断路器的理论与设计PDF电子书下载

目录 1

第一章　断路器的电弧物理 1

1.1　引言：断路器的分断元件——电弧 1

1.2　断路器中的电弧 2

1.3　高气压电弧 2

1.3.1　高气压电弧的特性 2

1.3.2 电极区 4

1.3.3　弧柱 5

1.3.4　电弧中的电离 6

1.3.4.1　热电离 6

1.3.4.2　碰撞电离 7

1.3.4.3　负离子的形成 8

1.3.5　复合 9

1.3.6　弧柱中的电子和正离子的速度 11

1.3.7　弧柱中的电流、电导率及功率损耗 11

1.3.8 电弧中的磁现象：环形磁场 12

1.3.9 电弧中的磁现象：横向磁场 13

1.3.10　电弧的热现象 14

1.3.10.1 电弧中的温度分布 15

1.3.10.2　电弧的边界 17

1.3.11　静态电弧特性 17

1.3.12　过渡状态中的电弧 18

1.3.13　动态电弧方程和电弧熄灭 20

1.3.14　弧后电流和电弧的时间常数 24

1.3.15 电流截断 25

1.4　真空电弧 26

1.4.1　真空电弧的定义 26

1.4.2　两种形态的真空电弧 26

1.4.3　扩散型真空电弧 26

1.4.3.1　阴极斑点 27

1.4.3.2　等离子区 28

1.4.4　扩散型电弧向集聚型电弧的转化 30

1.4.7　扩散型电弧的电流零点过程 31

1.4.6　真空电弧的开断能力 31

1.4.5　完全集聚的真空电弧 31

1.4.8　弧后电流 33

1.5　电弧特性的测量方法 34

1.5.1 （a）类：测量 35

1.5.1.1 电压 35

1.5.1.2　电流 36

1.5.1.3　压力 36

1.5.1.4　电弧的几何形状 37

1.5.2　（b）类：基础研究 37

1.5.2.1　电弧温度 37

1.5.2.3　电子密度 38

1.5.2.2　气体密度 38

1.6　参考文献 39

第二章 网络切合时的状况 42

2.1　前言 42

2.2　短路开断：工频现象 42

2.2.1　三相短路开断：工频恢复电压 42

2.2.2　不对称短路的开断 43

2.2.3　中性点接地的影响 44

2.3　短路切断：瞬态现象 45

2.3.1　瞬态恢复电压 45

2.3.2　近区故障 54

2.4　负载和系统的开断 61

2.4.1　负载功率因数的影响 61

2.4.2　失步开断 66

2.4.3　单相开断 70

2.4.4　长输电线的合闸和重合闸 72

2.5　无功电流的切断 76

2.5.1　小感性电流的电流截断 76

2.5.2　电容开断 85

2.6　参考文献 94

2.7　通用文献目录 97

3.1　概述 98

第三章　油断路器 98

3.2　灭弧室：设计原则 100

3.2.1 概述 100

3.2.2　横吹 100

3.2.3　纵吹单元 101

3.2.4　影响灭弧的因素 102

3.2.4.1 开断速度 102

3.2.4.2　关合速度 103

3.2.4.3　电路开断时产生的气体 104

3.2.4.4　典型灭弧室特性 106

3.2.5　灭弧室串联 107

3.2.6　结构特点 108

3.3　触头和导电系统——设计原理 112

3.3.1　概述 112

3.3.2　承载额定电流 112

3.3.2.1　集肤和邻近效应 115

3.3.3　承载短路电流 116

3.3.3.1 电动力 116

3.3.3.2　承载热稳定电流 116

3.3.4　结构特点 117

3.4　机构——设计原则 120

3.4.1　概述 120

3.4.2　能量水平 123

3.4.3　脱扣机构链 124

3.4.4 闩 127

3.4.5　电磁驱动器 128

3.4.5.1　概述 128

3.4.5.2　串联脱扣装置 129

3.4.5.3　并联脱扣装置 130

3.4.6　结构特点 132

3.4.7　液压机构 134

3.5　绝缘——设计原理 135

3.5.1 概述 135

3.5.2　绝缘配合 135

3.5.4.1　材料 137

3.5.3　碳粒和水分的影响 137

3.5.4　结构特点 137

3.5.4.2　套管 140

3.5.4.3　带支座的绝缘 142

3.6　断路器结构 142

3.6.1　概述 142

3.6.2　敞开式多油断路器 143

3.6.2.1　概述 143

3.6.2.2　69千伏多油断路器 143

3.6.2.3　161/220千伏多油断路器 144

3.6.2.4　300～380千伏多油断路器 146

3.6.3　敞开式少油断路器 147

3.6.3.1　单断口型 147

3.6.3.2　多断口型 148

3.6.4　金属铠装断路器 149

3.6.4.1 概述 149

3.6.4.2　金属铠装多油断路器 149

3.6.4.3　金属铠装少油断路器 151

3.6.5　绝缘铠装断路器 155

3.6.6.4　低温 156

3.6.6.3　基础 156

3.6.6.2　二次控制特性 156

