输电等级单断口真空断路器理论及其技术

真空断路器技术由于其自身独特的优点，是取代SF6断路器技术的重要选项。如何提高单断口灭弧室的电压等级，使得真空开关用于输电等级一直是世界范围内广泛关注的问题。本书内容共分10章，分别介绍了长触头间隙真空绝缘特性、大开距真空电弧的控制和熄灭方法、弧后介质恢复和击穿过程、机构关合过程和分断过程的控制、灭弧室设计、机构设计、纳秒脉冲老炼技术等发展输电等级真空开关所遇到的核心问题，也对进一步发展高电压等级真空断路器提出了自己的见解和预测。    本书可以为真空开断技术研究人员提供参考，也可以作为相关学科研究生的教学参考书籍。

前言
第1章绪论
1.1真空断路器发展简介
1.2输电等级真空断路器的发展
1.2.1国外输电等级真空断路器的发展
1.2.2国内输电等级真空断路器的发展
1.3发展输电等级单断口真空断路器所面临的技术挑战
第2章长触头间隙真空绝缘特性
2.1概述
2.2真空间隙击穿的基本理论
2.2.1场致发射击穿
2.2.2微粒击穿
2.3实验研究的基本装置
2.4真空灭弧室长真空间隙的工频绝缘特性
2.4.1实验数据
2.4.2工频击穿场强分析
2.5长真空间隙雷电冲击绝缘特性
2.5.1触头有效面积的影响
2.5.2触头表面粗糙度和直径的影响
2.5.3开关操作的影响
2.6长真空间隙击穿模型
2.6.1均匀场击穿模型
2.6.2非均匀场击穿模型
2.7总结分析
第3章大开距真空电弧的阳极燃弧模式及控制
3.1真空电弧的阳极过程
3.2阳极模式图的实验观察与研究
3.2.1实验概述
3.2.2实验结果及分析
3.2.3实验获得的阳极模式分布图
3.3影响阳极斑点临界电流的主要因素
3.3.1触头材料的影响
3.3.2触头立体角的影响
3.3.3纵向磁场对阳极斑点形成的影响
3.4阳极斑点对电流过零后电极表面温度的影响
3.4.1实验概述
3.4.2电流过零后阳极表面温度
3.4.3阳极斑点对电流过零后阳极表面温度衰减的影响
3.5阳极燃弧模式的控制
3.5.1根据阳极燃弧模式图优化分闸特性的方法
3.5.2分闸相位对分闸曲线的影响
3.5.3纵向磁场的影响
3.5.4126kV真空断路器分闸特性与开断性能的关系
第4章输电等级真空灭弧室的设计
4.1真空灭弧室基本结构
4.2绝缘结构设计
4.3触头结构设计
4.3.1纵向磁场线圈结构
4.3.2纵向磁场杯状结构
4.3.3纵向磁场马蹄铁结构
4.3.4横向磁场螺旋线结构
4.3.5横向磁场杯状结构
4.4触头材料的选择
4.5发热分析与设计
4.6波纹管与套管
第5章真空间隙弧后介质恢复过程理论研究
5.1概述
5.1.1残余等离子体
5.1.2金属液滴
5.1.3金属蒸气
5.1.4触头表面状态
5.2真空灭弧室弧后中性金属蒸气密度的理论计算与分析
5.2.1阳极表面温度计算
5.2.2阳极表面金属蒸气蒸发计算
5.3真空灭弧室弧后鞘层仿真计算
5.3.1电势分布及粒子分布随时间的变化
5.3.2粒子密度对弧后鞘层的影响
5.3.3粒子初始热运动情况对弧后鞘层的影响
5.3.4瞬态恢复电压上升率对弧后鞘层的影响
5.3.5不同开距下的弧后鞘层的发展过程
5.3.6电子、离子能量分布的仿真结果
5.4真空灭弧室弧后介质恢复过程的实验对比
5.4.1小电流时的弧后介质恢复特性
5.4.2大电流时弧后介质恢复特性
5.4.3计算结果与实验结果的对比
5.5真空灭弧室弧后金属蒸气的击穿
5.6关于真空灭弧室弧后击穿的讨论
5.7PIC-MCC方法介绍
5.7.1PIC方法
5.7.2MCC方法
5.7.3PIC-MCC方法的计算流程
第6章输电等级真空断路器的关合过程及其优化控制
6.1输电等级真空断路器合闸速度的优化
6.1.1触头间的动熔焊特性
6.1.2减轻输电等级真空断路器动熔焊效应的合闸速度优化理论
6.2输电等级真空断路器触头预击穿开距与弹跳的实验测量
6.2.1预击穿实验
6.2.2空载关合弹跳特性实验
6.3126kV真空断路器合闸速度的优化
6.4关于合闸过程优化设计的分析
6.4.1预击穿距离的分散性与优化合闸速度
6.4.2126kV真空断路器同步关合的合闸速度
6.4.3合闸速度对触头冲击力的影响
6.4.4关合电流对预击穿和弹跳燃弧时间的影响
第7章输电等级真空断路器操动机构的设计方法
7.1真空断路器操动机构概述
7.2弹簧操动机构的分闸系统设计方法
7.2.1弹簧操动机构分闸系统
7.2.2油缓冲器的结构与设计方法
7.2.3根据特定分闸速度曲线设计缓冲器的方法
7.3弹簧操动机构的合闸系统设计方法
7.3.1弹簧操动机构合闸系统
7.3.2通过合闸特性曲线得到凸轮传动比的方法
7.3.3凸轮廓线的计算与设计
7.4永磁操动机构的设计方法
7.4.1新型分离磁路式永磁操动机构
7.4.2永磁操动机构特性计算与设计
7.4.3126kV分离磁路式永磁机构的设计
7.5永磁操动机构的控制
7.5.1双线圈变电流控制方法
7.5.2永磁操动机构时间分散性分析
第8章真空灭弧室的纳秒连续脉冲老炼技术
8.1纳秒连续脉冲老炼
8.1.1纳秒连续脉冲老炼装置
8.1.2纳秒连续脉冲老炼装置的控制和运行
8.2纳秒连续脉冲老炼对真空灭弧室特性的影响
8.2.1触头表面状态分析
8.2.2耐压水平实验结果
8.2.3对真空断路器击穿特性的影响效果
第9章126kV单断口真空断路器试验研究
9.1研究性试验主要设备
9.1.1126kV合成回路
9.1.2126kV可拆式真空灭弧室
9.2耐压试验
9.2.1短时工频耐压试验
9.2.2标准雷电冲击耐压试验
9.3温升试验
9.4机械特性试验
9.4.1机械特性试验目的
9.4.2机械操作试验
9.4.3机械寿命试验
9.5开断试验
9.5.1出线端故障试验
9.5.2失步故障试验
9.5.3异相接地故障试验
9.5.4近区故障试验
第10章输电等级真空开断技术发展展望
10.1陶瓷外壳真空灭弧室
10.2额定电流提升技术
10.3采用环境友好型绝缘气体实现外绝缘
10.4新型操动机构
10.5“真空开关”组合电器
10.6液氮绝缘“超导”组合电器
10.7基于真空断路器的新型高压直流断路器
10.8252kV真空灭弧室研究与开发
10.9真空断路器同步控制技术
10.10超特高压真空断路器
参考文献
后记

