隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，真空開關(guān)以其優(yōu)異的特性在電力設(shè)備中的占比越來越高。伴隨著工業(yè)40時代的到來，真空開關(guān)技術(shù)本身也在快速發(fā)展。本書從真空開關(guān)基本原理入手, 以電力應(yīng)用為主要參數(shù)背景，從工程技術(shù)視角描述真空開關(guān)設(shè)計、制造與使用中涉及的理論與技術(shù)問題，并給出了對下一代真空開關(guān)的展望。本書內(nèi)容共分三部分，第壹部分（第1、2章）是真空開關(guān)概論及其工作任務(wù);第二部分（第3~6章）為真空開關(guān)主體技術(shù)以及相關(guān)理論，包括真空滅弧室技術(shù)、真空開關(guān)開斷過程的物理描述與仿真、高壓真空絕緣以及真空開關(guān)的操動機構(gòu)及其控制;第三部分（第7、8章）為真空開關(guān)新應(yīng)用與發(fā)展，包括直流真空開關(guān)和真空開關(guān)的智能化。
本書可作為高等學(xué)校電氣工程相關(guān)專業(yè)本科生或研究生選修課教材、教學(xué)參考書，也可作為電力工程領(lǐng)域的科技人員與電器制造行業(yè)產(chǎn)品研發(fā)人員的參考書。
電力線路基本的操作就是與用電對象之間的接通或者開斷，所用元器件稱之為“開關(guān)電器”或簡稱“開關(guān)”。電力開關(guān)是電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件之一，從20世紀90年代起，尤其在中壓配電系統(tǒng)中，負責(zé)切換負載和短路保護的少油斷路器幾乎全部換上了性能優(yōu)異的真空開關(guān)，由于環(huán)保氣體的使用限制，發(fā)展歷史不長的SF6斷路器在配電領(lǐng)域的應(yīng)用也日趨減少。在輸電等級應(yīng)用中，斷路器中以真空介質(zhì)替代SF6氣體的進程，隨著我國綠色環(huán)�！半p碳”目標(biāo)的提出已步入發(fā)展的快車道。隨著真空開關(guān)在電力設(shè)備中占比的增加，人們希望更多地了解真空開關(guān)，相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員需要掌握真空開關(guān)相關(guān)技術(shù)，電氣工程領(lǐng)域本科生、研究生也希望對新型開關(guān)電器有比較深入的認知。1960年我國臺電力真空開關(guān)誕生，此后約半個世紀由已故的西安交通大學(xué)王季梅教授帶領(lǐng)弟子奮斗在我國真空開關(guān)研究領(lǐng)域的前沿。從1983年我國本《真空開關(guān)》專著出版開始，王季梅老師留下了他主筆的真空開關(guān)理論與應(yīng)用專著十余部。本書的基礎(chǔ)理論框架和主要學(xué)術(shù)思想均引自王季梅老師的這些專著。作為晚輩之一的本書作者曾兩度完成真空開關(guān)相關(guān)內(nèi)容的國家自然科學(xué)基金重點項目，并將項目研究的部分總結(jié)內(nèi)容以及團隊近年來在真空開關(guān)技術(shù)方面的收獲與體會匯總成本書的擴展內(nèi)容，希望能傳承王季梅老師的科學(xué)精神，續(xù)寫真空開關(guān)技術(shù)的新篇。作者鐘愛動手實踐，但理論見短，本書欲以真空開關(guān)新技術(shù)為特色，但現(xiàn)代技術(shù)突飛猛進，“新”字很難持久，故書名仍稱《真空開關(guān)技術(shù)》，其特色交給讀者評價。本書分三部分，部分(第1、2章）是真空開關(guān)概論及其工作任務(wù)；第二部分（第3~6章）為真空開關(guān)主體技術(shù)以及相關(guān)理論，包括真空滅弧室技術(shù)、真空開關(guān)開斷過程的物理描述與仿真、高壓真空絕緣以及真空開關(guān)的操動機構(gòu)及其控制；第三部分（第7、8章）為真空開關(guān)新應(yīng)用與發(fā)展，包括直流真空開關(guān)和真空開關(guān)的智能化。