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第1章 弧闪故障危害分析 1

1.1 电弧描述 2

1.1.1 电弧热源 2

1.1.2 开关柜中的弧闪现象 2

1.2 弧闪危害与人身安全 3

1.3 时间运动特性分析 4

1.4 弧闪危害 4

1.5 弧光爆炸 5

1.6 电击危害 8

1.6.1 人体电阻 10

1.7 火灾 12

1.8 弧闪危害分析 13

1.8.1 Ralph Lee和NFPA方程 14

1.8.2 IEEE 1584标准方程 15

1.9 个人防护装备 18

1.10 弧闪危害边界 20

1.10.1 工作距离 21

1.10.2 有关弧闪的标记数据 21

1.11 弧闪最大持续时间与弧闪边界 22

1.11.1 开关柜门闭合状态下的弧闪危害 23

1.12 内部弧闪故障的原因 24

1.13 弧闪危害的计算步骤 24

1.13.1 NFPA表130.7（C）（15）（a） 25

1.14 计算举例 27

1.15 降低弧闪危害 30

复习题 31

参考文献 31

第2章 有效设计实现弧闪危害防治 34

2.1 电气标准与技术规范 35

2.2 通过有效设计提高防护水平 36

2.3 现存规范、规则与标准的局限性 37

2.4 电气危害 37

2.5 正在变化的安全性理念 40

2.6 关键安保供电系统风险分析 41

2.6.1 现有系统 41

2.6.2 新设备 41

2.7 可靠性分析 42

2.7.1 可靠性评价数据 43

2.7.2 评价方法 44

2.7.3 可靠性和安全性 44

2.8 维护和操作 45

2.8.1 维护策略 45

2.8.2 以可靠性为中心的维护（RCM） 46

2.9 安全完整性等级和安全装备系统 46

复习题 47

参考文献 48

第3章 IEEE 1584标准中有关弧闪计算的规定 51

3.1 弧闪电流变化特性 51

3.2 电极间隙长度 52

3.3 弧闪能量的变化特性 54

3.4 IEEE方程中的不足之处 55

3.5 Lee的电弧模型 56

3.6 IEEE实验模型的建立 58

3.7 电弧烧伤危害 59

3.8 绝缘挡板的作用 62

3.8.1 无挡板的情况 62

3.8.2 有挡板的情况 63

3.9 弧闪试验模型 64

3.10 其他备选方程 66

3.11 后续试验与研究方向 67

3.12 基于IEEE 1584标准的PPE计算效力 67

复习题 68

参考文献 68

第4章 弧闪危害及系统接地 70

4.1 系统和设备接地 70

4.1.1 直接接地系统 70

4.2 低阻接地系统 74

4.3 高阻接地系统 74

4.3.1 故障检测、报警及隔离 76

4.4 不接地系统 80

4.5 经电抗接地系统 80

4.6 谐振接地系统 81

4.7 三角形接地系统 81

4.8 避雷器 82

4.9 人造中性点 82

4.10 多点接地系统 85

4.10.1 不同接地系统的比较 85

4.11 直接接地系统的弧闪危害分析 87

4.12 直接接地系统的保护与配合 88

4.12.1 自熄灭接地故障 91

4.12.2 低压直接接地系统保护配合的改进 93

4.13 经低阻接地中压系统的接地故障保护配合 96

4.13.1 远方跳闸 99

4.13.2 工业用母线直联发电机的接地故障保护 99

4.13.3 方向接地故障继电器 103

4.14 对接地电阻器的监测 104

4.15 接地系统的选择 105

复习题 106

参考文献 107

第5章 基于ANSI/IEEE标准的弧闪短路计算 109

5.1 计算类型 109

5.1.1 短路计算 109

5.1.2 弧闪计算中的短路电流计算 110

5.2 高压断路器的标准结构 110

5.3 低压电动机 113

5.4 旋转电机模型 113

5.5 计算方法 114

5.5.1 简化方法X/R ≤17 114

5.5.2 简化方法X/R＞17 114

5.5.3 针对交、直流衰减分量调整的E/Z方法 114

5.6 网络简化 117

5.7 计算过程 117

5.7.1 分析计算过程 118

5.8 电容器和静态变流器的短路电流贡献 119

