第1章 开关装置简介 1
1.1 开关装置的用途 2
1.2 开关装置的定义 3
1.2.1 隔离开关 3
1.2.2 接地开关 3
1.2.3 快速接地开关 4
1.2.4 负荷开关 4
1.2.5 合闸开关 4
1.2.6 接触器 4
1.2.7 熔断器 4
1.2.8 火花间隙 5
1.2.9 避雷器 5
1.2.10 故障电流限制器 5
1.2.11 起动器 5
1.2.12 开关稳定器 5
1.2.13 继电器 6
1.2.14 断路器 6
1.2.15 隔离断路器 6
第2章 气体中的电弧 7
2.1 电弧的基本过程和物理特性 8
2.1.1 金属表面电子发射机理 11
2.1.2 电弧中的载流子 13
2.1.3 触头上的能量平衡 14
2.1.4 触头侵蚀机理 15
2.1.5 触头侵蚀研究的实验结果 17
2.1.6 触头材料的分类 22
2.1.6.1 高导电率金属与合金 22
2.1.6.2 抗化学腐蚀的金属与合金 24
2.1.6.3 难熔金属 24
2.1.6.4 烧结材料 25
2.1.7 触头材料的特性 25
2.2 直流电弧 28
2.2.1 气体放电的伏安特性 28
2.2.2 直流电弧的熄灭 30
2.3 交流电弧 33
2.3.1 交流电弧的伏安特性 33
2.3.2 热击穿和电击穿区域 34
2.3.3 电弧电导率、功率与弧柱中的能量消耗 36
第3章 电弧建模 37
3.1 P-T（黑盒）电弧模型 38
3.1.1 Mayr与Cassie方程 39
3.1.2 动态电弧方程的普遍形式 41
3.1.3 电弧模型和相关参数概况 41
3.1.4 P-T电弧模型的实际应用 46
3.1.5 电弧参数的求取 48
3.1.6 数值处理 50
3.1.7 有效性检验 52
3.1.8 电流零区测量 53
3.1.8.1 电流测量 53
3.1.8.2 电压测量 56
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 56
3.1.8.4 电流测量系统的性能 56
3.2 电弧物理模型 59
3.2.1 电弧物理模型的通用方程组 60
3.2.2 具有焓流的简化电弧物理模型 63
3.2.2.1 附加假定条件 63
3.2.2.2 方程组 63
3.2.2.3 SF6等离子体的热力学特性 66
3.2.2.4 电弧电流的时间关系式 66
3.2.2.5 横截面和电弧电压的确定 66
3.2.2.6 沿电弧轴线压力分布的确定 67
3.2.2.7 静止和稳定气流条件下的SF6气体状态方程 71
3.2.2.8 SF6气体热力学特性的计算表达式 73
3.3 高压SF6断路器操作的计算机仿真 74
3.3.1 计算机仿真程序 74
3.3.2 特征量 76
3.3.3 熄弧窗口 76
3.4 电弧建模的其他工具 77
3.4.1 电弧直径和电弧温度 78
3.4.2 气体和真空中的电弧电压 78
3.4.3 冷态电压特性 81
3.4.4 极限曲线 84
3.4.5 截流系数 87
3.4.6 断路器的电寿命 89
第4章 真空电弧 97
4.1 真空电弧简介 98
4.1.1 阴极和阳极鞘层 98
4.1.2 扩散型与集聚型真空电弧 100
4.1.2.1 扩散型电弧 101
4.1.2.2 集聚型电弧 103
4.2 通过磁场控制真空电弧 104
4.2.1 横向磁场原理 104
4.2.2 纵向磁场原理 106
第5章 灭弧介质 110
5.1 空气 113
5.1.1 在空气中拉长灭弧 114
5.1.2 磁吹灭弧 117
5.1.3 压缩空气灭弧 120
5.2 矿物油 121
5.2.1 多油断路器的灭弧 122
5.2.2 少油断路器的灭弧 125
5.3 六氟化硫（SF6） 126
5.3.1 物理特性 127
5.3.2 SF6分解物 130
5.3.3 SF6对环境的影响 134
5.5.3.1 臭氧损耗 134
5.5.3.2 温室效应 135
5.5.3.3 生态病理学和对健康的潜在影响 138
5.3.4 SF6替代物 139
5.4 SF6/N2混合气体 141
