高压断路器--理论,设计与试验方法

译者序 ​

原书序

致谢

第1章开关装置简介

1.1开关装置的用途

1.2开关装置的定义

1.2.1隔离开关

1.2.2接地开关

1.2.3快速接地开关

1.2.4负荷开关

1.2.5合闸开关

1.2.6接触器

1.2.7熔断器

1.2.8火花间隙

1.2.9避雷器

1.2.10故障电流限制器

1.2.11起动器

1.2.12开关稳定器

1.2.13继电器

1.2.14断路器

1.2.15隔离断路器

第2章气体中的电弧

2.1电弧的基本过程和物理特性

2.1.1金属表面电子发射机理

2.1.2电弧中的载流子

2.1.3触头上的能量平衡

2.1.4触头侵蚀机理

2.1.5触头侵蚀研究的实验结果

2.1.6触头材料的分类

2.1.6.1高导电率金属与合金

2.1.6.2抗化学腐蚀的金属与合金

2.1.6.3难熔金属

2.1.6.4烧结材料

2.1.7触头材料的特性

2.2直流电弧

2.2.1气体放电的伏安特性

2.2.2直流电弧的熄灭

2.3交流电弧

2.3.1交流电弧的伏安特性

2.3.2热击穿和电击穿区域

2.3.3电弧电导率、功率与弧柱中的能量消耗

第3章电弧建模

3.1P—T（黑盒）电弧模型

3.1.1Mayr与Cassie方程

3.1.2动态电弧方程的普遍形式

3.1.3电弧模型和相关参数概况

3.1.4P—T电弧模型的实际应用

3.1.5电弧参数的求取

3.1.6数值处理

3.1.7有效性检验

3.1.8电流零区测量

3.1.8.1电流测量

3.1.8.2电压测量

3.1.8.3处理原始测量数据以转换为电弧电流和电弧电压

3.1.8.4电流测量系统的性能

3.2电弧物理模型

3.2.1电弧物理模型的通用方程组

3.2.2具有焓流的简化电弧物理模型

3.2.2.1附加假定条件

3.2.2.2方程组

3.2.2.3SF6等离子体的热力学特性

3.2.2.4电弧电流的时间关系式

3.2.2.5横截面和电弧电压的确定

3.2.2.6沿电弧轴线压力分布的确定

3.2.2.7静止和稳定气流条件下的SF6气体状态方程

3.2.2.8SF6气体热力学特性的计算表达式

3.3高压SF6断路器操作的计算机仿真

3.3.1计算机仿真程序

3.3.2特征量

3.3.3熄弧窗口

3.4电弧建模的其他工具

3.4.1电弧直径和电弧温度

3.4.2气体和真空中的电弧电压

3.4.3冷态电压特性

3.4.4极限曲线

3.4.5截流系数

3.4.6断路器的电寿命

第4章真空电弧

4.1真空电弧简介

4.1.1阴极和阳极鞘层

4.1.2扩散型与集聚型真空电弧

4.1.2.1扩散型电弧

4.1.2.2集聚型电弧

4.2通过磁场控制真空电弧

4.2.1横向磁场原理

4.2.2纵向磁场原理

第5章灭弧介质

5.1空气

5.1.1在空气中拉长灭弧

5.1.2磁吹灭弧

5.1.3压缩空气灭弧

5.2矿物油

5.2.1多油断路器的灭弧

5.2.2少油断路器的灭弧

5.3六氟化硫（SF6）

5.3.1物理特性

5.3.2SF6分解物

5.3.3SF6对环境的影响

5.5.3.1臭氧损耗

5.5.3.2温室效应

5.5.3.3生态病理学和对健康的潜在影响

5.3.4SF6替代物

5.4SF6／N2混合气体

5.5真空

5.5.1保持高真空

5.5.2更高电压等级下真空的应用

5.5.3真空中的触头材料

第6章开合方式与暂态过程

6.1负载类型

6.1.1阻性负载

6.1.2容性负载

6.1.3感性负载

6.1.3.1大电感电流：短路

6.1.3.2小电感电流

6.2短路电流

6.2.1短路电流与电压之间的关系

6.2.2直流分量百分数

6.2.3非对称电流的有效值和峰值

6.3瞬态恢复电压（TRV）

6.3.1TRV的定义

6.3.2单频瞬态恢复电压波形

6.3.3双频瞬态恢复电压波形

6.3.4瞬态恢复电压的两参数包络线

6.3.5瞬态恢复电压的四参数包络线

6.3.6分布参数电路中的瞬态恢复电压

6.3.7IEEE／ANSI规定的瞬态恢复电压波形

6.3.8三相电网中的瞬态恢复电压

译者序

2011年10月，第一届电力设备开断技术国际会议在西安交通大学成功举办，该会议是由中日韩联合创建的电力设备方面的系列国际会议，对该领域的学术研究和发展具有里程碑式的意义。在长达2年的筹备期间，国际、国内各方面专家、学者给予了热情的支持和积极的帮助。国际知名电力设备专家、荷兰KEMA实验站的Smeets教授从一开始就对此次会议充满了热情，不断从各个方面给予支持和帮助。在会议召开期间，作为重要的礼品，他向我赠送并郑重推荐了此书的英文版《High Voltage Circuit Breakers》，同时也希望能够在中国推广这本书。我当即被书中丰富的内容、深入而专业的题材所吸引，我感到这本书对于中国的电力设备领域专业人士必定会有极大的帮助，会有力促进中国高压电力装备在技术水平上进一步提高。我立即提出将此书翻译成中文出版的建议，Smeets教授给予了积极和热情的反馈。随后我们与机械工业出版社电工电子分社进行了沟通，得到了他们的积极支持。机械工业出版社与国外出版社进行了版权谈判，取得了在中国翻译出版的权利，并委托西安交通大学组织翻译。

