高壓斷路器--理論,設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

譯者序 ?

原書序

致謝

第1章開關(guān)裝置簡介

1.1開關(guān)裝置的用途

1.2開關(guān)裝置的定義

1.2.1隔離開關(guān)

1.2.2接地開關(guān)

1.2.3快速接地開關(guān)

1.2.4負(fù)荷開關(guān)

1.2.5合閘開關(guān)

1.2.6接觸器

1.2.7熔斷器

1.2.8火花間隙

1.2.9避雷器

1.2.10故障電流限制器

1.2.11起動(dòng)器

1.2.12開關(guān)穩(wěn)定器

1.2.13繼電器

1.2.14斷路器

1.2.15隔離斷路器

第2章氣體中的電弧

2.1電弧的基本過程和物理特性

2.1.1金屬表面電子發(fā)射機(jī)理

2.1.2電弧中的載流子

2.1.3觸頭上的能量平衡

2.1.4觸頭侵蝕機(jī)理

2.1.5觸頭侵蝕研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.6觸頭材料的分類

2.1.6.1高導(dǎo)電率金屬與合金

2.1.6.2抗化學(xué)腐蝕的金屬與合金

2.1.6.3難熔金屬

2.1.6.4燒結(jié)材料

2.1.7觸頭材料的特性

2.2直流電弧

2.2.1氣體放電的伏安特性

2.2.2直流電弧的熄滅

2.3交流電弧

2.3.1交流電弧的伏安特性

2.3.2熱擊穿和電擊穿區(qū)域

2.3.3電弧電導(dǎo)率、功率與弧柱中的能量消耗

第3章電弧建模

3.1P—T（黑盒）電弧模型

3.1.1Mayr與Cassie方程

3.1.2動(dòng)態(tài)電弧方程的普遍形式

3.1.3電弧模型和相關(guān)參數(shù)概況

3.1.4P—T電弧模型的實(shí)際應(yīng)用

3.1.5電弧參數(shù)的求取

3.1.6數(shù)值處理

3.1.7有效性檢驗(yàn)

3.1.8電流零區(qū)測量

3.1.8.1電流測量

3.1.8.2電壓測量

3.1.8.3處理原始測量數(shù)據(jù)以轉(zhuǎn)換為電弧電流和電弧電壓

3.1.8.4電流測量系統(tǒng)的性能

3.2電弧物理模型

3.2.1電弧物理模型的通用方程組

3.2.2具有焓流的簡化電弧物理模型

3.2.2.1附加假定條件

3.2.2.2方程組

3.2.2.3SF6等離子體的熱力學(xué)特性

3.2.2.4電弧電流的時(shí)間關(guān)系式

3.2.2.5橫截面和電弧電壓的確定

3.2.2.6沿電弧軸線壓力分布的確定

3.2.2.7靜止和穩(wěn)定氣流條件下的SF6氣體狀態(tài)方程

3.2.2.8SF6氣體熱力學(xué)特性的計(jì)算表達(dá)式

3.3高壓SF6斷路器操作的計(jì)算機(jī)仿真

3.3.1計(jì)算機(jī)仿真程序

3.3.2特征量

3.3.3熄弧窗口

3.4電弧建模的其他工具

3.4.1電弧直徑和電弧溫度

3.4.2氣體和真空中的電弧電壓

3.4.3冷態(tài)電壓特性

3.4.4極限曲線

3.4.5截流系數(shù)

3.4.6斷路器的電壽命

第4章真空電弧

4.1真空電弧簡介

4.1.1陰極和陽極鞘層

4.1.2擴(kuò)散型與集聚型真空電弧

4.1.2.1擴(kuò)散型電弧

4.1.2.2集聚型電弧

4.2通過磁場控制真空電弧

4.2.1橫向磁場原理

4.2.2縱向磁場原理

第5章滅弧介質(zhì)

5.1空氣

5.1.1在空氣中拉長滅弧

5.1.2磁吹滅弧

5.1.3壓縮空氣滅弧

5.2礦物油

5.2.1多油斷路器的滅弧

5.2.2少油斷路器的滅弧

5.3六氟化硫（SF6）

5.3.1物理特性

5.3.2SF6分解物

5.3.3SF6對(duì)環(huán)境的影響

5.5.3.1臭氧損耗

5.5.3.2溫室效應(yīng)

5.5.3.3生態(tài)病理學(xué)和對(duì)健康的潛在影響

5.3.4SF6替代物

5.4SF6／N2混合氣體

5.5真空

5.5.1保持高真空

5.5.2更高電壓等級(jí)下真空的應(yīng)用

5.5.3真空中的觸頭材料

第6章開合方式與暫態(tài)過程

6.1負(fù)載類型

6.1.1阻性負(fù)載

6.1.2容性負(fù)載

6.1.3感性負(fù)載

6.1.3.1大電感電流：短路

6.1.3.2小電感電流

6.2短路電流

6.2.1短路電流與電壓之間的關(guān)系

6.2.2直流分量百分?jǐn)?shù)