前   言    真空开关因其优异而独特的性能，在电力系统中获得了广泛的应用。随着触头材料、真空工艺技术的进步，经历数十年的发展，结合工业和经济社会的发展需求，其不断拓展着应用范围。在过去数十年的发展过程中，在中压领域，真空断路器逐步占据了主导地位。据统计，2015年在中压领域真空断路器的市场占有率已经超过90%。而在高电压等级则仍然是SF6气体开关占据主导地位，这主要是因为仍然没有成熟的替代技术可以取代它。然而，SF6气体的温室效应问题是制约其使用的核心。SF6气体是一种强温室气体，其碳排放等效系数为23900，而且半衰期长达3200年，是国际公约中限制使用的六种气体之一。当前许多发达国家出台了各种控制使用SF6气体的法规，澳大利亚政府在2012年开始对SF6气体征收的碳排放税高达57万美元/t。    真空断路器技术由于其自身独特的优点，是取代SF6断路器技术的重要选项。如何提高单断口灭弧室的电压等级，使得真空开关用于输电等级一直是世界范围内广泛关注的问题。当前，在可持续发展理念深入人心，环境友好成为越来越重要的诉求条件下，发展环境友好的输电等级真空开关，替代SF6气体应用成为一种重要的趋势。    西安交通大学长期以来致力于真空开关技术的研究，并且在近十余年来把发展高电压等级真空开关技术作为主攻方向，取得了一系列成果。本书整理总结了西安交通大学真空电器研究课题组近年来在输电等级真空开断技术方面的研究成果。本课题组是由我国著名电器专家王季梅教授一手创建的，数十年来一直持续进行真空开断技术方面的研究，他主导了课题组的主要研究方向。本课题组的耿英三教授、刘志远教授、闫静博士、王振兴博士、孙丽琼博士等的研究工作都为本书内容做出了贡献。本书整理归纳了近年来本课题组相关博士学位论文的内容，它们涉及如下博士研究生的博士论文：孔国威、张颖瑶、余砾、杨和、王振兴、姚晓飞等。博士生马慧等也参与了部分章节的撰写工作。因此本书是许多老师、同学长期工作的智慧结晶，没有他们的努力，本书是不可能完成的。 本书主要介绍了输电等级真空断路器国内外发展概况、长触头间隙真空绝缘特性、大开距真空电弧的控制和熄灭方法、弧后介质恢复和击穿过程、机构关合过程和分断过程的控制、灭弧室设计、机构设计、纳秒脉冲老炼技术等发展输电等级真空开关所遇到的核心问题，也对进一步发展高电压等级真空断路器提出了自己的见解和预测。本书可以为真空开断技术研究人员提供参考，也可以作为相关学科研究生的教学参考书籍。    本书的内容为本课题组的研究成果，为了使读者可以更充分地了解相关的研究内容，本书的参考文献除了提供了主要的参考资料，还整理列出了本课题组在相关研究中在中、外期刊上发表的主要论文，以及所申请的国家发明专利。    由于高电压等级真空开断技术仍然处于继续发展的阶段，许多新的研究成果也在不断出现，技术不断取得突破，所以本书内容一定会存在许多落后于实际发展或者疏漏和错误的地方，欢迎各位读者提出批评指导。如果本书的出版能够对促进真空开断技术的发展起到促进作用，我们将感到十分欣慰。    西安交通大学电气工程学院教授    电力设备电器绝缘国家重点实验室主任    王建华    2016年8月