高壓斷路器--理論,設計與試驗方法序言

譯者序

2011年10月，第一屆電力設備開斷技術國際會議在西安交通大學成功舉辦，該會議是由中日韓聯合創(chuàng)建的電力設備方面的系列國際會議，對該領域的學術研究和發(fā)展具有里程碑式的意義。在長達2年的籌備期間，國際、國內各方面專家、學者給予了熱情的支持和積極的幫助。國際知名電力設備專家、荷蘭KEMA實驗站的Smeets教授從一開始就對此次會議充滿了熱情，不斷從各個方面給予支持和幫助。在會議召開期間，作為重要的禮品，他向我贈送并鄭重推薦了此書的英文版《High Voltage Circuit Breakers》，同時也希望能夠在中國推廣這本書。我當即被書中豐富的內容、深入而專業(yè)的題材所吸引，我感到這本書對于中國的電力設備領域專業(yè)人士必定會有極大的幫助，會有力促進中國高壓電力裝備在技術水平上進一步提高。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。隨后我們與機械工業(yè)出版社電工電子分社進行了溝通，得到了他們的積極支持。機械工業(yè)出版社與國外出版社進行了版權談判，取得了在中國翻譯出版的權利，并委托西安交通大學組織翻譯。

本書內容十分豐富，從高壓斷路器的基本原理、結構，到開關電弧的物理模型，從各種工作狀況，到全面的試驗方法，對于電力裝備開發(fā)制造領域的人士極具價值，對于相關專業(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，西安交通大學的閆靜博士付出了大量時間和心血，他完成了本書的初稿翻譯工作。西安交通大學的榮命哲教授、耿英三教授、劉志遠教授也對書稿進行了審校，提出了很多寶貴的意見。他們對完成本書的翻譯起到了十分重要的作用。

由于本書涉及內容十分廣泛豐富，在高壓斷路器試驗方面涉及大量國際標準和專門的試驗方法，內容十分專業(yè)，在翻譯過程中難免有錯誤和不當之處，敬請指正。在此也對所有長期以來支持和幫助西安交通大學電器學科的各位專家、學者和朋友們一并表示感謝！

王建華博士

西安交通大學電氣工程學院教授

電力設備電氣絕緣國家重點實驗室主任

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A3（高壓設備）會議上向與會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年的時間里，Kapetanovi教授為薩拉熱窩的動力投資公司（Energoinvest）積極參與了高壓斷路器的研究、開發(fā)與試驗，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于開斷和關合內容的覆蓋范圍和深度所吸引。

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

該著作綜述了斷路器技術現狀：涵蓋其歷史、開關電弧的相關物理現象、電力系統中開關操作的影響、技術以及最新但決非次要的試驗技術。

另外，很多KEMA專有的試驗技術和試驗結果的展示方法在本版本中進行了描述。

由于經常依靠KEMA為其設計提供認證和研究試驗，Kapetanovi教授的團隊已經與KEMA建立了數十年的關系。我們享受在許多場合熱烈討論，詳細質詢許多已廣泛接受的試驗原理，例如合成試驗與直接試驗的等效性。Kapetanovi教授渴望采用KEMA提供的新技術，例如電流零區(qū)技術，用于檢驗在斷路器設計中使用的模型。作為薩拉熱窩大學電氣工程系的教授，他將這方面的知識傳授給他的學生并通過本書傳授給更多的讀者。

試驗要堅實地建立在三個支柱上：標準、有能力的專家和充足的試驗設備。只有通過這樣的支持，試驗才能為元件性能提供高質量的驗證。

作為高壓設備試驗和認證領域中全球市場的領導者，自1927年起KEMA一直努力保持這一堅實地位。

本書旨在使讀者認識到高壓斷路器并非“即插即用”設備，每一特定應用都有其獨特性。

為這一涉獵廣泛技術領域提供引導是作者、編輯委員會和KEMA的真正使命。

René Smeets博士、教授

KEMA輸配電試驗服務部

阿納姆

2010年10月31日

譯者序 ?

