电力系统的关合讲解

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1、电力开关设备（高压电器部分） 电力系统的关合 电力开关设备（高压电器部分） 短路故障的关合 一、短路与短路形式 短路是电力系统中最常见的最严重的故障形式，它可 能由多种原因所引起。“短路”就是指电力系统中一相或 多相载流导体接地或互相短接，从而把负载阻抗短接掉。 由短路而在系统中出现的短路电流可达正常工作电流 的几十倍甚至上百倍，给电力系统带来十分严重的影响， 它将引起电气设备和载流导体的损坏、电力系统稳定性的 破坏、继电保护装置的动作及大量甩负荷，产生对通信线 路和信号系统的干扰、系统的过电压（如工频电压升高等 ），为了保证电力系统的安全，应采取限制措施和尽快切 除短路故障。 电力开关设备（

2、高压电器部分） 引起电力系统短路的原因有如下三种： （1）绝缘破坏； （2）偶然、非人能控制的事故，如小动 物灾害等； （3）人为事故。 电力开关设备（高压电器部分） 电力系统中性点接地方式 电力系统中性点接地方式有两大类: 一类是中性点直接接地或经过低阻抗接地 ，称为大接地电流系统；另一类是中性点 不接地，经过消弧线圈或高阻抗接地，称 为小接地电流系统。其中采用最广泛的是 中性点接地、中性点经过消弧线圈接地和 中性点直接接地等三种方式。 电力开关设备（高压电器部分） (一)中性点不接地系统 当中性点不接地的系统中发生一相接地时，接在相间 电压上的受电器的供电并未遭到破坏，它们可以继续运行 ，

3、但是这种电网长期在一相接地的状态下运行，也是不能 允许的，因为这时非故障相电压升高，绝缘薄弱点很可能 被击穿，而引起两相接地短路，将严重地损坏电气设备。 所以，在中性点不接地电网中，必须设专门的监察装置， 以便使运行人员及时地发现一相接地故障，从而切除电网 中的故障部分。 电力开关设备（高压电器部分） 在中性点不接地系统中，当接地的电容电流较大时，在 接地处引起的电弧就很难自行熄灭。在接地处还可能出现所 谓间隙电弧，即周期地熄灭与重燃的电弧。 由于电网是一 个具有电感和电容的振荡回路，间歇电弧将引起相对地的过 电压，其数值可达(2.53)Ux。这种过电压会传输到与接地 点有直接电连接的整个电网

4、上，更容易引起另一相对地击穿 ，而形成两相接地短路。 在电压为3-10kV的电力网中，一相接地时的电容 电流不允许大于30A，否则，电弧不能自行熄灭。在20 60kV电压级的电力网中，间歇电弧所引起的过电压，数值更 大，对于设备绝缘更为危险，而且由于电压较高，电弧更难 自行熄灭。因此，在这些电网中，规定一相接地电流不得大 于10A。 电力开关设备（高压电器部分） (二)中性点经消弧线圈接地系统 当一相接地电容电流超过了上述的允许值时,可以用 中性点经消弧线圈接地的方法来解决，该系统即称为中 性点经消弧线圈接地系统。 消弧线圈主要有带气隙的铁芯和套在铁芯上的绕组 组成，它们被放在充满变压器油的油

5、箱内。绕组的电阻 很小，电抗很大。消弧线圈的电感，可用改变接入绕组 的匝数加以调节。显然，在正常的运行状态下，由于系 统中性点的电压三相不对称电压，数值很小，所以通过 消弧线圈的电流也很小。采用过补偿方式,即使系统的电 容电流突然的减少(如某回线路切除)也不会引起谐振， 而是离谐振点更远。 电力开关设备（高压电器部分） 在中性点经消弧线圈接地的系统中，一相接地和中 性点不接地系统一样，故障相对地电压为零，非故障相 对地电压升高至 倍，三相线电压仍然保持对称和大小不 变，所以也允许暂时运行，但不得超过两小时，消弧线 圈的作用对瞬时性接地系统故障尤为重要，因为它使接 地处的电流大大减小，电弧可能自