5.5 真空 143
5.5.1 保持高真空 147
5.5.2 更高电压等级下真空的应用 148
5.5.3 真空中的触头材料 149
第6章 开合方式与暂态过程 153
6.1 负载类型 154
6.1.1 阻性负载 155
6.1.2 容性负载 155
6.1.3 感性负载 156
6.1.3.1 大电感电流：短路 157
6.1.3.2 小电感电流 158
6.2 短路电流 159
6.2.1 短路电流与电压之间的关系 160
6.2.2 直流分量百分数 161
6.2.3 非对称电流的有效值和峰值 163
6.3 瞬态恢复电压（TRV） 165
6.3.1 TRV的定义 165
6.3.2 单频瞬态恢复电压波形 166
6.3.3 双频瞬态恢复电压波形 167
6.3.4 瞬态恢复电压的两参数包络线 168
6.3.5 瞬态恢复电压的四参数包络线 170
6.3.6 分布参数电路中的瞬态恢复电压 170
6.3.7 IEEE/ANSI规定的瞬态恢复电压波形 173
6.3.8 三相电网中的瞬态恢复电压 174
6.3.9 首开极系数 177
6.3.10 近区故障的瞬态恢复电压 178
6.3.11 起始瞬态恢复电压（ITRV） 184
6.3.12 瞬态恢复电压、起始瞬态恢复电压和近区故障 185
6.3.13 失步条件下的瞬态恢复电压 187
6.3.14 短路电流非对称性对瞬态恢复电压的影响 190
6.3.15 电弧电压对瞬态恢复电压的影响 193
6.3.16 截流对瞬态恢复电压的影响 193
6.3.17 弧后电流对瞬态恢复电压的影响 194
6.3.18 阻尼对瞬态恢复电压的影响 194
6.4 电容电流开合过程中的暂态现象 195
6.4.1 电容电路 195
6.4.2 成功的电容电流开断的实例 196
6.4.3 重击穿情况下电容电流开断的实例 197
6.4.4 连续重击穿引起的电压级升 199
6.4.5 小电容电流的截流 199
6.4.6 断路器特性对电容电流开合的影响 200
6.4.7 负载和电源侧阻抗的影响 202
6.4.8 三相电路中的电容电流开断 203
6.4.9 电容器组的关合 205
6.4.10 架空线的关合与重合闸 207
6.5 小电感电流开合过程中的暂态现象 209
6.5.1 小电感电流的截流 209
6.5.2 空载变压器的开合 210
6.5.3 并联电抗器的开合 212
6.5.4 复燃现象 214
6.5.5 并联电抗器开合过程中的过电压 216
6.5.6 虚拟截流 218
6.6 非标准开合方式 220
6.6.1 变压器和串联电抗器限制故障 220
6.6.1.1 变压器限制故障 220
6.6.1.2 串联电抗器限制故障 222
6.6.2 无电流零点的短路电流 224
6.6.3 发展性故障——感性工况 226
6.6.4 发展性故障——容性工况 227
6.6.5 短路电流的并联开断 228
6.7 过电压的防护方法 230
6.7.1 合闸电阻及其作用 232
6.7.2 避雷器 233
6.7.2.1 阀式避雷器 234
6.7.2.2 金属氧化物避雷器 235
第7章 断路器的工作原理与设计 238
7.1 断路器的要求 239
7.2 断路器的分类 240
7.2.1 油断路器 245
7.2.2 空气断路器 248
7.2.3 SF6断路器 250
7.2.3.1 双压力式SF6断路器 252
7.2.3.2 单压力（压气）式SF6断路器 252
7.2.3.3 自能单压力式SF6断路器 258
7.2.3.4 双动原理 262
7.2.3.5 倍速原理 267
7.2.3.6 旋弧式SF6断路器 269
7.2.4 真空断路器 269
7.3 操动机构 274
7.3.1 气动操动机构 276
7.3.2 液压操动机构 277
7.3.3 弹簧操动机构 279
7.3.4 电磁驱动机构 281
7.3.5 电动机驱动机构 282
7.4 断路器的维修和状态监测 283
7.4.1 监测参数的选择 285
7.4.2 监测特性的解释 287
