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电器测试与故障诊断技术 课件 教学 作者 金立军 第05章

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电器测试与故障诊断技术
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第五章 高压电器的性能试验 第一节 关合、开断和短时电流性能试验 第二节 试验方法 第三节 负荷开关-熔断器组合电器试验 关合、开断和短路电流性能试验的意义 ① 断路器应及时开断短路电流,并具有关合短路的能力 。 ② 在故障发生时,输电、配电设备要能耐受短时电流, 承受短时峰值电流产生的电动力和短时短路电流产生 的热效应,即具有足够的动、热稳定性。 产品和试验 在高压和超高压开关设备中,SF6开关占主导地位。 SF6开关设备有三种基本类型 ① 敞开式,又称绝缘子支柱式SF6断路器 ② 金属罐式,又称落地罐式SF6断路器 ③ 全封闭组合电器(断路器、隔离开关、接地开关、电 流及电压互感器、避雷器及母线等) 短时电流试验 ① 高压设备及配电开关热稳定试验:热稳定电流有效 值达50~63kA,动稳定电流峰值为125~157kA ② 大型发电机保护断路器、隔离开关,热稳电流有效 值160kA,峰值400kA ③ 变压器:500kV,360MV·A,或单相250MV·A的电 力变压器,试验电流单相达4000~6000MV·A 标准和试验依据 ① 高压电器产品的性能是由标准规定的项目项目来检 验的 ② 国际电工委员会(IEC,International Electrotechnical Commission)制定标准 ③ 我国依据IEC制定适合国情的标准GB ④ 国际标准中的一些问题常在国际大电网会议( CIGRE)中研讨,并向IEC提供研究成果,以便改进、 更新IEC标准 5.1 关合、开断和短时电流性能试验 5.1.1基本要求 ㈠ 额定特性量(对所有开关) ① 额定短路开断电流 ② 额定出线端子的瞬态恢复电压 ③ 额定短路关合电流 ④ 额定操作顺序 ㈡ 在下列情况下,要求给出的额定特性量 ① 额定近区故障特性 ② 额定线路充电开断电流 ㈢ 根据要求提供 ① 额定失步开断电流 ② 额定电缆充电开断电流 ③ 额定电容器开断电流 ④ 额定小电感开断电流 5.1.2开断能力试验 ㈠ 额定开断电流 ⒈ IEC标准规定5种短路试验方式 方式1:10% 方式2:30% 方式3:60% 方式4:100% 方式5: 直流分量均小于 20%,对称开断 非对称开断 (直流分量大) ⒉ 对称开断方式 ⒊ 非对称开断 τ=30~40ms时,直流分量约为50%-40% ⒋ 试验电流的允许偏差 方式1、方式2: 方式3: 方式4、方式5: ① 交流分量的有效值与平均值之差应不大于平均值 的10% ② 直流分量百分数指任何一相中最大直流分量的百 分数 通过试品的短路电流峰值应不超过 断路器额定短路关合电流的110%, 不得小于90% 对于三相短路开断试验,开路电流的两个表征值 规定为: ㈡ 出线端子故障的瞬态恢复电压 ⒈ 定义:指断路器切除其出线端子三相接地 短路故障和额定短路开断电流时的瞬态恢复 电压(TRV) ⒉ 瞬态恢复电压的波形 由于电网中有(R、L、C) 的不同,故其波 形也不同,限定波形有以下两种方法: ① 四参数法: 在100kV以上的电力系统中,典型的瞬态恢复电压包括了两个 频率的自由衰减振荡,一是上升很陡的起始周期,一是一个频率 较低的振荡,可由四个参数表示: OB:从原点向第一峰的切线; AC:与时间轴平行,与波峰相切的直线; BA:与波形相切且斜线两侧面积相等。 (三条切线、两个面积等) 四参数: :为第一参考电压(kV); :为到达U1的时间(μs); :为第二参考电压(kV),TRV 峰值; :到达Uc的时间(μs)。 ② 两参数法 在100kV以下的系统,瞬态恢复电压近于单频振荡衰减波形,可由两 参数决定: OA:从O点作波形切线, AC:平行于t轴,且与峰值相切。 两参数: :参考电压(TRV)(kV) :到达 的时间(μs) ⒊ 补充参数: TRV时延 瞬态恢复电压最初几个微秒的上升率对 电弧熄灭有重要影响,故引入以下几个参数: —时延(μs)≈ z —电源侧有波阻抗 n —线路系数 U′—参考电压(kV) t′ —到达U′的时间(μs) ⒋ ITRV 开断短路电流时,母线上电压行波反射在瞬态恢 复电压起始上升的基短时间 内,出现一幅值为 的第一波峰较低,但频率很高的起始上升率Ui/ti 很陡的瞬态分量。 用两参数表示: —参考电压,即 ITRV峰值(kV) —到达 的时间 (μs) ITRV的起始斜率 TRV的起始斜率试验-TRV 系统应用-TRV ⒌ 预期瞬态恢复电压标准值 ⑴ TRV峰值UC,对于两参数法,TRV峰值为 四参数法, 断路器额定电压有效值 首开相系数 振幅系数 在3.6~72.5kV,对于中性点绝缘:K=1.5 在100~170KV,对于中性点绝缘:K=1.5 对于中性点接地:K=1.3 在245~525kV,对于中性点接地:K=1.3 第一参考电压 ⑵ 开断电流和瞬态恢复电压 P112 各种试验方式下的瞬态恢复电压数值参见表5-1 ⑶ 开断电流和时延 见表5-2 P113 ⑷ ITRV的参数: —ITRV峰值(kV) 标准规定求法 —IEC-56规定在0.4~1.0μs —母线连同与其连接的元件的波阻抗,粗略为260Ω —确定 随短路开断电流 有效值而变化的因子(kV/ kA),IEC规定为:0.046~0.116 = ×开断电流有效值(kA) ㈢工频恢复电压 规定值应为额定电压的100%。(可用强迫 励磁以补偿工频恢复电压的降低) 对三相断路器进行三相试验工频恢复 电压的平均值= 三相断路器单相开断, 中性点绝缘: 中性点接地: 试验回路的工频恢复电压应不小于规定值的 95%,并应至少保持0.1S。 ㈣ 操作顺序 ① 不用作快速重合闸的断路器,其额定操作 顺序为 或 选用其中一种。 ② 用作快速重合闸的断路器,其额定操作顺序为 O—180 s—CO—180s—CO; CO-15 s-CO O—0.3s(无电流时间)—CO—180s—CO; O表示开断动作,CO表示合闸动作之后立即进 行开断动作。 对前述方式1、2、3、5均用O动作,合闸动作 由试验回路中其他开关装置完成。 5.1.3关合能力试验 ㈠ 关合能力 断路器应具有承受电动力和热作用的 关合能力。关合时,由于预击穿电弧 和短路电流的作用,可能发生:触头 发热、损伤、熔焊、触头弹跳等问题 ,故关合能力非常重要。 ㈡ 关合能力试验的要求 IEC-56中规定: ① 额定关合短路(峰值)电流=2.5额定短路 开断电流交流分量有效值(电流) ② 断路器额定电压 110%× ≥外施电压≥断路器额定电压× (电压) ③ 额定短路关合电流 100%≤试验回路的最大预期峰值电流≤额定 短路关合电流110%(电流) ㈠ 近区故障: 故障发生在距断路器线路侧不远的地方(零点几致几公里),出现 极为严酷的开断条件,称为近区故障(SLF)。 