关于近区故障的计算方法

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1、关于“近区故障”的计算方法电力布武汉高压 所甘荣江丙容提熟分别用集中参数法及分布参毅法对近区故降的恢复电压初始速度、据齿波电压峰值等作了计算,分析了它们 与故降线路短路容黄、短路距离、电源电压、波 胆抗 等网路参数的 关 系,并将计算结 果与 住?标准作了比较。这些方法是在参考文献?的基础 上进行的。一、用集中参数法分析近区故障的计算在断路器的工作条件中,开断 电流值是个重要因素,电流愈大,表明断路器需要开断的容量也愈大。在电源侧参数固定的情况下,断路器端子上发生短路时的短路电流最大。如图所示,”发生? ? !路啼路电流哈阶段,上升的陡度不过是数百伏?幅?微秋 但当反发生短路时,恢复电压上升的

2、最初陡度可高达?倍上下,例如,达到?千伏、幅? ?微秒,或更高。当发生凡短路而开断电流过零时,电压亡?正处于其波幅值,它按照?与?之比沿线分布,逐渐下降至零。见下图?下?场王当发生心短路时,短路电流 总有?一些下降,变亡?一,? 刀下丈一了二下?为等但的 甩冻侧四阻。?、几?了? ?,?,卜缸喇啼龙?,”一凡卜图?但 自从? ?年代以来,短路电流从? ?千安级逐步上升。现场运行经验表明,对某些类型的断路器而言,丸处发生的短路曾导致断路器不 能顺利开断,甚至爆炸,虽然丸处的短路电流数值比?处的短路电流值要低? ?一? ?。经研究表明,这是因为在“一段短线”上的剩余电荷的波动导致断路器灭弧后的恢复

3、电压上升陡度变得更加严峻,使断路器难于顺利开断。例如,空气断路器在开断电流过零后的最初几个微秒内,其介电强度正在缓慢地上升。如果短路发生在?处,在恢复电压上升的最初图?当断路器?中电流过零暂时开断后,以? ? 。?为幅值的电荷残存在短线上,它以行波的规律在这段短线上来回振荡,这导致在端子玩上产 生如图?所示的 电位变化,并逐步因线路上的损耗而降至零。? ? ? ?入? ? ? 木木才才其中?一咎?是电磁波的传播速度为。?公里?微秒。?是短线长度,公里。、断路器电源侧端子? ?处的电压将以电源侧 的参数进行自振,从一? ?逐步上升至旧?值,如下图?今雌?图?将图?和图?合在一起,得断路器端子?

4、?和氏上的电压差即为断路器的恢复电压波形。请注意,一般对? ?千伏及以上电压等级的系统而言,开断电流值达数十千安,它对应的的? ?值在数百周?秒附近而图四中残余电荷?扬?在短线上往返振荡的频率可达数十千周?秒因 此在把图?和图?叠加在一起的时候,要注意时间上的刻度,由此可得图?,其中恢复电压波形的最初阶段出现了锯齿状波,这一点,已被众 多的实际试验所证明。上升陡度大为增加。断路器中灭弧室内的介 电一强度可能没有它上升得快,因而导致第二次击穿而不能顺利开抓, 尸,、国际电工委员会的专业标准指出,在推导典型计算公式时,以“中性点有效接地甲系统 ?中的单相接地的“近区故障”为标准,它认 、为,这种典

5、型情况导致的苛刻度足 以概括其他情况。用分布性参数来处理短线上的行波过程并求解,这可以获得各种参数的计算公式?文? ?,但这不那么直泌世界各国都用集中参数来处理这条短线,在分析时,对其物理概念较易掌握,? ?的标准中也是这样处理的,有足够的准确性,其法如下述。由图?可得简化的单相等值电路如下图反喇 娜联劝?图?其 中?短线长为?公垦?。为电源侧等值单相电抗,欧?为短线波阻抗,欧?其数值见表二?为短线末端发生接地时的短路电流,安 ?有效?一?,? ?一?,、,?二?、一?一?一 ?书下天?有双沮少,?刀砚正找吧生们溉沮。?电压? ? 趋使电流九通过短线,它在?和?上引起的电压分量各为?一 一朴?

