高压开关电器发展前沿技术

本书是“十三五”国家重点出版物出版规划项目。本书是西安交通大学电气工程学院智能化电器研究团队研发成果的结晶，王建华教授负责本书的总编撰。电力系统的不断发展，对安全、可靠输送电力提出了越来越高的要求。这些要求很多都要通过高压开关来实现。因此高压开关近年来也获得很大发展，主要表现在电压等级、开断容量、智能化、环境友好等。这些发展变化也驱使高压开关不断采用新的前沿技术，许多技术来自于其他领域，远远超出传统开关电器的范畴。本书主要目的就是针对近年来高压开关设备发展的前沿技术进行介绍，为从事这个领域的科技工作者和工程师提供*新的资讯。相信这些技术的发展会成为新一代开关电力设备的重要基础。

本书针对近年来高压开关设备发展的前沿技术进行介绍，为从事这个领域的科技工作者和工程师提供近期新的资讯。本书分为11章，第1章是绪言，概要介绍了高压开关技术发展中的一些热点问题和解决问题的思路，第2~11章分别介绍了开关电器智能化技术、高压直流开断技术、高电压等级真空开断技术、真空断路器容性开断技术、相控合分技术、操动机构可靠性研究、超导技术在开关设备中的应用、高压开关设备中SF6气体替代研究、直流熔断器技术、电力半导体器件电力开关等内容。本书可供高压电器研究、设计人员，电力部门研究、设计和管理人员阅读，也可供高等院校相关专业教师、研究生参考。

王建华，教授，西安交通大学，电力设备电气绝缘国家重点实验室主任。中国电工技术学会常务理事，中国电工技术学会电器智能化系统与应用专委会主任委员，中国电机工程学会智能化电力设备及系统专委会主任委员，国家教育部科学技术委员会科技委员。

前言
第1章绪言1
1.1开关电器的智能化技术1
1.2环境友好型电器3
1.3直流开断技术的新发展4
1.4真空断路器的容性负荷投切和相控开断6
1.5开关电器中的电工新材料和新器件7
1.6开关电器的机构可靠性理论与方法7
第2章开关电器智能化技术9
2.1国内外进展情况9
2.1.1智能电器的主要技术特征9
2.1.2高压开关设备的智能化10
2.1.3新型电流传感技术12
2.1.4混合式电力开断技术14
2.1.5智能电器的主要发展趋势15
2.2电力系统大电流测量理论与技术15
2.2.1电流传感技术的发展现状16
2.2.2磁传感器阵列式电流传感器19
2.2.3基于磁传感器阵列的时域电流测量方法21
2.3基于超声波的液压机构压力测量技术29
2.3.1高压断路器液压机构超声测量方案30
2.3.2液压测量系统的硬件结构34
2.3.3液压测量系统的软件实现38
2.4超高频局部放电检测技术41
2.4.1UHF法理论分析42
2.4.2天线理论基础42
2.4.3UHF天线的结构与尺寸44
2.4.4UHF天线性能参数46
2.4.5天线系数的标定49
2.4.6UHF天线局部放电测试实验50
2.5智能电器控制单元的EMC设计51
2.5.1概述51
2.5.2智能电器控制单元电路板的EMC设计52
2.5.3时域宏模型结合电路仿真的混合设计方法57
2.6暂态电磁干扰对智能电器控制单元的耦合效应分析64
2.6.1概述64
2.6.2暂态电磁干扰通过电子式电流互感器的传导耦合效应研究65
2.6.3外场激励下多芯屏蔽电缆的传输特性研究71
2.7本章小结85
2.8参考文献85
第3章高压直流开断技术87
3.1高压直流断路器发展概述87
3.1.1中国直流输电工程建设87
3.1.2高压直流断路器综述89
3.1.3高压直流断路器的研究难点91
3.2高压直流断路器的发展现状92
3.2.1机械式直流断路器的发展现状92
3.2.2全固态式直流断路器的发展现状94
3.2.3混合式直流断路器的发展现状95
3.2.4限流式直流断路器的发展现状98
3.3高压直流断路器的分类和开断原理101
3.3.1机械式直流断路器开断原理101