5.1.4近区故障试验 在断路器出线端发生故障时,由于Z小,故要 求切断的短路电流最大; 在距断路器很远处(10公里以外)发生故障 时,由于Z很大,故要求切断的短路电流最小, 行波时间 会增大, 会下降; 故障发生在近区(零点几到几公里) 端子故障近区故障远处故障 ㈡ 近区故障试验要求 额定电压52kV及以上、额定短路开断电流大 于12.5kA 断路器开断近区故障的苛刻程度与: 当 =0.9 及0.75 ,开断甚为困难 瞬态电压初始上升率 瞬态电压幅值 故障电流 三者的乘积有关 5.1.5失步开断和开断试验 ㈠ 失步开断 定义:当电力系统发生短路故障或其他负荷突 变时,可能一部分发电机过负荷,另一部分发 电机欠负荷,使电力系统失去稳定,发电机转 入异步运行,此时断路器需开断此故障。最严 重的失步故障是两个电力系统 。 电压相位反相 ㈡ 试验要求 1.试验电压及恢复电压 对单相试验,外施电压如下: 用于中性点接地系统为: 用于中性点非接地系统为: ⒉ 失步开断试验电流 额定失步开断电流为额定短路电流的25% ,且不考虑同时可能发生的短路故障。 5.1.6其他故障的开断试验 ㈠ 异相接地故障开断:在断路器联结中性点 绝缘的两个系统,产生单相接地故障时, 相电压上升到 线电压,再发生一相接地时, 则为异相开断。 ㈡ 并联开断( 、 同时开断,设 =0.8 , =0.2 ,则 有可能开断, 0.2 时突变到 ) ㈢ 发展性故障开断: 指断路器在某一类型开断的燃弧过程中 发展到另一种类型的开断,使燃弧过程延续 发展。 5.1.7小电流开断和关合试验 ㈠ 开断和关合小电流的特点 ⒈ 容性小电流:指空载架空线、空载电缆及 电容器组的充电电流 ⒉ 感性小电流:指空载变压器的励磁电流、 带有电抗器负载的变压器的充电电流、并联 电抗器的滞后电流以及空载电动机的电流。 ⒊ 特点:电流不大,但操作过电压可能达 到很高值。 —电流侧电容 若一次不断,则 ㈡ 容性电流试验要求 —电源G的内电抗 —断路器QF的开断 侧电容(代表架 空线、电缆等分 布电容) 重复 击穿而使电压增高 ㈢ 电感性试验要求 当开断的电感性电流较小且断路器灭弧 能力较强时,电弧电流在零值之前被强迫截 断,引起过电压。 5.1.8短时耐受电流性能试验 电力系统发生短路时,靠近故障点的断 路器首先动作,但在故障持续时间内,短路 回路中的其他电器,如断路器、隔离开关、 变压器、母线等将通过短路电流并应承受相 应的电动力、热效应。 ㈠ 断路器 取额定短路开断电流的交流分量; 试验时额定短时电流峰值应不小于断路器 的额定关合电流。 ㈡ 隔离开关 短路关合、热稳定(动稳定) ㈢ 变压器 突发短路试验的动稳定电流峰值不偏离规定 值的5%,有效值不偏离规定值的10%。 式中: —系统额定电压 —电源内阻抗 —变压器短路阻抗 ㈣ 封闭母线及开关电器等大电流设备 超高压及特高压隔离开关动、热稳定性试 验,要求很大的场地和空间。而试验分裂导 线的动稳定性要求场地更大。 供变压器突发短路试验及其他带线圈设备 的短时电流试验,要求视在容量很大的电源。 发电机、断路器、隔离开关及母线等大电 流设备的短时电流试验,要求数值很大的试 验电流。 断流容量 短路试验容量 试验方法发展及背景 合成回路试验 发电机试验 直接电网试验 1.按试品的情况分类 ⑴完整的三相试验。 ⑵完整的单相或称单极试验。 ⑶单极的一部分试验。 ⑷单元试验。 ⑸按开断单元的组成部分分别试验(灭弧室 、辅助灭弧室等)。 5.2 试验方法 ㈠ 背景 ㈡ 试验方法分类 2.按试验电路分类 直接试验 合成试验 3.按试验程序分类 一步法:TRV一次模拟一次实测 多步法:TRV多次模拟多次施加分段考核 二.合成试验方法 1.基本思路 定义:一种短路试验方法,其中大部分电流或 全部电流取自一个电源(工频电流回路),而 大部分或全部瞬态恢复电压取自另一个(或更 多)的独立电源(电压回路)。 可行性:断路器开断故障时,存在着两个不 同的阶段;燃弧——电流大、电压低;电压 恢复——电压很高、电流几乎为零。 