5.9 典型计算机计算结果 120

5.9.1 首个周期或暂态容量计算 121

5.9.2 开断容量计算 122

5.9.3 低压断路器开断容量计算 122

5.10 计算案例 123

5.10.1 短路容量计算 127

5.10.2 K额定容量15kV断路器 130

5.10.3 4.16kV断路器和电动机起动器 132

5.10.4 变压器主开关及熔断开关 134

5.10.5 低压断路器 134

5.11 30周期的短路电流 136

5.12 不对称性短路电流 137

5.12.1 单相接地故障 137

5.12.2 两相接地故障 139

5.12.3 相间短路故障 141

5.13 计算方法 145

5.13.1 单相接地故障 145

5.13.2 两相短路故障 145

5.13.3 两相接地故障 146

复习题 148

参考文献 149

第6章 弧闪中衰减短路电流计算 150

6.1 无源元件的短路 150

6.2 无交流衰减的系统 152

6.3 同步电机电抗 153

6.3.1 漏电抗 153

6.3.2 次暂态电抗 154

6.3.3 暂态电抗 154

6.3.4 同步电抗 154

6.3.5 交轴电抗 154

6.3.6 负序电抗 154

6.3.7 零序电抗 155

6.4 电抗的饱和 155

6.5 同步电机的时间常数 155

6.5.1 开路时间常数 155

6.5.2 次暂态短路时间常数 155

6.5.3 暂态短路时间常数 155

6.5.4 电枢时间常数 155

6.6 终端短路时的同步电机特性 155

6.6.1 故障时的等效电路 156

6.6.2 故障衰减曲线 159

6.7 同步电动机和调相机的短路故障 162

6.8 异步电动机的短路故障 163

6.9 使用衰减短路电流进行弧闪计算的新算法 165

6.9.1 可用的商业计算软件 166

6.9.2 多短路电源的输出能量累加 166

6.9.3 对比计算 167

复习题 170

参考文献 171

第7章 继电保护 172

7.1 考虑弧闪的保护配合 172

7.2 继电器分类 175

7.3 保护系统的设计标准 175

7.3.1 选择性 176

7.3.2 快速性 176

7.3.3 可靠性 176

7.3.4 后备保护 176

7.4 过电流保护 177

7.4.1 过电流继电器 177

7.4.2 多功能过电流继电器 180

7.4.3 IEC曲线 181

7.5 低压断路器 186

7.5.1 塑壳断路器 186

7.5.2 限流型MCCB 186

7.5.3 绝缘壳式断路器 189

7.5.4 低压功率型断路器 191

7.5.5 LVPCB可编程断路器的短时分段特性 192

7.6 低压断路器的短路容量 194

7.6.1 单相开断容量 196

7.6.2 短时容量 197

7.7 串联容量 197

7.8 熔断器 199

7.8.1 限流型熔断器 199

7.8.2 低压熔断器 201

7.8.3 高压熔断器 201

7.8.4 电子式熔断器 202

7.8.5 开断容量 203

7.9 合理应用熔断器降低弧闪危害 204

7.9.1 低压电动机起动器 204

7.9.2 中压电动机起动器 204

7.9.3 低压开关柜 205

7.10 导体保护 209

7.10.1 导体的载流能力 210

7.10.2 导体终端 211

7.10.3 考虑电压跌落 211

7.10.4 考虑短路的情况 211

7.10.5 导体的过电流保护 213

7.11 电动机保护 213

7.11.1 电动机热限制曲线配合 215

7.12 发电机保护51V 222

7.12.1 考虑弧闪情况 224

复习题 225

参考文献 225

第8章 单元保护系统 227

8.1 保护区重叠 228

8.2 用于减少弧闪的差动系统的重要性 231

8.3 母线差动保护方案 232

8.3.1 电流差动保护 232

8.3.2 不完全差动保护方案 233

8.3.3 比率制动差动继电器 233

8.4 高阻差动继电器 236

8.4.1 区内故障灵敏度 238

8.4.2 微机型多功能高阻继电器 239

8.5 低阻电流差动继电器 239

8.5.1 电流互感器饱和 241