6.2.3非對(duì)稱電流的有效值和峰值

6.3瞬態(tài)恢復(fù)電壓（TRV）

6.3.1TRV的定義

6.3.2單頻瞬態(tài)恢復(fù)電壓波形

6.3.3雙頻瞬態(tài)恢復(fù)電壓波形

6.3.4瞬態(tài)恢復(fù)電壓的兩參數(shù)包絡(luò)線

6.3.5瞬態(tài)恢復(fù)電壓的四參數(shù)包絡(luò)線

6.3.6分布參數(shù)電路中的瞬態(tài)恢復(fù)電壓

6.3.7IEEE／ANSI規(guī)定的瞬態(tài)恢復(fù)電壓波形

6.3.8三相電網(wǎng)中的瞬態(tài)恢復(fù)電壓

譯者序

2011年10月，第一屆電力設(shè)備開斷技術(shù)國際會(huì)議在西安交通大學(xué)成功舉辦，該會(huì)議是由中日韓聯(lián)合創(chuàng)建的電力設(shè)備方面的系列國際會(huì)議，對(duì)該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究和發(fā)展具有里程碑式的意義。在長達(dá)2年的籌備期間，國際、國內(nèi)各方面專家、學(xué)者給予了熱情的支持和積極的幫助。國際知名電力設(shè)備專家、荷蘭KEMA實(shí)驗(yàn)站的Smeets教授從一開始就對(duì)此次會(huì)議充滿了熱情，不斷從各個(gè)方面給予支持和幫助。在會(huì)議召開期間，作為重要的禮品，他向我贈(zèng)送并鄭重推薦了此書的英文版《High Voltage Circuit Breakers》，同時(shí)也希望能夠在中國推廣這本書。我當(dāng)即被書中豐富的內(nèi)容、深入而專業(yè)的題材所吸引，我感到這本書對(duì)于中國的電力設(shè)備領(lǐng)域?qū)I(yè)人士必定會(huì)有極大的幫助，會(huì)有力促進(jìn)中國高壓電力裝備在技術(shù)水平上進(jìn)一步提高。我立即提出將此書翻譯成中文出版的建議，Smeets教授給予了積極和熱情的反饋。隨后我們與機(jī)械工業(yè)出版社電工電子分社進(jìn)行了溝通，得到了他們的積極支持。機(jī)械工業(yè)出版社與國外出版社進(jìn)行了版權(quán)談判，取得了在中國翻譯出版的權(quán)利，并委托西安交通大學(xué)組織翻譯。

本書內(nèi)容十分豐富，從高壓斷路器的基本原理、結(jié)構(gòu)，到開關(guān)電弧的物理模型，從各種工作狀況，到全面的試驗(yàn)方法，對(duì)于電力裝備開發(fā)制造領(lǐng)域的人士極具價(jià)值，對(duì)于相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生也是極好的教科書。

在本書的翻譯過程中，西安交通大學(xué)的閆靜博士付出了大量時(shí)間和心血，他完成了本書的初稿翻譯工作。西安交通大學(xué)的榮命哲教授、耿英三教授、劉志遠(yuǎn)教授也對(duì)書稿進(jìn)行了審校，提出了很多寶貴的意見。他們對(duì)完成本書的翻譯起到了十分重要的作用。

由于本書涉及內(nèi)容十分廣泛豐富，在高壓斷路器試驗(yàn)方面涉及大量國際標(biāo)準(zhǔn)和專門的試驗(yàn)方法，內(nèi)容十分專業(yè)，在翻譯過程中難免有錯(cuò)誤和不當(dāng)之處，敬請(qǐng)指正。在此也對(duì)所有長期以來支持和幫助西安交通大學(xué)電器學(xué)科的各位專家、學(xué)者和朋友們一并表示感謝！

王建華博士

西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院教授

電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任

2014年9月于西安

原書序

原書序

2003年，Mirsad Kapetanovi教授在薩拉熱窩舉行的CIGRE研究委員會(huì)A3（高壓設(shè)備）會(huì)議上向與會(huì)國際專家介紹了他的著作“Visokonaponski Prekida i”（波斯尼亞語，譯為《高壓斷路器》）。

在近35年的時(shí)間里，Kapetanovi教授為薩拉熱窩的動(dòng)力投資公司（Energoinvest）積極參與了高壓斷路器的研究、開發(fā)與試驗(yàn)，屬于“熱情的斷路器愛好者”的核心圈成員。

雖然我并不精通波斯尼亞語，但還是立即被書中關(guān)于開斷和關(guān)合內(nèi)容的覆蓋范圍和深度所吸引。

2008年，KEMA邀請(qǐng)Kapetanovi教授用英語編寫本書的最新和擴(kuò)展版本。由Lou van der Sluis教授（Delft大學(xué)）、PKnol先生（KEMA）和我本人（KEMA）組成的編委會(huì)對(duì)這一過程進(jìn)行管理。

