iz ，也称作短路电流周期分量；②右边第二项是一个按指数规律衰减的非周期暂态电流，称为短路电流的非周期分量，用if表示。

其衰减快慢由回路时间常数T决定。

③图2 - 3中画出了短路电流的周期分量iz、非周期分量if和由它们所合成的短路电流id的波形。

从图中可见，在暂态过程中，短路电流id是围绕非周期分量电流振荡的。

一般高压电网，各元件的电抗均比电阻大得多，如果忽略回路电阻对稳态短路电流的影响，即认为Φ=90°，则式（2-1）可简化为当a=0°（即电源电压过零点瞬间）关合时，短路电流的非周期分量（第二项）最大，它的初始值等于稳态短路电流的幅值Idm。

此时式（2-2）可简化为图2-4为与之对应的波形图。

3.短路电流的最大值Ich ：也叫短路冲击电流。

由于非周期分量的存在，短路电流的最大值一般在短路发生后的半个周期即t=π/ω=0.01s 时出现。

Ich可由下式求出：4. 高压电器标准规定：短路冲击电流Ich一般为短路电流周期分量幅值的1.8倍，为短路电流周期分量有效值的2.55倍。

证明：Kch由回路的时间常数T决定。

在感抗较大的高压电网内，一般取T≈0.045s，此时冲击系数Kch将为：对断路器关合能力的要求要根据短路冲击电流提出。

短路冲击电流同时也决定了电力系统中电气设备所受的机械力。

5. 各电流额定值之间的相互关系：Idm = Icm；Ith = Ib式中，Idm：短路冲击电流（Ich）；Icm：额定短路关合电流（ING）；Ith：额定热稳定电流（It）；Ib：额定短路开断电流（INK）。

电力系统各种开断中，短路故障的开断任务最艰巨。

一、恢复电压1.图2-5（a）为开断中性点直接接地发电机电路中的母线单相接地故障。

2.图2-5（b）为其等值线路图。

图中L、R分别为发电机的电感和电阻，C为发电机的对地电容。

设触头分离瞬间短路电流的非周期分量已衰减完，即不考虑短路电流的非周期分量忽略电弧压降uh，则通过断口的短路电流id和电源电压e间将有以下的关系：3. 图2-6是短路电流id和电源电压e的波形图。

t=t1时，断路器触头开始分离而形成电弧。

由于忽略电弧压降，此时断口两端的电压（也即电容C上的电压）仍然为零。

t=t2时，电流过零，电弧熄灭，此时电源电压开始通过R与L对电容C充电，电容C上的电压uc将逐渐上升。

uc也就是开关断口两端的恢复电压uhf。

4. 电容性电路：实际使R-L-C电路。

①这一电容的充电过程和图2-7（a）中交流电源e=Emsin（ωt＋Φ）在t=0时R、L、C 回路合闸的过程完全相同。

考虑到通常在电力系统的短路回路中回路电阻R很小，一般均能满足R＜2（L/C）½的条件，所以在合闸过程中将会产生高频振荡，其角频率为：这一频率一般要比工频高得多。

因此，为求过渡过程中电容电压uc，假设电源电压近似地保持不变（如在电源电压接近幅值时合闸，由于这时电源电压变化最慢，该假设更接近实际），而把图2-7（a）中的交流电源简化为直流电源。

如图2-7（b）所示。

直流电源电压E0取t=0时交流电源电压的瞬时值，即：由三要素法，可得断口上的恢复电压U hf为：6. 恢复电压的上升速度（duhf/dt）p：常用高频振荡第一个半周内的电压平均升速表示。

①不考虑振荡衰减（假设无衰减）时，其值为：式中，f0：固有振荡频率； Ugh：工频恢复电压。

②考虑衰减而恢复电压的最大值有所降低时，恢复电压的平均上升速度可近似地用下式表示：其中，Km是恢复电压的振幅系数，取1.4~1.5③图形表示：恢复电压上升速度是从原点至幅值点Ushm所作的直线，如图2-8中直线1所示，tm为峰值时间。

④恢复电压的上升速度也可用最大平均速度表示，即从原点作恢复电压曲线的切线，如图2-8中直线2所示。

按此速度上升时恢复电压达最大值的时间将提前到ts。

ts又称峰值参考时间。

⑤考虑到在短路故障时，功率因数一般很低，在许多情况下cosφ＜0.15，sinφ≈1，由式2-10可得E0=Em，即可把工频恢复电压取为电源相电压的幅值。

实际上取系统的最大工作电压为额定电压的1.15倍，可得用系统的额定电压Ue（三相线电压）表示的瞬态恢复电压最大值Ughm和恢复电压平均上升速度的计算公式：式中，Km是恢复电压的振幅系数。

二、开断电流1. 定义：指触头分离瞬间流过断路器断口的电流。

根据继电保护整定值的快慢和断路器动作快慢的不同，触头的分离可以出现在非周期分量尚未全部衰减完时，也可以出现在非周期分量已全部衰减完后（图2-9中t1或t2两个不同的分离时刻）。

2. 表示方法：①触头分离瞬间短路电流周期分量的有效值；②非周期分量的相对值。

应该看到，3. 在开断电流周期分量相等情况下，非周期分量的存在虽然有可能提高触头分离瞬间的短路电流瞬时值，但它在某种程度上却有利于电路的开断（为什么在第八章开关的试验条件中要规定开断电流的非周期分量平均值或直流分量不能大于周期分量最大值（或交流分量峰值）的20％）？原因是当短路电流中存在非周期分量时（图2-10），电弧不管是在电流的大半波过零（图2-10中t1点）时或小半波过零（图2-10中t2点）时熄灭，断口所受的工频恢复电压Ugh1和Ugh2均比电源电压的最大值小，有利于熄弧。

三、降低过电压的措施——并联电阻：1、在为限制操作过电压而并联在断路器断口上的电阻中，将几欧到几十欧的称为低值并联电阻；将几百到几千欧的并联电阻称为中值并联电阻；将几万欧及以上的并联电阻称为高值并联电阻，它通常是为断路器每根有多个断口时均压设计的。

2、在断路器断口两端并联几欧到几十欧的低值并联电阻可限制短路电流，降低工频恢复电压和振幅系数，以及减慢恢复电压上升速度着手。

3、图2-11是用有并联电阻的断路器开断发电机母线单相接地故障时的电路图。

断路器设有两个断口：主断口D1和辅助断口D2。

并联电阻Rb并联在主断口Dl上。

当断路器开断电路时，主断口先打开把并联电阻接入。

当主断口间的电弧熄灭后再打开辅助断口D2，开断流经并联电阻的电流，使电路完全开断。

4、主断口D1并联电阻后，主断口和辅助断口的开断电流和断口的电压恢复过程：图2-12（a）为主断口开断的等值电路图。

▪此时通过主断口的短路电流id和电源电压e仍可由式（2-7）及式（2-8）决定。

式中 Ugh：工频恢复电压，=EmsinΦ。