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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 ≤17114

5.5.2 简化方法X/R＞17114

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MCCB186

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51V222

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Ⅰ317

11.4.2 类别Ⅱ317

11.4.3 类型Ⅲ和Ⅳ319

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1375

13.3.2 类型2375

13.3.3 下标B375

13.3.4 下标C375

13.3.5 下标D376

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1381

13.6.2 原则2381

13.6.3 原则3381

13.6.4 原则4381

13.6.5 原则5381

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MCC409

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IED456

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