为此需两个电源:一个提供电流,一个提供 电压。 关键:电弧熄灭时刻电流到电压的过渡。 2.断路开断过程 及其特点 ⑴ 燃弧阶段: 从触头分离到 主电流消失瞬 间。 电弧中的电流 电弧电压 弧后电流 TRV 电流零点阶段 电弧电压显著变化阶段 弧后电流阶段 燃弧阶段介电负荷阶段 ⑵ 电弧电压显著变化阶段: 每个燃弧半波,电弧电压在电流过零前呈现 显著的熄弧尖峰,随后电压与电流一起降为 零,改变极性后,产生瞬态恢复电压。 ⑶ 电流过零弧后阶段: 由于瞬态恢复电压和弧隙剩余电导的缘故, 会产生弧后电流。 ⑷ 介电负荷阶段: 弧隙电流消失后,断路器的触头间进入介质 恢复状态并承受恢复电压。(此时发生击穿 称为电击穿) 3.合成回路 ⑴ 合成试验至少有两个基本回路组成:工频 电流回路和电压回路 延弧 近区故障人工回路 接入高压控制回路 ⑵ 电压回路 关合 合 开 开断电流 合,通电压回路 合, 回路短接, 断电流回路 在 合时刻( 时刻), 通 , 试品中通 ,故 在 时刻过零,先灭弧,使 与电 流源断开, 电流在 时刻过零,转入电压回 路。 、 、 ① ② ③ ④ ⑤ 辅助 试品 5.3 负荷开关—熔断器组合电器试验 5.3.1 关合和开断试验 1.试验方式1 试验方式1是为了验证负荷开关能够关合和承受限流熔断器的截止电流而无损伤 ,且在I1电流(组合电器的额定短路电流值)下熔断器能正常开断,开断后熔断器撞 击器能使负荷开关正常分闸。 1.2. 试验方式2 2. 试验方式2的目的在于近似于对负荷开关产生最大I2t 的预期电流(相当于熔断 器的最大电弧能量I2电流试验)来验证组合电器的性能。 3. 试验方式3 试验方式3是具有长弧前时间熔断的开断试验,其目的在于验证: 1)安装在组合电器内的熔断器在弧前时间内,能够承受较低过载电流而无外部损伤; 2)熔断器经过以上所述较低过载电流的预热,能够承受一个低于其最小开断电流值 的电流产生的内部电弧,直至在撞击器动作而触发负荷开关之前的一段时间内,熔断 器无出现外部损伤(当过载电流小于熔断器的最小开断电流时,熔断器可能会熔化起 弧,但并不保证熔断器能可靠熄弧)。 4. 试验方式4 试验方式4应在规定的三相回路条件下进行三次开断试验,其具体试验电路 如图5-25 所示。熔断器装设在一相上,其余两相用两根阻抗可忽略不计的 铜导电棒替代熔断器。装设熔断器相与铜导电棒短接相,在三次试验中应依 次交替布置。原则上,铜导电棒与所替代的熔断器应具有同样的外形尺寸和 体积。 5. 试验方式5 试验方式5为额定交接电流开断试验,仅适用于带有脱扣器操作的组合电器 ,其目的在于验证开断负荷由熔断器交接给脱扣器操作的负荷开关,在交接 电流范围内,熔断器与脱扣器操作的负荷开关之间的正确配合。上述交接电 流是指负荷开关的过电流保护装置和熔断器的过电流保护装置的时间 / 电流 特性交点所对应的电流值。 5.3.2 熔断器撞击器试验 1.撞击器试验要求 方式1:试验电流小于等于10A,试验电压不规定; 方式2:试验电流不规定,试验电压小于等于0.075UN(U N为熔断件的额定 电压)。 功率因数任意,如有可能时,两试验方式可合并进行。 2. 脱扣器的联动试验要求 除非另有规定,试验应在试验现场周围空气温度条件下进行。试验时, 试品实际状况应满足组合电器有关条件的规定。 1)对熔断器撞击器和负荷开关脱扣器之间机械联动的可靠性进行试验。对 相应型号的撞击器共需进行100次操作试验。其中用最小能量的撞击器,对 每极进行30次操作试验,共 30次。用三只最大能量的撞击器进行三极联动操 作试验10次。这一试验方式完成后,脱扣联动的机械功能应与试验前相同。 