3.3.2全固态式直流断路器开断原理104
3.3.3混合式直流断路器开断原理104
3.3.4限流式直流断路器开断原理106
3.4高压直流断路器的关键参数106
3.4.1电流电压定义106
3.4.2时间定义107
3.4.3额定电流开断108
3.4.4高压直流故障108
3.4.5系统稳定性113
3.5高压直流断路器的测试方法114
3.5.1直接测试方法114
3.5.2间接测试方法115
3.6参考文献118
第4章高电压等级真空开断技术123
4.1真空开断技术在高电压等级中的应用123
4.1.1真空开断技术简介123
4.1.2高电压等级真空断路器的发展124
4.2高电压等级真空开断的关键技术125
4.2.1真空灭弧室绝缘耐压特性研究125
4.2.2大电流真空电弧研究133
4.2.3真空断路器温升研究142
4.2.4真空断路器操作特性研究144
4.3高电压等级真空开断技术近期新动态149
4.3.1陶瓷外壳真空灭弧室149
4.3.2额定电流提升技术149
4.3.3SF6替代气体外绝缘151
4.3.4新型操动机构技术151
4.3.5“真空”组合电器153
4.3.6“超导”组合电器153
4.3.7新型高压直流断路器154
4.3.8超特高压真空断路器155
4.4本章小结156
4.5参考文献156
第5章真空断路器容性开断技术165
5.1概述165
5.2容性投切的电路暂态过程166
5.2.1容性合闸过程166
5.2.2容性分闸过程170
5.3真空断路器容性开断研究现状172
5.3.1合闸预击穿过程的研究173
5.3.2分闸重击穿过程的研究174
5.4容性电流开断实验回路177
5.4.1采用LC振荡和变压器方式的容性合成实验回路177
5.4.2采用LC振荡方式的直流恢复电压容性合成实验回路179
5.4.3采用变压器方式的同步容性合成实验回路181
5.5容性电流开断技术研究184
5.5.1涌流控制技术184
5.5.2双断口技术184
5.5.3带固定断口真空断路器技术186
5.5.4触头材料与制备工艺186
5.5.5相控合分闸技术186
5.5.6分合闸速度控制技术187
5.6老炼技术对容性开断性能的改善189
5.6.1真空灭弧室老炼技术概述189
5.6.2纳秒连续脉冲老炼装置及其控制190
5.6.3纳秒连续脉冲老炼效果及分析193
5.6.4纳秒连续脉冲老炼对真空断路器重击穿概率的影响195
5.7本章小结196
5.8参考文献196
第6章相控合分技术201
6.1概述201
6.2相控合分技术的基本原理202
6.2.1并联电容器组的相控合分203
6.2.2并联电抗器的相控合分203
6.2.3空载变压器的相控合分205
6.2.4空载长线的相控合分208
6.2.5短路电流的相控开断209
6.3相控合分技术对电力开关的技术要求211
6.3.1电气性能要求211
6.3.2机械性能要求213
6.3.3相控控制器的性能要求214
6.4适用于相控操作的快速真空断路器216
6.4.1基于电磁斥力操动机构的快速真空断路器216
6.4.2快速真空断路器的机械性能219
6.4.3快速真空断路器的相控开断性能222
6.5基于BP神经网络的短路电流过零点预测算法231
6.5.1BP神经网络232
6.5.2BP神经网络的优缺点及改进方法233
6.5.3神经网络的构建与训练236
6.5.4基于BP神经网络的过零点预测算法优化237
6.6参考文献238
第7章操动机构可靠性研究242
7.1概述242
7.2CIGRE关于运行中高压断路器的可靠性调查243
7.2.1术语和定义243
7.2.2运行中断路器可靠性调查243
7.3国内外高压断路器可靠性研究现状248
7.4断路器可靠性物理和失效物理249
7.4.1金属材料失效机理249
