高压断路器合闸电阻的设计与计算

QINGHAI ELECTRIC POWER

第38卷第4期2019年12月

Vol. 38 No. 4Dec. ,2019

DOI : 10. 15919/j. cnki. qhep. 2019. 04. 005

高压断路器合闸电阻的设计与计算

刘波，曹亚钊,李万民，崔 闪

(1.上海思源高压开关有限公司，上海201108)

摘 要：在电力系统中，存在着种类繁多、特性各异的操作过电压，投、切空载线路，都会产生操作过电压。为

此要在断路器上装设合闸电阻，合闸时电阻断口先于主断口接通、开断时电阻断口滞后主断口开断，电阻将电

网中的部分电能吸收转化为热能，从而达到消弱电磁振荡、过电压的目的。关键词：断路器；合闸电阻；过电压

中图分类号：TM561 文献标志码：B 文章编号:1006 -8198(2019)04-0020-04

Design and Calculation of Closing Resistance of

High Voltage Switch Circuit Breaker

LIU Bo , CAO Yazhao , LI Wanmin , CUI Shan

Abstract : In the power system , there are many kinds of operation overvoltage with different characteristics , the cast

and cut empty load lines in the power system will generate operation overvoltage. For this reason , a switch resistor must be installed on the circuit breaker. When the switch is closed , the electric blocking port is connected to the main break in advance , and when it is broken , the electric blocking port lags behind the main break , and the

resistance converts part of the electrical energy absorption into heat energy in the power grid. Thus , the purpose of weakening electromagnetic oscillation and limiting overvoltage is achieved.

Keywords : circuit breaker ； closing resistance ； overvoltage

0引言

363 kV 以上电压等级的电网，在合空载长线 时,尤其是在电源电压幅值与线路残压反相时，由 于系统参数突变，电网L-C 上的电磁能量的振 荡而引起较大的过电压。为了这种合闸过电

压,较长的363 kV 线路电站和线路中点采用氧化 锌避雷器;550 kV 线路电站可采用氧化锌避雷器

或者合闸电阻;800 -1 100 kV 线路上的GCB 目 前必须采用合闸电阻来合闸操作过电压。

1合闸电阻的工作原理和参数

1.1合闸电阻的工作原理

合闸电阻能够有效抑制输电线路容性与感应 负载所产生的过电压。合闸电阻的基本布置结构

如图1所示，合闸过程中，通过闭合电阻断口①, 将电阻R 接入到电源与输电线路之间，输电线路

上的电压被分配在合闸电阻和输电线路的涌流阻 抗Z o 上，电阻将电网中的部分电能吸收转化为热

能，从而达到消弱电磁振荡、过电压的目的。 电阻断口合闸一段时间后，主断口②合闸,将电阻

R 短路，使电源电压全部施加在输电线路上。

合闸电阻的额定参数包括电阻值R 、每次电

阻投入时间t 、两次合闸的间隙时间At 及电阻投

入时承受的电压负荷U 。

1.2合闸电阻的参数

收稿日期：2019 -07 -26；修回日期：2019-10-16

作者简介：刘 波(1981),男，本科，高级工程师，主要从事SF6高压开关研发设计。

第4期

刘 波，等:高压断路器合闸电阻的设计与计算21

图1 合闸电阻工作原理

1.2.1 电阻值R

电阻值与系统容量、线路长度有关，在过电压

值一定时,系统容量越小,选用的阻值也越小;在 电源容量一定时,线路越短、过电压越低，选用的 阻值应大些。

在合闸第一阶段（电阻投入时），合闸过电压

随R 值增大而急剧下降（见图2曲线1）。在合闸 第二阶段（电阻被主触头短接），希望R 值小一 些，因为R 值越小，主触头闭合时线路参数变化 小，相应过电压也小（见图2曲线2）。