本书内容十分丰富，从高压断路器的基本原理、结构，到开关电弧的物理模型，从各种工作状况，到全面的试验方法，对于电力装备开发制造领域的人士极具价值，对于相关专业的本科生和研究生也是极好的教科书。

在本书的翻译过程中，西安交通大学的闫静博士付出了大量时间和心血，他完成了本书的初稿翻译工作。西安交通大学的荣命哲教授、耿英三教授、刘志远教授也对书稿进行了审校，提出了很多宝贵的意见。他们对完成本书的翻译起到了十分重要的作用。

由于本书涉及内容十分广泛丰富，在高压断路器试验方面涉及大量国际标准和专门的试验方法，内容十分专业，在翻译过程中难免有错误和不当之处，敬请指正。在此也对所有长期以来支持和帮助西安交通大学电器学科的各位专家、学者和朋友们一并表示感谢！

王建华博士

西安交通大学电气工程学院教授

电力设备电气绝缘国家重点实验室主任

2014年9月于西安

原书序

原书序

2003年，Mirsad Kapetanovi教授在萨拉热窝举行的CIGRE研究委员会A3（高压设备）会议上向与会国际专家介绍了他的著作“Visokonaponski Prekida i”（波斯尼亚语，译为《高压断路器》）。

在近35年的时间里，Kapetanovi教授为萨拉热窝的动力投资公司（Energoinvest）积极参与了高压断路器的研究、开发与试验，属于“热情的断路器爱好者”的核心圈成员。

虽然我并不精通波斯尼亚语，但还是立即被书中关于开断和关合内容的覆盖范围和深度所吸引。

2008年，KEMA邀请Kapetanovi教授用英语编写本书的最新和扩展版本。由Lou van der Sluis教授（Delft大学）、PKnol先生（KEMA）和我本人（KEMA）组成的编委会对这一过程进行管理。

该著作综述了断路器技术现状：涵盖其历史、开关电弧的相关物理现象、电力系统中开关操作的影响、技术以及最新但决非次要的试验技术。

另外，很多KEMA专有的试验技术和试验结果的展示方法在本版本中进行了描述。

由于经常依靠KEMA为其设计提供认证和研究试验，Kapetanovi教授的团队已经与KEMA建立了数十年的关系。我们享受在许多场合热烈讨论，详细质询许多已广泛接受的试验原理，例如合成试验与直接试验的等效性。Kapetanovi教授渴望采用KEMA提供的新技术，例如电流零区技术，用于检验在断路器设计中使用的模型。作为萨拉热窝大学电气工程系的教授，他将这方面的知识传授给他的学生并通过本书传授给更多的读者。

试验要坚实地建立在三个支柱上：标准、有能力的专家和充足的试验设备。只有通过这样的支持，试验才能为元件性能提供高质量的验证。

作为高压设备试验和认证领域中全球市场的领导者，自1927年起KEMA一直努力保持这一坚实地位。

本书旨在使读者认识到高压断路器并非“即插即用”设备，每一特定应用都有其独特性。

为这一涉猎广泛技术领域提供引导是作者、编辑委员会和KEMA的真正使命。

René Smeets博士、教授

KEMA输配电试验服务部

阿纳姆

2010年10月31日

本书充分反映近年来国际范围内高压断路器基础理论、工作原理、产品设计、试验技术方面的当前进展，对现代高压断路器及开关设备的设计、制造、运行和科技管理具有积极的推动作用！

作者团队与KEMA建立了数十年的关系，经常依靠KEMA为其设计提供认证和研究试验。原书英文版正是由KEMA组织出版的。

本书呈现了国外产品的最新发展，详尽说明了IEC标准及其他标准，特别阐述了高压断路器的最新试验方法，包括很多KEMA独有、专有的试验技术和方法以及试验报告内容。

作者：（波黑）米尔萨德·卡普塔诺维克（Mirsad Kapetanovic） 译者：王建华 闫静

3.1.8 电流零区测量

在上升率非常高的瞬态恢复电压的情况下，例如开断近区故障后，电流零区的电弧现象是很关键的，因此研究人员和开发人员往往用各种方法付出极大的努力来测量电流过零阶段的相关现象。

在商用断路器的原型中，通过测量可以得到的参数仅有电流和电压。

与开断前的电流（数十千安）和开断后的电压（数百千伏）相比，电流零区的电流和电压（数安，数千伏）都很小，从而产生了动态范围的问题，不得不采用专门的测量方法。另外，在亚微秒等级上相关处理方法是有效的，并且在时间上的测量分辨率也应足够高。

电弧电流具有最宽的动态范围（从电流尖峰的100kA到接近电流零点的1A），并且在过去已经做出多次努力来解决这一动态带宽问题。

一套测量系统主要由传感器和数据采集系统组成，接下来将讨论这两方面的内容。

3.1.8.1 电流测量

1.分流器

最早的尝试是利用分流器来完成的，它是一个意义明确的电阻性元件，置于主电流路径或者合成试验的引入电流路径（该位置可以避免全部电流通过分流器）中（95，256—260）。