6、 ?亡玄霖乙】鸟】图?在图?中,?是弧道 电压,?是开断电流,?提残压 电荷在短线上产生的振荡电压的初始 幅值,恢复电压的波形由虚线 部 份变 为实 线部 份。显然,由于最初的锯齿波形的影响,它的饥?一?众?扩瓮? ? ?当电流? ?被切断时,短线侧始端的电压幅值为?。则? ?二、?酉旧?伏?幅?二? 将电流过零区域?图? ? ?丙?放大,可得下图?甲有效?,则?“、八户、 势势介魏八八,?谙亡? ? ?玩 笼。?二 , ?由此可得? ?了苍山?声?。?幅值? ?如号一叮瓦?。? 二二二?一代丁? ?因其中今一价砚上式粉。表示锯齿波的最大幅值? ?在电源侧相电压了酉?中所占的比例。这个比值只与

7、开断电流的降低数有关。由此可得下表?表? ? ? ? ? ? ?。甲甲酉?, ,? ? ?, ,? ? ?。? ? ?。? ? ? ? ? ? ? ? ?。? ? ?。? ? ? ? ?。? ? ?,? ? ?。? ? ?图?图?中有一些具体数字,这是针对儿?专业标准中的算例的数字,列此可作参考。对此图尚需作下列补充解说。其一,电压波形因剩佘电荷在短线上往返振荡形成锯齿状波,起始幅值为?。?其二,在断路器电源侧端子?上的起始电压也将是?。,并沿电源侧的 自振频率 规律经?、厂万?再升至极大值? ?,电源侧的振幅?。?,?一?一一?表?甲石二一观四解称仕卜回。系数鳅表一所示的数值推算,即瓮一?

8、?二?。断路器上的端电压按上述两个电压的差值上升,如图?甲?所示。在开断电流过零瞬间?。一斌万?设没有短线时的短路 电流为?有效? ,?则在图?中,锯齿波的起始部份波形受断路器端子上的附属电容的影响而有所变缓,这个电容不可避免地来 自电流互感器和电压互感器的电容,或导管电容等。它使锯齿波的初始部份也有一个时延?不是指图?丙?中的? ?,但? ? ?年的标准认为?“目前 尚无充分资料足以制定标准”。图?甲?中的暂态波形即是断路器 断口上的恢复电压波形,它最后将上升至沿工频幅值认万?和振幅系数? ?所决定的数值。即图中中的顶点?。在线路侧的剩余电荷形成的振荡中,在它的第一个振荡中所达到的最高值为?

9、亡二?。?幅值? ?。?一?二? ?又设具有一条短线时 的 短路电流为?必?其中?指线路侧的振幅系数,见附表?。在开断电流过零后,锯齿波的上升 陡度 ?一 可按下法求出。短路电流为?,其幅值为?万几安,它在短 线上的压降为犷酉? ?,这一电压的上升陡度 为?请注意,这是指图?乙?中?。?这一段的变化率?。一?犷厄?一百二?二?了一?一?刃?乏卫互二丛二竺一? ? !? 其中今为短线上每公里的等值电抗,即达最高值? 亡的时间为? ?一半微秒?一注口?再求断路器电源侧端子?上的电压变化。电源侧的电压按下述规律上升? ?标准中以四参数法为例?今一、“?一蹦龄?。一?“? 饰? ?下山此可得?二一夕厄

10、? ?下龚不二?丫?七?一?漂一叮“,一? ? ”其中?了目酉?。?短线侧锯齿波的上升率系数。式中?位?欧?为短线波阻仇卜漂,单图?振荡时达到的最高值为?。设振幅系数为?这是本文表一的基本数据?工频幅值为?”、厂牙?,起始振荡的初始电压为? ?是短线上每公里的等值集 中电感,亨?公里?是短线上每公里的等值集中电容,法?公里?冠?。对? ? 周 ?秒而言,。二? ?。当波阻不同时,与之对应的?值如表?,当代入相应的单位值时,表 中的?的单位 是千伏电值?微秒千安?有 。二此时瓦的单位为千安、有,二表?。一、二?卜李?一?二?一今则?。二?。?。一?。?。?。?毕). 1即会一 l +。4令据此求