根据我国电网通常工况，《国家电网公司输

变电工程通用设备》第5篇推荐合闸电阻值为

400 Q,电阻值允许偏差±5% o

200 Ro 400

600

800

R/Q

2

——

1

1

1

图2 合闸过电压倍数K 与合闸电阻值R 的关系

1.2.2电阻投入时间At

由于线路本身阻抗的阻尼作用，合闸过电压 （超过1.5 U 时）的持续时间为2.5 ~ 6. 5 ms,并

在合闸后20〜60 ms 全部衰减。当首先合闸极的

电阻接通后,该极电阻的接通时间应持续到最后

一极合闸后暂态振荡波反射回GCB,因此电阻投 入最小时间应等于GCB 三极合闸不同期加上两

倍线路暂态时间。

从过电压的角度考虑，电阻接入时间没

有上限，但受到电阻元件热容量的，《国家电 网公司输变电工程通用设备》第5篇推荐电阻投 入时间为8 ~ 11 ms o

1.2.3运行温度：

1） 片径W112 mm,运行温度W300七（非连

续）。

2） 片径＞112 mm,运行温度W250兀（非连

续）。

3） 所有电阻，运行温度W150玄（连续）。

4） 能量注入温升：

4T （r ）= W/（VxCm ）

式中，W 为注入的能量,丿汕为电阻片体积,cn?；

Cm 为热容量，2J ・cm ，・尤一

1.2.4物理机械参数

密度2 25 g ・cm'3；抗震性能：电阻片有较

高的鲁棒性，能耐受间接振动;线性膨胀系数：+4

xlO'6 ~ +10 X10'6 弋一 1；弯矩：30 〜60 kg ・ m

（151 mm 电阻片）；杨氏模量：3 X 106 N/crr?；抗压 强度:平均12 000 N/cm 2o

2电阻片选型计算

电阻片为粘土、铝及碳粉混合模压成型并在

高温下烧结而成,其材质的热性能、电性能和机械

性能应符合要求。电阻片的参数根据供应商而

异,本文以摩根公司电阻片参数为例。

2.1电阻片数量计算

电阻片的数量：

n - V/v

式中,V 为电阻片的最小总体积,cm 3；i;为电阻片 的单片体积,cm 3o

2.2合闸过电压计算

根据《断路器合闸过电压计算与分析》，电阻 投入时,180玄全反相合闸时过电压的最大值（有 效值）如下：

L/ = 2t//^（kV ）

式中，E 为额定电压,kV 。

而《国家电网公司输变电工程通用设备》第5

篇对热容量的典型参数要求为:

1） 1. 3U 丽下合闸操作4次，前2次操作间

隔为3 min,后2次操作间隔也是3min,前后两组

操作之间时间间隔不大于30 min ；

2） 或在2U/A 下合闸操作2次，时间间隔为

30 min

o

计算时选择苛刻工况2U r/^3o

按供应商提供的电阻片，每片可承受的10 ms工频电压为：

Vw=1.00x（R/T xA/L）°335

式中，血为单位厚度最大耐受电压,kV/cm,按工频耐压10ms核算；T为加压时间，ms,一般为10 ~50ms；A为电阻片电阻值,Q;4为电阻片截面面积,cm2；£为电阻片厚度,cm。

考虑电阻片上电压不均匀及运行中电阻绝缘性能可能的老化等因素，取安全系数1.2后：

=W1.2（kV）

式中，血为单位厚度最大耐受电压,kV。

按失步关合考虑，作用在电阻上的电压为：

U2=2xt/r/73/n（kV）

式中，E为额定电压,kV；n为电阻片数量。

当6<时，才能满足工频耐压要求。

3分合闸速度设计

3.1合闸速度计算

匸：ZT

LXJ

图3断路器合闸过程

断路器合闸过程如图3所示，电阻接通时间△/需满足电阻投入时间中的要求，接通时间△/按电阻投入时间8-11ms的要求，可根据下式求得：

人二（Hi一禺）/△力

式中，％为主断口动侧平均合闸速度,mm/s；△力为电阻投入时间,ms；Q为主断口刚合点行程（从分闸位置到主断口弧触头刚合时,主断口动侧的运动距离）为电阻断口刚合点行程（从分闸位置到电阻触头刚合时,主断口动侧的运动距离,mm。

3.2分闸速度计算：

时间

距离s在>10ms时刻应能

满足电压负荷的需要

图4断路器分闸过程

断路器合闸过程如图4所示,合闸电阻断口先分,8-11ms后主断口再分，分闸速度可根据下式求得：

S^）/△力

式中，％为主断口动侧平均分闸速度,rnm/s；At 为电阻投入时间,ms；7/3为主断口刚分点行程（从主断口弧触头刚分时到分闸位置,主断口动侧的运动距离），mm；/为电阻断口刚分点行程（从电阻触头刚分到分闸位置时,主断口动侧的运动距离），mm

。

第4期刘波，等:高压断路器合闸电阻的设计与计算23

计算时需满足合闸电阻断口与主断口的时间配合，并可以在分闸过程中耐受住恢复电压。

4结论

通过对断路器合闸电阻的计算，可以得到以下结论：

1、电阻片自身的参数会直接影响到计算的结果，因些在合闸电阻设计时需选对电阻片参数。

2、在合闸电阻的设计时,不仅要考虑电阻片本身的性能，更要结合断路器的分合闸速度，考虑复位弹簧是否可以满足合闸电阻断口与主断口的时间配合，并可以在分合闸过程中耐受住过电压与恢复电压,才能满足设计要求。参考文献：

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本文编辑:盖大忠

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