7.4.2冲击载荷作用下金属材料的疲劳断裂251
7.4.3可靠性物理和失效物理（RP/PoF）介绍253
7.5126kV真空断路器操动机构可靠性研究255
7.5.1弹簧操动机构机械可靠性255
7.5.2分离磁路式永磁操动机构机械可靠性258
7.5.3快速斥力机构机械可靠性261
7.6本章小结263
7.7参考文献263
第8章超导技术在开关设备中的应用264
8.1国内外研究现状264
8.1.1超导限流器的国内外研究现状264
8.1.2超导限流器在直流系统中与断路器配合的国内外研究现状267
8.2超导限流直流开断方案研究269
8.2.1限流直流开断的拓扑结构269
8.2.2限流器的理想限流波形270
8.2.3限流器的限流特性270
8.2.4限流器对直流断路器开断的影响276
8.2.5电阻型超导限流器和直流断路器的配合281
8.3直流超导限流器的限流特性282
8.3.1直流超导限流器中超导线圈的绕制设计282
8.3.2直流超导限流器的限流特性测试285
8.410kV超导限流直流断路器的设计和实验287
8.4.110kV超导限流单元设计287
8.4.210kV直流断路器单元设计291
8.4.310kV超导限流直流断路器实验方法293
8.4.410kV超导限流直流断路器实验结果295
8.5本章小结297
8.6参考文献297
第9章高压开关设备中SF6气体替代研究303
9.1引言303
9.2常规气体305
9.3SF6混合气体309
9.4新型环保气体312
9.4.1八氟环丁烷（c-C4F8）312
9.4.2三氟碘甲烷（CF3I）315
9.4.3氟化腈类气体319
9.4.4氟化酮类气体325
9.5干燥空气绝缘+真空开断技术330
9.6本章小结332
9.7参考文献332
第10章直流熔断器技术及应用341
10.1概述341
10.1.1直流熔断器的应用与发展342
10.1.2直流熔断器的国家标准343
10.2当前直流熔断器研究的关键技术344
10.2.1直流熔断器的过载开断特性344
10.2.2混合式熔断器的研究347
10.2.3直流熔断器的实验方法研究351
10.2.4直流熔断器模型的研究354
10.2.5直流熔断器的发展方向355
10.3电动汽车用直流熔断器356
10.3.1概述356
10.3.2电动汽车电气系统组成356
10.3.3电动汽车内直流熔断器类型358
10.3.4电动汽车内直流熔断器的选型359
10.3.5电动汽车用直流熔断器的试验364
10.4光伏用直流熔断器367
10.4.1概述367
10.4.2光伏发电系统的组成与分类367
10.4.3光伏发电系统的保护对象介绍372
10.4.4光伏发电系统内直流熔断器的选型373
10.4.5光伏用直流熔断器的试验378
10.5城市轨道交通用直流熔断器381
10.5.1概述381
10.5.2城市轨道交通供电系统介绍382
10.5.3轨道交通用直流熔断器的选型384
10.6参考文献388
第11章电力半导体器件电力开关390
11.1电力半导体器件390
11.1.1电力半导体器件概述390
11.1.2电力半导体器件的分类及其工作原理391
11.1.3不可控器件——电力二极管392
11.1.4半控型器件——晶闸管393
11.1.5典型全控型器件395
11.1.6宽禁带半导体器件399
11.1.7应用于电力开断的典型电力半导体器件的选择404
11.2电力半导体器件在电力开断中的应用408
11.2.1固态断路器408
11.2.2混合型断路器412
11.3电力半导体器件应用于电力开断所面临的问题及解决方案426
11.3.1电力半导体器件的保护426
11.3.2电力半导体器件的均压均流427
11.3.3电力半导体器件的散热与冷却429
11.4参考文献430