該著作綜述了斷路器技術(shù)現(xiàn)狀：涵蓋其歷史、開關(guān)電弧的相關(guān)物理現(xiàn)象、電力系統(tǒng)中開關(guān)操作的影響、技術(shù)以及最新但決非次要的試驗(yàn)技術(shù)。

另外，很多KEMA專有的試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)結(jié)果的展示方法在本版本中進(jìn)行了描述。

由于經(jīng)常依靠KEMA為其設(shè)計(jì)提供認(rèn)證和研究試驗(yàn)，Kapetanovi教授的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與KEMA建立了數(shù)十年的關(guān)系。我們享受在許多場合熱烈討論，詳細(xì)質(zhì)詢?cè)S多已廣泛接受的試驗(yàn)原理，例如合成試驗(yàn)與直接試驗(yàn)的等效性。Kapetanovi教授渴望采用KEMA提供的新技術(shù)，例如電流零區(qū)技術(shù)，用于檢驗(yàn)在斷路器設(shè)計(jì)中使用的模型。作為薩拉熱窩大學(xué)電氣工程系的教授，他將這方面的知識(shí)傳授給他的學(xué)生并通過本書傳授給更多的讀者。

試驗(yàn)要堅(jiān)實(shí)地建立在三個(gè)支柱上：標(biāo)準(zhǔn)、有能力的專家和充足的試驗(yàn)設(shè)備。只有通過這樣的支持，試驗(yàn)才能為元件性能提供高質(zhì)量的驗(yàn)證。

作為高壓設(shè)備試驗(yàn)和認(rèn)證領(lǐng)域中全球市場的領(lǐng)導(dǎo)者，自1927年起KEMA一直努力保持這一堅(jiān)實(shí)地位。

本書旨在使讀者認(rèn)識(shí)到高壓斷路器并非“即插即用”設(shè)備，每一特定應(yīng)用都有其獨(dú)特性。

為這一涉獵廣泛技術(shù)領(lǐng)域提供引導(dǎo)是作者、編輯委員會(huì)和KEMA的真正使命。

René Smeets博士、教授

KEMA輸配電試驗(yàn)服務(wù)部

阿納姆

2010年10月31日

本書充分反映近年來國際范圍內(nèi)高壓斷路器基礎(chǔ)理論、工作原理、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試驗(yàn)技術(shù)方面的當(dāng)前進(jìn)展，對(duì)現(xiàn)代高壓斷路器及開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行和科技管理具有積極的推動(dòng)作用！

作者團(tuán)隊(duì)與KEMA建立了數(shù)十年的關(guān)系，經(jīng)常依靠KEMA為其設(shè)計(jì)提供認(rèn)證和研究試驗(yàn)。原書英文版正是由KEMA組織出版的。

本書呈現(xiàn)了國外產(chǎn)品的最新發(fā)展，詳盡說明了IEC標(biāo)準(zhǔn)及其他標(biāo)準(zhǔn)，特別闡述了高壓斷路器的最新試驗(yàn)方法，包括很多KEMA獨(dú)有、專有的試驗(yàn)技術(shù)和方法以及試驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容。

作者：（波黑）米爾薩德·卡普塔諾維克（Mirsad Kapetanovic） 譯者：王建華 閆靜

3.1.8 電流零區(qū)測量

在上升率非常高的瞬態(tài)恢復(fù)電壓的情況下，例如開斷近區(qū)故障后，電流零區(qū)的電弧現(xiàn)象是很關(guān)鍵的，因此研究人員和開發(fā)人員往往用各種方法付出極大的努力來測量電流過零階段的相關(guān)現(xiàn)象。

在商用斷路器的原型中，通過測量可以得到的參數(shù)僅有電流和電壓。

與開斷前的電流（數(shù)十千安）和開斷后的電壓（數(shù)百千伏）相比，電流零區(qū)的電流和電壓（數(shù)安，數(shù)千伏）都很小，從而產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)范圍的問題，不得不采用專門的測量方法。另外，在亞微秒等級(jí)上相關(guān)處理方法是有效的，并且在時(shí)間上的測量分辨率也應(yīng)足夠高。

電弧電流具有最寬的動(dòng)態(tài)范圍（從電流尖峰的100kA到接近電流零點(diǎn)的1A），并且在過去已經(jīng)做出多次努力來解決這一動(dòng)態(tài)帶寬問題。

一套測量系統(tǒng)主要由傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，接下來將討論這兩方面的內(nèi)容。

3.1.8.1 電流測量

1.分流器

最早的嘗試是利用分流器來完成的，它是一個(gè)意義明確的電阻性元件，置于主電流路徑或者合成試驗(yàn)的引入電流路徑（該位置可以避免全部電流通過分流器）中（95，256—260）。