6、动熄灭。接地电流小 ，还可减轻对附近弱点线路的影响。 在中性点经消弧线圈接地的系统中,各相对地 绝缘和中性点不接地系统一样,也必须按线电压设计。 电力开关设备（高压电器部分） （三）中性点直接接地系统 中性点的电位在电网的任何工作状态下均保持为零。 在这种系统中，当发生一相接地时，这一相直接经过接地 点和接地的中性点短路，一相接地短路电流的数值最大， 因而应立即使继电保护动作，将故障部分切除。 中性点直接接地或经过电抗器接地系统，在发生一相 接地故障时，故障的送电线被切断，因而使用户的供电中 断。运行经验表明，在1000V以上的电网中，大多数的一相 接地故障，尤其是架空送电线路的一相接地故障，

7、大都具 有瞬时的性质，在故障部分切除以后，接地处的绝缘可能 迅速恢复，而送电线可以立即恢复工作。目前在中性点直 接接地的电网内，为了提高供电可靠性，均装设自动重合 闸装置，在系统一相接地线路切除后，立即自动重合，再 试送一次，如为瞬时故障，送电即可恢复。 电力开关设备（高压电器部分） 中性点直接接地的主要优点是它在发生一相接地故 障时,非故障相地对电压不会增高, 因而各相对地绝缘即 可按相对地电压考虑。电网的电压愈高，经济效果愈大 ；而且在中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中，单 相接地电流往往比正常负荷电流小得多，因而要实现有 选择性的接地保护就比较困难，但在中性点直接接地系 统中，实现就比

8、较容易，由于接地电流较大，继电保护 一般都能迅速而准确地切除故障线路，且保护装置简单 ，工作可靠。 电力开关设备（高压电器部分） 三相电力系统中存在着中性点直接接地（或经 低阻抗接地）和不直接接地（或经高阻抗接地）两 种形式，当发生一相或多相载流导体接地或相互短 接时，就会出现多种不同的短路形式，主要有六种 不同情况。 (a)中性点接地系统的单相接地短路 (b)中性点接地系统的两相接地短路 (c)两相不接地短路 (d)中性点接地系统的三相接地短路 (e)三相不接地短路 (f)中性点不接地系统中断路器异侧两相接地短路 电力开关设备（高压电器部分） 短路可以发生在发电厂附近电网中（即发电机 近旁）

9、，也可以发生在远离发电厂的输配电电网 中。前者因发电机的影响，单相短路电流最大、 三相短路电流最小。运行部门常采取措施将单相 短路电流降低到三相短路电流的水平。后者的单 相和三相短路电流基本相等，而两相短路电流较 小。 当三相短路时，通常考虑三相阻抗相等，三 相同时发生短路，短路点也是理想的金属短接的 情况，因此三相的电压和电流是对称的（数值相 同，但相位不同），这样的短路称为对称短路； 而其它的短路方式，则各相电路中的电流、电压 和相位角都不同，统称为不对称短路方式。 电力开关设备（高压电器部分） 二、短路故障的关合（接通） 开关电器要求能关合短路的原因有： （1）系统中存在“预伏故障”，接

10、通电路时实际上关合了 短路故障。电网中在电路接通前已存在或接通瞬间发生的短路 故障称为预伏故障。这是非人能预知和控制的。 （2）自动重合闸操作的需要：短路故障大多数是临时性故 障、约占85；只有少数是永久性故障，约占5。为保证供 电可靠性和自动区分故障线路（自动重合器与分段器的配合） ，需要断路器和重合器去关合短路。我们常称这种重合闸为试 探性重合闸。 （3）人为接地短路操作 （4）误操作关合短路：这是人为因素的事故，应尽量避免 。 电力开关设备（高压电器部分） 触头在关合过程中，特别是关合短路时，可能产生触头 焊接。这种焊接过程与触头处于闭合位置通过短路电流而产 生的焊接情况是不同的。这些差

11、别表现在: (1)触头的接触面在关合前可能已被预热甚至熔化。例 如触头在关合过程中，当动、静触头间的距离很近时，触头 间可能由于预击穿而出现电弧。电弧将使触头表面发热、熔 化。又如在快速重合过程中，断路器在开断短路故障后很快 又重新关合。这样，触头在关合前已被电弧灼热、熔化。由 于这一情况，触头在重合过程中的关合更容易导致触头熔焊 。 (2)在关合过程触头刚刚接触时，压紧触头的力量是触 头的初压力。初压力较终压力低，这也容易导致触头熔焊。 (3)在关合过程中，触头可能发生振动。 电力开关设备（高压电器部分） 三、单相短路电流波形 电力开关设备（高压电器部分） 电力开关设备（高压电器部分） 电力