全書由大連理工大學(xué)鄒積巖教授負責(zé)整體架構(gòu)，并負責(zé)第1章、第2章、第7章和第8章的編寫及全書統(tǒng)稿；旭光電子陳軍平高級工程師負責(zé)第3章的編寫；河北工業(yè)大學(xué)劉曉明教授負責(zé)第4章、第5章的編寫；大連理工大學(xué)董恩源教授負責(zé)第6章的編寫。本書內(nèi)容部分取自作者指導(dǎo)的研究生的學(xué)位論文，以及大連理工大學(xué)電器團隊廖敏夫教授、段雄英教授、王永興博士、黃智慧博士等的研究成果。在編著過程中，大連理工大學(xué)叢吉遠高工、鄒啟濤高工，天津工業(yè)大學(xué)朱高嘉博士、李龍女博士，河北工業(yè)大學(xué)陳海工程師等都做了很多貢獻。作者團隊的在讀博士研究生曾祥浩、梁德世、郭興宇、李培源、姜文濤、吳其和黃翀陽等參與了編寫。此外，旭光電子陳秉喜高級工程師、田志強高級工程師也為本書的編寫做了大量工作。本書得到了國家自然科學(xué)基金項目（No.51337001，No52077025）的支持，得到了旭光電子的出版贊助，在此一并表示衷心的感謝！《真空開關(guān)技術(shù)》面向現(xiàn)代電力系統(tǒng)，旨在服務(wù)于電力工程領(lǐng)域科研人員與電器制造行業(yè)產(chǎn)品研發(fā)人員，也可作為高等學(xué)校電氣工程及其自動化專業(yè)本科或研究生選修課教材、教學(xué)參考書。本書匯聚了作者及所在單位近年來的研究成果，但鑒于作者水平所限，書中難免有不足和謬誤之處，誠摯歡迎廣大讀者批評指正。
作者
2020年冬
前言
第1章真空開關(guān)概論1
1.1真空開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理1
1.2真空開關(guān)的分類4
1.3真空開關(guān)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀7
1.4下一代真空開關(guān)展望9
參考文獻17
第2章真空開關(guān)的工作任務(wù)18
2.1電力系統(tǒng)的短路及斷路器關(guān)合短路18
2.2真空開關(guān)開斷短路電流的物理過程19
2.2.1真空開關(guān)短路開斷零區(qū)的介質(zhì)恢復(fù)
與電壓恢復(fù)19
2.2.2暫態(tài)恢復(fù)電壓的表征20
2.3不同負荷常規(guī)電流的合分24
2.3.1空載長線的合分24
2.3.2電容器組的投切25
2.3.3開斷小電感電流27
2.4電力系統(tǒng)的常規(guī)應(yīng)力與頻繁操作28
2.4.1絕緣要求與環(huán)境28
2.4.2受力29
2.4.3頻繁操作與壽命29
2.5真空開關(guān)的型式試驗30
2.5.1絕緣試驗30
2.5.2機械性能試驗30
2.5.3短路試驗31
2.5.4操動機構(gòu)與輔助回路32
2.5.5控制系統(tǒng)的電磁兼容試驗33
參考文獻35
第3章真空滅弧室技術(shù)36
3.1真空滅弧室的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展36
3.2真空滅弧室的結(jié)構(gòu)與原理37
3.2.1真空滅弧室的結(jié)構(gòu)37
3.2.2真空滅弧室的工作原理39
3.3電弧控制技術(shù)42
3.3.1真空電弧的形態(tài)42
3.3.2橫向磁場觸頭結(jié)構(gòu)及熄弧原理43
3.3.3縱向磁場觸頭結(jié)構(gòu)及熄弧原理43
3.4焊接與封接技術(shù)45
3.4.1對封接金屬的要求45
3.4.2封接結(jié)構(gòu)46
3.5觸頭材料與動密封47
3.5.1觸頭材料47
3.5.2動密封48
3.6老煉與真空測試49
3.6.1真空滅弧室的老煉49
3.6.2真空測試50
參考文獻51
第4章真空開關(guān)開斷過程的物理描述與
仿真52
4.1真空電弧的基本特性52
4.1.1真空電弧的伏安特性52
4.1.2陰極斑點53
4.1.3真空電弧的形態(tài)58
4.2真空電弧零區(qū)現(xiàn)象60
4.2.1低氣壓等離子體鞘層發(fā)展60