原書序

致謝

第1章開關裝置簡介

1.1開關裝置的用途

1.2開關裝置的定義

1.2.1隔離開關

1.2.2接地開關

1.2.3快速接地開關

1.2.4負荷開關

1.2.5合閘開關

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起動器

1.2.12開關穩(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觸頭侵蝕機理

2.1.5觸頭侵蝕研究的實驗結果

2.1.6觸頭材料的分類

2.1.6.1高導電率金屬與合金

2.1.6.2抗化學腐蝕的金屬與合金

2.1.6.3難熔金屬

2.1.6.4燒結材料

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動態(tài)電弧方程的普遍形式

3.1.3電弧模型和相關參數概況

3.1.4P—T電弧模型的實際應用

3.1.5電弧參數的求取

3.1.6數值處理

3.1.7有效性檢驗

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處理原始測量數據以轉換為電弧電流和電弧電壓

3.1.8.4電流測量系統的性能

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等離子體的熱力學特性

3.2.2.4電弧電流的時間關系式

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氣體熱力學特性的計算表達式

3.3高壓SF6斷路器操作的計算機仿真

3.3.1計算機仿真程序

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

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擴散型與集聚型真空電弧

4.1.2.1擴散型電弧

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

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對環(huán)境的影響

5.5.3.1臭氧損耗

5.5.3.2溫室效應

5.5.3.3生態(tài)病理學和對健康的潛在影響

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更高電壓等級下真空的應用

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負載類型

6.1.1阻性負載

6.1.2容性負載

6.1.3感性負載

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系

6.2.2直流分量百分數

6.2.3非對稱電流的有效值和峰值

6.3瞬態(tài)恢復電壓（TRV）

6.3.1TRV的定義

6.3.2單頻瞬態(tài)恢復電壓波形

6.3.3雙頻瞬態(tài)恢復電壓波形

6.3.4瞬態(tài)恢復電壓的兩參數包絡線

6.3.5瞬態(tài)恢復電壓的四參數包絡線

6.3.6分布參數電路中的瞬態(tài)恢復電壓

6.3.7IEEE／ANSI規(guī)定的瞬態(tài)恢復電壓波形

6.3.8三相電網中的瞬態(tài)恢復電壓

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

本書充分反映近年來國際范圍內高壓斷路器基礎理論、工作原理、產品設計、試驗技術方面的當前進展，對現代高壓斷路器及開關設備的設計、制造、運行和科技管理具有積極的推動作用！

作者團隊與KEMA建立了數十年的關系，經常依靠KEMA為其設計提供認證和研究試驗。原書英文版正是由KEMA組織出版的。

本書呈現了國外產品的最新發(fā)展，詳盡說明了IEC標準及其他標準，特別闡述了高壓斷路器的最新試驗方法，包括很多KEMA獨有、專有的試驗技術和方法以及試驗報告內容。

3.1.8 電流零區(qū)測量

在上升率非常高的瞬態(tài)恢復電壓的情況下，例如開斷近區(qū)故障后，電流零區(qū)的電弧現象是很關鍵的，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現象。

在商用斷路器的原型中，通過測量可以得到的參數僅有電流和電壓。

與開斷前的電流（數十千安）和開斷后的電壓（數百千伏）相比，電流零區(qū)的電流和電壓（數安，數千伏）都很小，從而產生了動態(tài)范圍的問題，不得不采用專門的測量方法。另外，在亞微秒等級上相關處理方法是有效的，并且在時間上的測量分辨率也應足夠高。

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

一套測量系統主要由傳感器和數據采集系統組成，接下來將討論這兩方面的內容。

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，它是一個意義明確的電阻性元件，置于主電流路徑或者合成試驗的引入電流路徑（該位置可以避免全部電流通過分流器）中（95，256—260）。