8.5.2 与高阻继电器的比较 243

8.6 电磁式变压器差动继电器 243

8.6.1 谐波制动 246

8.7 微机型变压器差动继电器 246

8.7.1 电流互感器接线方式和相位补偿 247

8.7.2 电流互感器动态电流比校正 249

8.7.3 变压器励磁电流安全性 250

8.8 导引线保护 251

8.9 现代线路电流差动保护 253

8.9.1 alpha平面 253

8.9.2 改进的电流差动特性 255

8.10 利用差动继电器降低弧闪危害示例 256

复习题 259

参考文献 259

第9章 弧闪故障检测继电器 260

9.1 动作机理 260

9.2 光照强度 261

9.3 光敏传感器类型 262

9.4 其他的硬件部件 266

9.5 选择性跳闸 267

9.6 电流元件的监控 268

9.7 应用检测 270

9.7.1 中压系统 270

9.7.2 低压断路器 270

9.7.3 传感器自检 270

9.8 计算算例 271

9.9 低压系统的ARC VaultTM保护 272

9.9.1 检测系统 274

复习题 276

参考文献 277

第10章 过电流保护配合 278

10.1 相关标准和技术要求 278

10.2 保护定值配合所需要的数据 279

10.3 微机保护定值配合 280

10.4 初步分析 280

10.5 时限配合 280

10.5.1 继电器动作延时值 281

10.6 配合需要注意的基本事项 281

10.6.1 时间-电流曲线在拐点处的整定 283

10.7 瞬时性整定配合 283

10.7.1 两个串联限流熔断器的选择性配合 284

10.7.2 不限流断路器下游限流熔断器的选择性 284

10.7.3 串联限流装置的选择性 290

10.8 NEC对选择性的要求 292

10.8.1 具备完全选择性的系统 292

10.8.2 设备容量及跳闸装置的选择 294

10.9 能量边界曲线 298

10.10 妥协配合的艺术 303

复习题 309

参考文献 309

第11章 变压器保护 310

11.1 NEC的相关规定 310

11.2 考虑弧闪的影响 311

11.3 与变压器相连的其他系统部件 312

11.3.1 母线负荷自动切换 316

11.4 故障电流承受能力 316

11.4.1 类别Ⅰ 317

11.4.2 类别Ⅱ 317

11.4.3 类型Ⅲ和Ⅳ 319

11.4.4 变压器预期生命周期内的故障情况 320

11.4.5 干式变压器 320

11.5 故障穿越电流曲线分析 322

11.5.1 考虑穿越故障电流曲线的保护 324

11.6 变压器高压侧熔断器保护 324

11.6.1 熔断特性的变化 324

11.6.2 断相和铁磁谐振 324

11.6.3 熔断器保护的其他注意事项 325

11.7 用于变压器高压侧保护的过电流继电器 327

11.8 产品上市要求 329

11.9 变压器绕组联结方式的影响 332

11.10 接地保护要求 333

11.11 穿越故障保护 333

11.11.1 高压侧熔断器保护 333

11.11.2 高压侧继电器保护 334

11.12 变压器整组保护 334

11.13 减少弧闪的实用化研究 335

11.13.1 系统拓扑结构 335

11.13.2 整定配合研究和观察 337

11.13.3 弧闪计算：高危害风险类别（HRC）等级 339

11.13.4 配备低压侧主断路器减少危害风险等级 340

11.13.5 低压跳闸编程器的维护模式切换 343

11.13.6 配置低压侧继电器 346

复习题 347

参考文献 348

第12章 电流互感器 349

12.1 电流互感器精度分类 349

12.1.1 测量用电流互感器精度 349

12.1.2 保护用电流互感器精度 350

12.1.3 保护用X级电流互感器 351

12.1.4 保护用T级电流互感器 351

12.2 电流互感器的结构特征 352

12.3 二次侧额定端电压 353

12.3.1 饱和电压 353

12.3.2 饱和系数 353

12.4 电流互感器电流比及相位误差 354

12.5 电流互感器电流比及C级精度的相互关系 356