2)用一只带有已伸出的(即动作后的)撞击器的熔断器(也可以采用一个 模拟熔断器撞击器动作的装置来替代实际的熔断器),使其撞击器按规定范 围调整到最小运动行程位置,依次对每极进行试验,应证明组合电器中的负 荷开关按其设计要求既不能合闸也不能保持在合闸位置。 3. 弹簧型撞击器的动作特性 限流熔断件中的撞击器设置在端部,分弹簧型和炸药型两种。炸药型撞 击器推动撞针的能量来自炸药爆炸装置。 4. 弹簧撞击器行程持续时间的分析 熔断器撞击器的行程持续时间tc可分为两部分,一部分是固定弹簧用的 金属丝在电流和拉力作用下熔化拉断的时间t1;另一部分是弹簧动作后达到 规定行程的机械运动时间t2。 5.3.3 转移电流 1.转移电流的概念 在高压限流熔断器 / 负荷开关构成的组合电器中,负荷开关的作用是在 正常电路条件下,关合或开断额定电流和在过载条件下,开断不大于规定 值的过载电流。熔断器的作用是当负荷电流超过给定值一定时间后或出现 短路故障时,自动开断电路。 参见图5-33,由于熔断器结构和工作原理上的原因,其弧前时间 / 电流 特性(简称T/I特性)成为一带状,即处于最大T/I 特性曲线和最小T/I 特性曲 线之间。当电路中发生三相故障时,若故障电流值很大,则由于熔断器的 弧前时间很短,可以认为组合电器中三相熔断器同时动作,在负荷开关被 触发脱扣进行分闸时,熔断器已将电路开断, 此时负荷开关仅是开断空载 。若通过组合电器的故障电流较小,则由于熔断器的弧前时间较长,而且 熔断器的T/I 特性有一定的误差,在同一故障电流作用下,不同熔断器的弧 前时间就存在着较大的时间差。当组合电器中首开相和剩余两相熔断器弧 前时间差大于负荷开关的固分时间时,将导致在首开相熔断器开断后另外 两相熔断器尚未开断的情况下,负荷开关已进行分闸, 即剩余两相故障电 流将由负荷开关分断。这种开断方式称为从熔断器开断转移到负荷开关开 断。 转移电流的开断是组合电器中熔断器分断后直接 触发负荷开关分闸方式所无法避免的问题,是组合电 器能否正常工作的一项重要考核项目。 2. 负荷开关与熔断器之间的配合 负荷开关 / 熔断器组合电器的任务很明确,负荷 开关开断工作电流,熔断器承担短路保护。在此之间 ,存在一个过电流区域,有可能负荷开关和熔断器同 时动作,因此只有两种电器的开断能力相互配合,才 能顺利完成此开断任务。 组合电器内负荷开关与熔断器配合关系,可分为 4个区域: I 为工作电流范围(I ≤InK) II 为过负荷范围(InK I 3InH) III 为转移电流范围(3InHI≤15InHH) IV 为限流范围 从以上负荷开关与熔断器配合开断电路的4个区 域的描述可知,转移电流是指熔断器与负荷开关转换 开断职能时的三相对称电流。低于该值时,首开相电 流由熔断器开断,其他两相电流由负荷开关开断。大 于该值时,三相电流仅能由熔断器开断 图5-33 弧前时间/电流 特性曲线 1-最小弧前时间/电流特 性(-6.5%) 2-最大孤前时间/电流特 性(+6.5%) 3. 转移电流的确定 图5-35表示在转移电流范围内可能出现的最大 和最小熔断器时间 / 电流特性曲线,为了便于分析 ,近似认为在转移电流的小区域内的特性曲线为直 线。 在转移点处,三相熔断器的首开相和第二相弧 前时间差,应与熔断器触发的负荷开关分闸时间T0 相等,即 由此可知,在熔断器的最小时间 / 电流特性曲 线上,取弧前时间等于0.9T0所对应的电流,即为 所求的转移电流值。所以,熔断器的弧前时间 / 电 流特性及熔断器触发的负荷开关分闸时间T0是决定 转移电流大小的重要因素。 图5-35 最大和最小时 间 / 电流特性1—最大时 间 / 电流特性2—最小时 间 / 电流特性
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