12、开关设备（高压电器部分） 电力开关设备（高压电器部分） 电力开关设备（高压电器部分） 四、三相短路时的电流波形 电力开关设备（高压电器部分） 电容电路的关合与涌流 一、电容电路接通时的电压变化 电力开关设备（高压电器部分） 电力开关设备（高压电器部分） 电力系统运行时主要在以下两种情况时需要关合空载 输电线路 正常操作的需要，如输电线路检修后投人运行； 线路短路故障切除后的自动重合。 空载输电线路是一个对地分布电容，可看成是一个电 容性负载。空载长线可用一个链形网络来等效。在通 常情况下，即空线上没有残余电荷和初始电压（如接 有电磁式电压互感器，可释放电荷），在关合此空线 时，由于电压波在线路

13、上行进到开路末端反射，在线 路上最多产生2倍电源电压幅值（三相时指相电压）。 二、空载长线接通时的过电压 电力开关设备（高压电器部分） 关合空载线路时，过电压与合闸瞬间的电源电压（合闸相位 角)和线路的残余电压有关。 产生过电压的根本原因是L与C1的振荡造成的。 当空载输电线路上没有初始电压关合时，过电压可达2倍； 如空载长线上有初始电压，其极性在合闸时又与电源电压极 性相反，则关合时就可能在空载输电线路上出现23倍的过 电压。 空载输电线路上具有初始电压的关合情况，通常是在自动重 合闸关合时出现。当空载输电线接在电源上时，其上即为电 源电压，当某种原因断路器跳闸分断时，在电流零点熄弧， 此时

14、电容上的电压为电源电压幅值，如果电荷无法泄漏或释 放很慢，则电压就维持在最大值或某一值；若断路器立即自 动重合闸，则就是关合具有初始电压的电容负载；在最严重 的条件下，此时就会产生最大可达3倍的过电压。 电力开关设备（高压电器部分） 对电压等级220kV及以下的电网，其绝缘水平能够承受3倍 以下的过电压。但对330kV及以上的电网，其绝缘水平均较低， 在选择和确定绝缘时允许的过电压倍数，330kV电网取2.75， 500kV电网取2.5。显然在最不利条件下关合空载输电线路时可 能产生的过电压倍数已超过其绝缘水平，从而会危及系统绝缘 安全，必须采取降低过电压的措施。 现已采用的降低过电压的措施有

15、： （1）断路器加装合闸用并联电阻； （2）选相合闸：在关合空载长线时，使断路器在电源电压与 初始电压同极性时关合。 目前正在500kV 系统中试运行的选相合闸断路器，其关合 精度为1ms。 电力开关设备（高压电器部分） 三、并联电容器组运行中的涌流 目前电网中已广泛采用并联电容器组来调节电网 电压，改善功率因数，降低线损，以提高供电质量 和减少运行费用。由于电网调节的需要，投切电容 器组的操作相对来说是比较频繁的。除了对投切电 容器组时的操作过电压需进行研究外，还必须研究 电容器组运行过程中的涌流问题。 涌流(surge current)是一个幅值比电容器正常 工作电流大几倍至几十倍，持续时

16、间很短的高频衰 减电流。过大的涌流会造成系统中其它电器设备的 损坏，因此对可能出现过大涌流的场合，必须采取 一定的措施，使涌流的大小限制在允许的范围以内 。 电力开关设备（高压电器部分） 电容器组接入电网时，通常需要断路器来进行投切的操作 。为了保护电容器免于内部故障时发生爆炸，电容器保护方 式中以单台熔断器保护（即用一个熔断器单独保护一台电容 器）为最简单，也比较可靠。因此一般电容器组的接线原理 是：每一台电容器C（也称电容器单元）与一个保护用熔断器 RD串联，然后多台并联后用一断路器DL接入电网。对于三相 系统则每相电容器并联后以星形或三角形连接的方式接入电 网。 对于用作投切电容器组的断路器，除了考虑到开断电容电 流的性能外，还要考虑合闸操作时合闸涌流的影响以及是否 会因合闸涌流而引起开断性能的变坏等。 合闸涌流在系统中是一种暂态过电流，在它作用下保护用 熔断器不能熔断，否则就是误动作，因此熔断器还必需具有 一定的抗涌流能力。 电力开关设备（高压电器部分） 电力开关设备（高压电器部分） 电力开关设备（高压电器部分） 电力