4.2.2弧后金屬蒸氣密度衰減規(guī)律61
4.2.3真空電弧的弧后電流63
4.2.4真空開關(guān)的截流現(xiàn)象64
4.3真空電弧的磁場調(diào)控67
4.3.1觸頭結(jié)構(gòu)及其磁場分布67
4.3.2TMF-AMF組合磁場觸頭圖像
分析68
參考文獻69
第5章高壓真空絕緣70
5.1真空間隙的靜態(tài)絕緣70
5.1.1真空間隙的靜態(tài)絕緣強度70
5.1.2影響真空絕緣的設(shè)計與工藝
因素73
5.1.3擊穿弱點與電極材料74
5.1.4基于電場數(shù)值分析的126kV雙斷口
真空斷路器滅弧室內(nèi)絕緣設(shè)計75
5.2真空滅弧室弧后動態(tài)絕緣78
5.2.1暫態(tài)恢復(fù)電壓79
5.2.2真空介質(zhì)強度恢復(fù)與TRV79
5.2.3多斷口串聯(lián)高壓真空開關(guān)的動態(tài)
絕緣80
5.3真空中的固體介質(zhì)81
5.3.1真空中固體介質(zhì)表面閃絡(luò)機理及其
影響因素81
5.3.2真空開關(guān)外絕緣分析82
參考文獻83
第6章真空開關(guān)的操動機構(gòu)及其
控制84
6.1真空開關(guān)的運動特性與操動機構(gòu)
參數(shù)84
6.1.1真空開關(guān)對操動機構(gòu)運動特性及機
械參數(shù)的需求84
6.1.2操動機構(gòu)的工作參數(shù)87
6.1.3運動特性與開斷能力88
6.2彈簧操動機構(gòu)90
6.2.1彈簧機構(gòu)的構(gòu)成90
6.2.2彈簧機構(gòu)的工作原理91
6.3永磁機構(gòu)與磁力機構(gòu)92
6.3.1永磁操動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理93
6.3.2磁力操動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理93
6.3.3永磁與磁力機構(gòu)的電磁場分析94
6.3.4永磁機構(gòu)的有限元分析與設(shè)計97
6.3.5影響永磁與磁力機構(gòu)出力特性的
因素101
6.4斥力機構(gòu)102
6.4.1快速斥力機構(gòu)的工作原理102
6.4.2斥力機構(gòu)特性分析103
6.4.3影響斥力機構(gòu)運動特性的因素104
6.4.4三種電磁機構(gòu)的比較105
6.5電磁類操動機構(gòu)的調(diào)控105
6.5.1基本控制105
6.5.2調(diào)速控制107
參考文獻111
第7章直流真空開關(guān)112
7.1機械式直流真空斷路器113
7.1.1基本原理113
7.1.2拓撲電路分析115
7.1.3高壓直流真空開關(guān)的典型結(jié)構(gòu)116
7.1.4高壓直流真空開關(guān)的參數(shù)試驗117
7.2真空開關(guān)的中頻開斷119
7.2.1中頻換流參數(shù)119
7.2.2臨界開斷參數(shù)120
7.2.3系統(tǒng)剩余能量的消納122
7.3直流真空開關(guān)模塊的串聯(lián)122
7.3.1模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計案例123
7.3.2多斷口直流真空斷路器的同步
控制124
7.3.3同步控制系統(tǒng)及冗余設(shè)計125
7.4混合式直流斷路器中的快速真空隔離
開關(guān)127
7.4.1混合式直流斷路器拓撲127
7.4.2快速開關(guān)的工作條件129
7.4.3快速真空開關(guān)的運動參數(shù)130
7.5中低壓直流真空開關(guān)135
7.5.1直流配電斷路器135
7.5.2軌道牽引與艦船直流真空開關(guān)139
7.5.3雙電源快速切換開關(guān)140
參考文獻144
第8章真空開關(guān)的智能化145
8.1智能真空開關(guān)的信號檢測系統(tǒng)145
8.1.1現(xiàn)場參量及植入傳感器146
8.1.2電量傳感器146
8.1.3非電量傳感器149