11、得的价与枷。关系值记入前面的表l中。波波阻抗(欧) ) )s千一伏( 幅)/微秒千安有蜘蜘4 4 430 0 00.21 4 4 43 3 375 5 50.16 6 6 6l l l l l l l3 3 330 0 00.146 6 6在极端情况下,没有短线,即U。_。_一.田此,飞了-一1.4=入。头 吓 上,Um丁二上,电源 侧的电压在一开始时有一个时延td。I EC所建议的td值见本文表一。图7(丙)中,在t L之后,电压波上的锯由此可得图7(丙)中电压在第一个齿到诊)注;这是IEC的计算方法。从(1 0)(11)式可知,按其定义, SI L仅指U。一,O的变化率。齿振荡将逐渐消失,

12、扭C对其俏失的规律暂不作规定。障波形的计算解释如下:算例 这时候,可求得与之对应的短线长度为z=只升公里气(14)二,电压等级 弃断电流245手伏.,线电压 3 1.5千安.,;f二5 0憾其中,。=0. 3公里/ 微秒, t L以徽秒讯对近区故障而言,最童要的一段 时间是图 7中。tL这一段,在, L的瞬 间,线路侧的锯齿振荡已如前述,但电源侧的电压到此已有一个增值U六见前图7 (丙)。这一增值是在t L一td的时间内的增值,其数值可考虑为自U。出发经过td之后再按直线关系上升的斜线而不顾其曲线形态,此误差甚小,据任C推荐的计算法认为,其弯曲度可略而不计。此时的上升率可按附录表1中所给出的相

13、应t,值求得,下面有算例加以说明。在计算标准的典型“近区故障”波时尚必须确定最严重的短线长度。文3中所阐述的观点为IEC所采用,并详述于文2中。文3认为,决定断路器开断条件的储因素中不能单用一个“,!一。一, _,_dUO“电压上升陡度”来表征(指初始陡度告拼)。一“一一 .、 Jp火再“火浅dt声“如前所述,开断电流,恢复电压的初始上升陡度,和初始上升到达的高度都起着作用,即本文中的允擎和玩.因此立3律。以 二奢的乖 “J ,dt,” U,目人.理认认一们,切不积来表致断路器开断条件的苛刻度f 。一、,二_._3流_一,匹么醒阵电砚联:刁J l。勺不几口月石。州 r文有位 、性;、工频电压幅

14、值245侧万.寸酉,君 0 0千伏(幅,=创,泛.Up;由表,可知,当今一。 毗汽一。2 5则Uo= 0.25欠2 0 0=5 0千伏一,。根据附表2,振幅系数、线路侧)取为K二l。7则锯齿波的最高值为1.7x50二8 5千伏一)。单导线的波阻抗z = 48 0欧。、据此S=0.加4千伏。/微秒千安有。,;则t L二850。214X23.6二 1 68微秒相应的短线长为l=o.3x=2.52根据本末附表I (表I V。 ),l合、.52公里。t一=3 0 0t Z9 0 0t d=6微秒微秒微秒 f一,L.Zu令(15)则电源侧电压上升的速度舟等产-它们分别为I L 的函数,经过微分处理可得,

15、当,L二粤:时的;值为极大,即取某一短线长 一 一3、一J”碑一z一尹 、” 一,使、降为争,此时式(15 )中求得的苛刻系数为几。卜. 这只是考虑线路侧;(组钧的牌况如果 把电源侧的因素考虑在内,.二将发生在几二=。、5千伏忆 /微秒在t l瞬间,电源侧电压已上升了 (tL一t心 05=(16.8一 6)xo5“ 5 4千伏(临则断路器端子上在第一个锯齿之顶点时的电压差为5一4+8 59 0.4千伏肋电源侧的恢复 电压最高可达 u一u.(1 +。夸一。( 1 +。xo:5,3,一二L一一益.、,。 飞,剑月g力。达一犯息刀通乙册术用。兮二l.3U二= =2 6 0午伏一,如果按 I FC算例及文2、3的建议,用集中今将 I FC一7 1年规定中关于典型的近区故参数求Fa x,按照( 1 5 )式 计算所得结果如下表3:I= 31.5千安有,U .=200千伏卿裹3Z=480欧 S=0.214;K=l。7F . u一,L.;. 7 u。.擎 d t I I IL L L红红Uo o o1.71Jo o ot