3.6.6.1　概述 156

3.6.6　断路器有关应用方面的特点 156

3.6.6.5　地震条件 157

3.6.6.6　慢分和慢合 157

3.7　超高压油断路器的未来 157

3.8　参考文献 159

第四章　磁吹断路器 160

4.1　在空气中断弧的电路开断 160

4.1.1　灭弧原理 160

4.1.2　电弧的功率平衡理论 160

4.1.4　交流电路开断 161

4.1.3　直流电路开断 161

4.2　电弧控制 163

4.2.1　触头和起弧 163

4.2.2　灭弧栅 165

4.2.2.1　裸金属板型或冷阴极 165

4.2.2.2　绝缘钢板 168

4.2.2.3　具有外部铁磁回路的绝缘板 170

4.2.2.4　具有外部“吹弧”线圈而无铁磁回路的绝缘板型 171

4.2.2.5　旋弧绝缘板 173

4.2.3.1　燃弧时间／电流特性 175

4.2.3　性能特点 175

4.2.3.2　电压／电流特性 176

4.2.3.3　开断性能 177

4.3　结构 179

4.3.1　直流断路器 179

4.3.2　低压交流磁吹断路器 185

4.3.3　高压断路器 187

4.4　机构 189

4.4.1 合闸机构设计参数 189

4.4.1.1　设计问题 190

4.4.2　脱扣机构及设计参数 192

4.4.3　机构链 193

4.5　带熔断器的断路器 196

4.6　参考文献 199

第五章　压缩空气断路器 200

5.1　导言 200

5.2　压缩空气介质的性能 203

5.2.1　概述 203

5.2.2　静态电气性能 203

5.2.3　动态电气性能 206

5.2.4　机械性能 214

5.3　灭弧装置的型式 218

5.4　断路器型式及基本布置 220

5.4.1 “敞开式” 220

5.4.2　金属壳封闭式 223

5.4.3　隔离器 224

5.4.4　电压控制用的阻抗 227

5.4.5　触头 240

5.4.6　气阀与气动机构 243

5.4.7　消音器 247

5.5　操作程序和要求 248

5.5.1　概述 248

5.5.2　合闸 249

5.5.3　分闸 251

5.6　典型断路器示例 251

6.2　SF6的特性 263

6.2.1 物理特性 263

6.1 史话 263

第六章　SF6断路器 263

6.2.2　化学特性 264

6.2.3 电特性 265

6.3　SF6断路器 268

6.3.1　开断方法 268

6.3.2　金属筒封闭的双压力式 269

6.3.3　绝缘支柱的双压力式 271

6.3.4　双压力式的气体干燥 275

6.3.5　高压冲击式或压气式 275

6.3.6　配电用冲击式或压气式 280

6.4　SF6断路器的喷嘴 285

6.5　SF6断路器的未来发展 286

6.6　参考文献 287

第七章　真空断路器 289

7.1　引言 289

7.2　与真空灭弧室触头相关的真空电弧现象 292

7.2.1 基本过程 292

7.2.2　螺旋瓣触头 292

7.2.3　杯状触头 296

7.3　电力真空灭弧室的设计和结构 297

7.4.1　开断 302

7.4　真空灭弧室的开断能力 302

7.4.2　真空灭弧室的重燃 303

7.4.3　电容电流开闭 304

7.4.4　感性小电流的开断 304

7.5　真空断路器的设计 304

7.5.1 真空断路器的一般形式和形状 304

7.5.2　灭弧室的固定 305

7.5.3　机械驱动的布置 306

7.5.4　动触头的导向 306

7.5.5　与动触头杆的连接 306

7.5.6　灭弧室电流的馈送 306

7.5.8　触头行程 307

7.5.7　触头压力 307

7.5.9　触头速度（关合） 308

7.5.10　触头速度（分闸） 308

7.5.11　加速力 308

7.5.12　触头磨损 309

7.5.13　灭弧室的冷却 309

7.5.14　机械偏置 310

7.5.15　绝缘 310

7.6　真空灭弧室的真空试验 310

7.7　真空断路器的形式 311

7.8.1　配电和用电断路器 312

7.8　真空断路器举例 312

7.8.2　第二代真空断路器 314

7.8.3　25千伏铁道道旁断路器 316

7.8.4　铁道电气机车用断路器 318

7.8.5　超高压断路器 318

7.9　参考文献 321

第八章　断路器的规范和试验 323

8.1　规范 323

8.2　环境 323

8.3.1　环境空气温度 324

8.3　正常工作条件 324

8.3.2　海拔高度 325

8.3.3　大气条件 325

8.4　机械试验 326

8.4.1　机械强度型式试验 326

8.4.2　操作范围 327

8.4.3　部件试验 327

8.5　耐压试验 328

8.5.1　设计试验 329

8.5.1.1　升降法 329

8.5.1.2　固定电压多次加压法 329