8.1.4開關(guān)量檢測方法152
8.2相控真空開關(guān)154
8.2.1相控開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)155
8.2.2短路故障的相控開斷156
8.2.3相控真空開關(guān)的應(yīng)用實例158
8.3多斷口真空開關(guān)的同步補償160
8.3.1多斷口真空斷路器的基本操作
控制160
8.3.2多斷口真空斷路器的主動異步
開斷162
8.3.3實施案例166
8.4真空開關(guān)的電磁兼容與可靠性167
8.4.1電磁干擾源168
8.4.2電磁干擾的抑制168
8.4.3電磁兼容試驗170
8.4.4智能真空開關(guān)的可靠性評價171
參考文獻176第1章緒論1
1.1礦井提升機1
1.1.1背景1
1.1.2摩擦式提升機2
1.1.3纏繞式提升機3
1.2我國礦井提升機的現(xiàn)狀4
1.3現(xiàn)代設(shè)計方法在礦井提升機設(shè)計
中的應(yīng)用5
1.4數(shù)值計算方法在礦井提升機設(shè)計
中的應(yīng)用6
第2章礦井提升機鋼絲繩的動力學(xué)
建模方法9
2.1基于集中參數(shù)離散模型的鋼絲繩
縱向振動力學(xué)方程10
2.2基于分布參數(shù)連續(xù)模型的鋼絲繩
橫向振動力學(xué)方程11
2.3基于節(jié)點坐標(biāo)法的鋼絲繩
動力學(xué)模型13
2.3.1節(jié)點坐標(biāo)方程14
2.3.2節(jié)點坐標(biāo)方程約束的
添加20
2.3.3基于節(jié)點坐標(biāo)法的鋼絲繩
多體動力學(xué)方程22
2.4基于相對節(jié)點方程的鋼絲繩
建模方法25
2.4.1單元的劃分25
2.4.2相對節(jié)點方程26
2.4.3節(jié)點彈性力的計算31
2.4.4鋼絲繩接觸模型34
2.4.5系統(tǒng)運動方程求解36
第3章鋼絲繩動力學(xué)建模方法在
礦井提升機設(shè)計中的
應(yīng)用41
3.1礦井提升機設(shè)計與鋼絲繩相關(guān)的
動力學(xué)問題41
3.2鋼絲繩的提升能力41
3.2.1單繩纏繞式提升機提升方式的
極限提升能力41
3.2.2鋼絲繩公稱抗拉強度對提升
能力的影響42
3.2.3鋼絲繩結(jié)構(gòu)對提升能力的
影響43
3.3與鋼絲繩承載性能有關(guān)的結(jié)構(gòu)
設(shè)計實例44
3.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計方案選擇的應(yīng)用
實例44
3.3.2鋼絲繩纏繞過程的運動耦合
特征的應(yīng)用實例47
3.3.3摩擦提升機的動力學(xué)特性及
影響因素50
3.3.4超深井多繩摩擦式提升機的
極限提升能力54
3.3.5大尺度強時變?nèi)嵝蕴嵘到y(tǒng)的
縱振、橫振和扭振特性59
第4章礦井提升機振動特性的
建模及仿真實例75
4.1摩擦式提升機的縱向振動75
4.1.1摩擦式提升機的結(jié)構(gòu)75
4.1.2摩擦式提升機的縱向振動
模型76
4.1.3摩擦式提升機的縱向
振動模型參數(shù)分析77
4.1.4摩擦式提升機的縱向振動
方程79
4.1.5摩擦式提升機縱向振動
方程的求解82
4.2摩擦式提升機的橫向振動83
4.2.1摩擦式提升機的橫向振動
模型84
4.2.2摩擦式提升機的橫向振動
方程84
4.2.3摩擦式提升機的橫向振動
能量分析86
4.2.4摩擦式提升機橫向振動
方程的求解87
4.3JKM4.5×6 (Ⅳ)摩擦式提升機的
振動特性仿真分析90
4.3.1JKM4.5×6 (Ⅳ)摩擦式提
升機的縱向振動分析91
4.3.2JKM4.5×6 (Ⅳ)摩擦式提
升機的橫向振動分析100
4.4摩擦式提升機的摩擦傳動
動力學(xué)模型109
4.4.1平面梁單元的節(jié)點
坐標(biāo)方程109
4.4.2平面梁單元的節(jié)點坐標(biāo)方程的修正114
4.4.3鋼絲繩與摩擦輪的摩擦接觸
模型117
4.4.4摩擦式提升機的摩擦傳動動
力學(xué)方程120
4.4.5摩擦式提升機的摩擦傳動動