12.6 仪用互感器的极性 358

12.7 应用注意事项 359

12.7.1 电流互感器电流比选择 359

12.7.2 绘制电流互感器接线图 360

12.7.3 电流互感器的负载 360

12.7.4 短路电流及不对称性 360

12.7.5 计算稳态性能 361

12.7.6 计算稳态误差 361

12.8 电流互感器的串、并联 364

12.9 电流互感器的暂态性能 365

12.9.1 电流互感器饱和计算 366

12.9.2 剩磁效应 367

12.10 应用实例 367

12.11 适用于低电阻接地中压系统的电流互感器 369

12.12 未来的发展方向 369

复习题 371

参考文献 372

第13章 耐电弧设备 373

13.1 耐电弧设备中的弧闪危害计算 373

13.1.1 电弧故障的发生概率 373

13.2 IEEE技术导则规定 374

13.3 规定的类型 375

13.3.1 类型1 375

13.3.2 类型2 375

13.3.3 下标B 375

13.3.4 下标C 375

13.3.5 下标D 376

13.4 IEC规定的类型 376

13.5 耐电弧水平 377

13.5.1 持续时间水平 377

13.5.2 设备可承受参数水平 377

13.5.3 连接电缆的影响 380

13.6 基于IEEE技术导则的试验 380

13.6.1 原则1 381

13.6.2 原则2 381

13.6.3 原则3 381

13.6.4 原则4 381

13.6.5 原则5 381

13.6.6 维护要求 382

13.7 压力释放 382

13.8 排气和通风系统 384

13.8.1 排放到周围区域 384

13.8.2 通风系统 385

13.9 电缆接口 387

复习题 387

参考文献 388

第14章 最近的趋势和创新 389

14.1 弧闪危害的统计数据 389

14.2 选择性区域联锁 390

14.2.1 低压ZSl系统 391

14.2.2 中压系统中的区域联锁 396

14.3 微机型低压开关 398

14.3.1 微机型开关柜 398

14.3.2 考虑电动机的短路贡献 399

14.3.3 电源侧故障 401

14.3.4 降低弧闪危害 402

14.4 低压电动机控制中心 402

14.4.1 期望的MCC设计特点 403

14.4.2 最新的设计改进 403

14.4.3 高短路电流耐受MCC 409

14.5 维护模式开关 409

14.6 红外线窗口和观察镜 410

14.7 故障限流器 413

14.8 局部放电检测 417

14.8.1 在线式与离线式检测 418

14.8.2 故障点检查方法 418

14.8.3 电流信号分析：旋转机械部件 419

14.8.4 介质损耗角上升 420

复习题 421

参考文献 422

第15章 直流系统弧闪危害计算 424

15.1 直流系统短路电流计算 424

15.2 直流短路电流源 425

15.3 IEC计算过程 427

15.4 铅酸蓄电池短路 428

15.5 直流电动机和发电机短路 433

15.6 整流器的短路电流 436

15.7 电容器短路 439

15.8 总短路电流 440

15.9 直流断路器和熔断器 441

15.9.1 直流断路器 441

15.9.2 直流熔断器 443

15.10 直流系统中的电弧 443

15.11 直流系统中弧闪能量的计算公式 448

15.12 半导体设备保护 450

15.12.1 可控变流器 451

复习题 452

参考文献 453

第16章 以太网及IEC 61850通信的应用 454

16.1 IEC 61850协议 455

16.2 现代化IED 456

16.3 变电站网络结构 457

16.4 IEC 61850通信结构 457

16.5 逻辑节点 458

16.6 以太网连接 460

16.7 网络介质 462

16.7.1 屏蔽或非屏蔽铜质双绞线 462

16.7.2 光纤 463

16.8 通信网络拓扑 464

16.8.1 GOOSE优先信息 466

16.8.2 技术经济性分析 466

16.9 弧闪继电器的应用及通信 466

复习题 468

参考文献 468