8.5.1.4　等高线法 330

8.5.1.3　累积频度法 330

8.6　介质损耗试验 331

8.7　局部放电试验 332

8.8　无线电干扰试验 334

8.9　温升试验 334

8.9.1　试验安排 335

8.9.2　温度测量 336

8.9.3　控制和辅助回路 337

8.9.4　主回路电阻 338

8.9.5　试验结果的解释 338

8.10.1　试验标准 339

8.10　短路试验 339

8.10.2　瞬态恢复电压 340

8.10.3　回路固有参数 342

8.10.4　试验方法 344

8.10.5 电压分布 344

8.10.6　单元试验 347

8.10.7　选相 352

8.10.8　试验安排 353

8.10.9　开断失败的识别 355

8.11　合成试验 357

8.11.1　电压引入 358

8.11.2　电流引入 359

8.11.4　开断电流 361

8.11.5　电流变化率 361

8.11.3　合成试验的有效性 361

8.11.6　电流零前阶段 362

8.11.7　弧后阶段 363

8.11.8　恢复电压 363

8.11.9　引入时间 363

8.11.10　合成试验程序 364

8.11.11　多半波试验 364

8.11.12　具有分闸电阻的断路器 365

8.11.13　近区故障：电流引入 367

8.11.14　关合能力 367

8.12　试验设备 368

8.11.15　组合的试验循环 368

8.12.1　短路发电机 369

8.12.2　短路合闸开关 370

8.12.3　保护断路器 370

8.12.4　变压器 370

8.12.5　限流电抗器和限流电阻 371

8.12.6　连接线 371

8.12.7　人工输电线 371

8.12.8 电容器 372

8.12.9　测量和控制设备 372

8.12.11　合成回路的恢复电压源 373

8.12.10　辅助设备 373

8.12.12　合成回路用的火花间隙 374

8.12.13　合成回路用的延弧设备 374

8.12.14　合成回路用的辅助断路器 375

8.13　容性电流切断 375

8.13.1　线路充电电流 376

8.13.2　电缆充电电流 377

8.13.3 电容器组电流 378

8.14　小感性电流开断 378

8.15　发展性故障 380

8.16　回路的并联开断 381

8.17.1　可燃性大气 382

8.17　特殊工作条件 382

8.17.2　污秽 383

8.17.3　地震 385

8.17.4　船用设备 386

8.17.5　噪音 387

8.18　参考文献 388

第九章　断路器的绝缘 389

9.1　绝缘设计技术 389

9.2　气体绝缘 396

9.2.1　断路器应用的气体 396

9.2.2　空气的耐电强度 397

9.2.2.1　均匀场 397

9.2.2.2　非均匀场 399

9.2.3　SF6的耐电强度 403

9.2.4 净化效应 404

9.2.5　粉尘和纤维效应 406

9.2.6　电极面积效应 406

9.2.7　温度效应 407

9.2.8　气体中绝缘支持件的表面闪络 407

9.3　真空绝缘 410

9.3.1　真空的耐电强度 410

9.3.1.1　与电极开距的关系 410

9.3.1.2　压力效应 411

9.3.1.3　老炼 412

9.3.1.4 电极材料 413

9.3.1.5　电极形状 413

9.3.1.6　真空中固体绝缘的闪络 413

9.4　绝缘液 414

9.4.1　矿物油的耐电强度 415

9.4.1.1　杂质的影响 415

9.4.1.2　油体积效应 419

9.4.1.3　频率效应 420

9.4.1.4　流体静压力效应 421

9.4.1.5　固体绝缘在油中的沿面闪络 421

9.5.1　概况 422

9.5.2　塑料 422

9.5　固体绝缘 422

9.5.2.1　热塑性塑料 423

9.5.2.2　热固性塑料 425

9.5.2.3　合成橡胶 425

9.5.3　浇注环氧树脂 426

9.5.3.1　场强控制 427

9.5.3.2　耐电强度 428

9.5.3.3　机械强度 430

9.5.4　增强塑料 431

9.5.4.1　玻璃纤维增强环氧树脂塑料的电气特性 432

9.5.4.2　玻璃纤维增强环氧树脂的机械特性 432

9.5.5.2　油浸纸（O.I.P.）套管 435

9.5.5.3　环氧树脂纸套管 435

9.5.5　纸绝缘 435

9.5.5.1 合成树脂胶粘纸（S.R.B.P.）套管 435

9.5.5.4　断路器套管内的场强 436

9.5.6　瓷 439

9.5.6.1　一般特性 439

9.5.6.2　设计判据 440

9.5.7　固体绝缘的电劣化 442

9.5.7.1　热老化 442

9.5.7.2　电痕化 442

9.5.7.3　气泡和局部放电 444

9.6　参考文献 445