第8章 选相开合 290
8.1 选相开合的原理 291
8.1.1 选相分闸 292
8.1.2 选相合闸 293
8.2 对断路器的功能要求 294
8.2.1 机械特性 294
8.2.2 电气特性 295
8.3 选相开合的实际应用 296
8.3.1 并联电容器组的选相开合 297
8.3.2 空载架空线的选相开合 298
8.3.3 并联电抗器的选相开合 300
8.3.4 空载变压器的选相开合 302
8.4 可靠性问题 305
8.5 优势与经济因素 307
第9章 短路与开合试验 310
9.1 大容量实验室 311
9.2 直接与间接试验 313
9.2.1 三相直接试验 314
9.2.2 单相直接试验 315
9.3 合成试验 318
9.3.1 开断过程的几个阶段 319
9.3.2 关合过程的几个阶段 320
9.3.3 合成试验方法的类型 322
9.3.3.1 电流引入法 322
9.3.3.2 电压引入法 325
9.3.3.3 三相合成试验方法 326
9.3.3.4 对特高压断路器进行试验的合成回路 327
9.3.4 延弧回路 330
9.3.5 电流回路的电压 331
9.4 短路和开合试验的实例 331
9.4.1 试验文件中包括的信息 334
9.4.2 短时耐受电流和峰值耐受电流试验 334
9.4.3 出线端故障试验 337
9.4.3.1 试验方式T10 338
9.4.3.2 试验方式T30 340
9.4.3.3 试验方式T60 344
9.4.3.4 试验方式T100s 347
9.4.3.5 试验方式T100a 360
9.4.4 临界电流试验方式 367
9.4.5 单相和异相接地故障试验 368
9.4.6 近区故障试验 370
9.4.6.1 试验方式L90 371
9.4.6.2 试验方式L75 380
9.4.6.3 试验方式L60 381
9.4.7 失步试验 383
9.4.7.1 试验方式OP1 384
9.4.7.2 试验方式OP2 384
9.4.8 容性电流开合试验 391
9.4.8.1 线路充电电流开合试验 393
9.4.8.2 电缆充电电流开合试验 394
9.4.8.3 电容器组电流开合试验 398
9.4.9 感性负载开合试验 400
9.4.10 电寿命试验 408
9.4.11 试验后的状态评估 412
9.4.11.1 空载操作 412
9.4.11.2 检查 413
第10章 高压断路器的选型 415
10.1 额定特性的选择 416
10.1.1 额定电压 417
10.1.2 额定绝缘水平 418
10.1.3 额定频率 420
10.1.4 额定电流 421
10.1.5 额定短时耐受电流 424
10.1.6 额定峰值耐受电流 424
10.1.7 额定短路持续时间 424
10.1.8 额定短路关合电流 425
10.1.9 额定短路开断电流 425
10.1.10 与额定短路开断电流相关的瞬态恢复电压 427
10.1.11 近区故障的额定特性 431
10.1.12 失步的额定特性 431
10.1.13 额定操作顺序 432
10.1.14 额定时间参量 432
10.1.15 辅助和控制回路的额定电源电压和频率 434
10.1.16 机械寿命（M1和M2级） 434
10.1.17 重击穿性能和容性电流开合额定值（C1和C2级） 435
10.1.18 感性负载电流开合额定值 436
10.1.19 电寿命（E1和E2级） 437
10.2 使用条件的选择 438
10.2.1 正常使用条件 438
10.2.1.1 户内装置的正常使用条件 438
10.2.1.2 户外装置的正常使用条件 439
10.2.2 特殊使用条件 440
10.2.2.1 海拔 440
10.2.2.2 污秽 441
10.2.2.3 环境温度 442
10.2.2.4 空气湿度 442
10.2.2.5 覆冰 443
10.2.2.6 风速 443
10.2.2.7 地震 443
10.3 断路器类型的选择 444
参考文献 446
结束语 464
缩略语表 467