高压断路器的特殊运行状态分析

高压断路器在开断短路电流时，触头间的电源电压恢复过程，往往由于振荡恢复电压的出现，不仅延长了开断电路的时间，甚至在特殊运行状态下，可能发生不能切断电弧或在系统中引起危险的过电压。这将威胁着设备的绝缘，并影响系统运行的稳定性，对此，必须予以重视，同时采取相应对策。

1、高压断路器切断小电感电流的工作状态

当高压断路器切断空载变压器、励磁电流、并联电抗器以及空载高压电动机等电路时，开断的都是几安到几十安的小电流，远比短路电流小。但是，由于断路性能不同，可能会引起高频振荡或危险的过电压。

油断路器借助电弧能量使灭弧介质(油)汽化，产生气压来进行灭弧，当开断小电感电流时，往往产生的气压不足以灭弧，出现电弧燃烧不稳定，从而产生高频振荡。高压空气断路器和六氟化硫断路器等，由于依靠外界能量灭弧，而且灭弧能力很强，当切断小电感电流时，往往在电弧电流到达零点前，就被强行开断，发生电流截断现象(简称截流)，以致引起过电压。

以断路器开断空载变压器为例，等值电路图见图1所示。

图1开断空载变压器等值电路

图中L为变压器励磁电抗，C为变压器对地电容。当断路器开断电路时，如果发生截流，截流后电弧熄灭，变压器侧在电感L和电容C之间将发生磁场能量转变为电场能量的过程，设截流电流为I₀，电容上电压为U_c，则

1/2LI²₀=1/2CU²_c

即电容上最大电压值为；

式中Z₀--变压器波阻抗

可见，加在空载变压器上的电压(也就是U_c)与截断电流及变压器阻抗有关。一般变压器的L较大而C较小，波阻抗可达几万欧以上，如果截断电流发生在小电感电流的峰值时，在变压器上可能出现较高的过电压。在运行中曾发生过高达五倍额定电压的过电压，这将对设备绝缘造成威胁。

变压器上产生的过电压，同时也加在断路器的触头上，有可能会使弧隙击穿。

断路器开断空载变压器发生过电压的主要原因，是由于断路器对小电感电流的截流而引起，其严重程度随断路器型式与特性而异。油断路器一般不会发生截流，但往往因开断小电感电流时灭弧能力弱而导致熄弧困难。为此少油断路器中大多加装压油活塞装置，为断口刚分离时提供附加油流，使电弧尽快熄灭。而空气断路器由于灭弧能力强，截断电流可达几十安，产生危险的过电压，通常在断路器断口间并联一个非线性电阻或并联一个由电容和电阻串联的分支。至于六氟化硫断路器和真空断路器，则因使用的灭弧介质特性较好，截流只有几安，不会引起过电压。

2、高压断路器开断电容电流的工作状态

在电力系统中，断路器也应可靠地开断电容性电路，如开断空载远距离输电线路或开断电容器组等。其开断电流一般也不大，但与开断小电感电流不同。特别是开断110kV及以上的空载长线路，所产生的过电压直接威胁着电网的安全。

开断远距离输电线路等值电路图见图2。

图2开断远距离输电线路的等值电路

图中L、C分别为线路的等效电感和电容，由于空载运行，通常ωL<<1/ωC

在断路器开断电路时，电容电流超前电压90°，当电弧电流过零时电弧熄灭，电容两端电压为最大值，若电源电压为u＝U_mcosωt，则u_cm=U_m。断路器断口间的恢复电压为：

u_ht=U_mcosωt-U_m

显然，断路器若能顺利开断，恢复电压最大值只是2U_m，若不能顺利开断，发生重燃，且弧隙击穿发生在电流过零后的0.01s，此时电源电压为U_m，相当于电源电压为U_m的直流电源经L后，突然加在已充有电压-U_m的电容上，电路中将出现高频振荡，振幅为2Um。重燃后，经半个周期，振荡电压达到3U_m，电容上将出现三倍过电压，若电弧在高频电流过零时熄灭，恢复电压最大值时击穿，则电容上将出现五倍过电压。依此类推，过电压在最不利条件下将按3、5、7、9倍增长，从而威胁着电网的安全。

运行实践表明：断路器开断电容电路时，过电压并非如此严重。因为弧隙击穿不一定都发生在电流过零后半个周期内，而是具有分散性，电弧也不是都发生在电流第一次过零时。所以实际产生的过电压数值要小得多。

为此，我国规定110～330kV线路最大允许过电压倍数和开断长线路允许电流的参考值，见表1。

表1允许电流参考值

为防止过电压，最好选用高性能的高压空气断路器和真空断路器等。110kV及以上的高压断路器一般都在主断口的两端加设并联电阻和辅助断口。此外，电网中的避雷器和并联电抗器也有限制过电压的作用。

3、高压断路器切断近距离故障的工作状态

近距离故障是指在大容量系统中，距离断路器出线端数百米至数km的线路上发生短路故障，并称为近区故障。

高压断路器开断近距离故障等值电路图见图3。

图3

图中L₁、C₁为断路器电源侧电路的等值电感和对地电容，L₂、C₂为线路侧等值电感和对地电容。断开前瞬间，断口两端对地电压都是U₀。断开后，断路器两侧为两个独立电路，将按各自规律变化，U_A和U_B不再相等，断口上的恢复电压为U_ht=U_AB=U_A-U_B左侧，电源对初始电压为U₀的电容C₁进行高频充放电，最后过渡到电源电压，其U_A的变化为：

U_A=U_m-(U_m-U₀)cosω₁t

式中

右侧，开断前，C₂已充有U₀的电压，断开后，B点出现高频振荡电压，振荡角频率为：

由于距离不大，假定L₂C₂<1C₁则ω₂>>ω₁，f₂>>f₁。在几km范围内，f₂可达上万赫。B点的电压呈锯齿状衰减，最终为零。断口的恢复电压平均上升率主要决定于f₂。据国外试验所知：在大容量母线上发生短路时，恢复电压上升率为(0.2～0.3)kV/μs，而在近距离故障时可5kV/μs。对近距离故障的开断，主要受恢复电压第一波峰的影响，而达到的时间很短，断口的介质强度仍未恢复，将会造成开断困难。实际工作中，多在断口处并联电阻，以抑制系统恢复电压，相对提高介质恢复速度，以满足开断近距离故障的要求。

根据分析和试验，对空气断路器当短路点发生在距离0.8～8km，短路电流I_d=(0.66～0.75)I_ekd(额定开断电流)时，工作状态最为严重。对六氟化硫断路器，约在I_d=(0.9～0.95) I_ekd左右最为困难。

断路器开断近距离故障的工作状态，以35～110kV中等电压等级电力系统最为严重。因为在超高压系统中，短路电流小，波阻抗也小，且断路器每台的串联断口增多，因此，每个断口上恢复电压第一峰值和上升速度都不高。而35kV以下配电线路上多接有负荷，对振荡能起阻尼作用。所以在超高压系统和35kV以下系统中，断路器切断近距离故障相对容易些。

4、结束语

在电力系统中，高压断路器的选择必须进行综合分析，既要按照额定电流和额定开断电流选择，又必须根据电力系统可能出现的种种特殊运行状态进行合理分析，或选择更高性能的断路器，或采取积极措施，改善高压断路器的工作条件，以保证设备和系统运行的安全。