力學(xué)方程求解122
4.4.6JKM4.5×6 (Ⅳ)摩擦式提升
機的摩擦傳動仿真分析124
第5章有限元法和虛擬樣機
技術(shù)133
5.1有限元法133
5.1.1概述133
5.1.2有限元法的思想134
5.1.3有限元建模135
5.1.4有限元常用軟件137
5.1.5ANSYS Workbench的
介紹137
5.1.6ANSYS Workbench的
分析步驟138
5.2虛擬樣機技術(shù)139
5.2.1虛擬樣機139
5.2.2虛擬樣機技術(shù)的理論
基礎(chǔ)140
5.3RecurDyn軟件145
5.3.1概述145
5.3.2RecurDyn V8R1的基本
模塊145
5.3.3建模和仿真的步驟147
第6章有限元法在礦井提升機
設(shè)計中的應(yīng)用148
6.1引言148
6.2有限元法在礦井提升機主軸裝置
設(shè)計中的應(yīng)用148
6.2.1礦井提升機的主軸裝置148
6.2.2主軸裝置建模149
6.2.3計算結(jié)果及分析151
6.3有限元法在鋼絲繩張力耦合變化
特性分析中的應(yīng)用157
6.3.1鋼絲繩纏繞模型的建模157
6.3.2不同包角下鋼絲繩股內(nèi)各
絲張力分布的仿真分析162
6.4礦井提升機制動過程的熱-結(jié)構(gòu)
耦合分析168
6.4.1分析內(nèi)容168
6.4.2制動過程中的載荷及邊界
條件施加168
6.4.3緊急制動工況下制動器的熱-
結(jié)構(gòu)仿真計算與分析169
6.5有限元法在鋼絲繩-提升容器作業(yè)
過程力學(xué)分析中的應(yīng)用174
6.5.1鋼絲繩-提升容器有限元
建模174
6.5.2鋼絲繩-提升容器作業(yè)過程的
動力學(xué)分析176
6.6有限元法在纏繞式提升機主軸裝置
分析中的應(yīng)用180
6.6.1卷筒結(jié)構(gòu)的受力分析180
6.6.2主軸結(jié)構(gòu)的受力分析183
6.6.3承載結(jié)構(gòu)作業(yè)過程中的動
態(tài)應(yīng)力分析185
6.7有限元法在卷筒部分的結(jié)構(gòu)優(yōu)
化中的應(yīng)用187
6.7.1卷筒的優(yōu)化設(shè)計189
6.7.2卷筒支輪的優(yōu)化設(shè)計190
6.8有限元法在承載結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析
中的應(yīng)用192
6.8.1礦井提升機卷筒的疲勞
壽命192
6.8.2礦井提升機主軸的疲勞
壽命194
6.8.3礦井提升機天輪的疲勞
壽命194
第7章虛擬樣機技術(shù)在礦井
提升機設(shè)計中的應(yīng)用197
7.1柔性體建模技術(shù)197
7.1.1基于模態(tài)坐標(biāo)的柔性體
建模方法197
7.1.2有限元多柔性體建模
原理200
7.1.3多柔性體技術(shù)中柔性體的
描述200
7.2摩擦式提升機的虛擬樣機
仿真205
7.2.1主軸裝置的建模205
7.2.2鋼絲繩的建模209
7.2.3提升容器及配重的建模209
7.2.4外部載荷的輸入209
7.2.5虛擬樣機模型209
7.2.6數(shù)值仿真及結(jié)果分析209
7.2.7鋼絲繩受力不平衡的
分析214
7.3纏繞式提升機的虛擬樣機
仿真216
7.3.1虛擬樣機模型216
7.3.2雙提升電動機作用下鋼絲繩
高速纏繞過程的運動耦合
特征224
7.4礦井提升機虛擬樣機建模與緊急
制動動力學(xué)仿真227
7.4.1分析對象227
7.4.2礦井提升機模型的簡化與
建立227
7.4.3雙卷筒礦井提升機的邊界條件
施加和虛擬樣機建模228
7.4.4雙卷筒礦井提升機的緊急制
動特性仿真229
7.4.5滿載提升容器的緊急
制動229
7.4.6滿載提升容器在井底附近時的
緊急制動232
第8章數(shù)值仿真技術(shù)在礦井提升機
分析中的應(yīng)用237
8.1分析目的237
8.2疲勞設(shè)
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