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| 內容簡介： |
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随着现代电力系统的飞速发展，真空开关以其优异的特性在电力设备中的占比越来越高。伴随着工业40时代的到来，真空开关技术本身也在快速发展。本书从真空开关基本原理入手， 以电力应用为主要参数背景，从工程技术视角描述真空开关设计、制造与使用中涉及的理论与技术问题，并给出了对下一代真空开关的展望。本书内容共分三部分，第壹部分（第1、2章）是真空开关概论及其工作任务;第二部分（第3~6章）为真空开关主体技术以及相关理论，包括真空灭弧室技术、真空开关开断过程的物理描述与仿真、高压真空绝缘以及真空开关的操动机构及其控制;第三部分（第7、8章）为真空开关新应用与发展，包括直流真空开关和真空开关的智能化。本书可作为高等学校电气工程相关专业本科生或研究生选修课教材、教学参考书，也可作为电力工程领域的科技人员与电器制造行业产品研发人员的参考书。
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前言第1章真空开关概论11.1真空开关的基本结构与工作原理11.2真空开关的分类41.3真空开关的发展历史与现状71.4下一代真空开关展望9参考文献17第2章真空开关的工作任务182.1电力系统的短路及断路器关合短路182.2真空开关开断短路电流的物理过程192.2.1真空开关短路开断零区的介质恢复与电压恢复192.2.2暂态恢复电压的表征202.3不同负荷常规电流的合分242.3.1空载长线的合分242.3.2电容器组的投切252.3.3开断小电感电流272.4电力系统的常规应力与频繁操作282.4.1绝缘要求与环境282.4.2受力292.4.3频繁操作与寿命292.5真空开关的型式试验302.5.1绝缘试验302.5.2机械性能试验302.5.3短路试验312.5.4操动机构与辅助回路322.5.5控制系统的电磁兼容试验33参考文献35第3章真空灭弧室技术363.1真空灭弧室的历史、现状与发展363.2真空灭弧室的结构与原理373.2.1真空灭弧室的结构373.2.2真空灭弧室的工作原理393.3电弧控制技术423.3.1真空电弧的形态423.3.2横向磁场触头结构及熄弧原理433.3.3纵向磁场触头结构及熄弧原理433.4焊接与封接技术453.4.1对封接金属的要求453.4.2封接结构463.5触头材料与动密封473.5.1触头材料473.5.2动密封483.6老炼与真空测试493.6.1真空灭弧室的老炼493.6.2真空测试50参考文献51第4章真空开关开断过程的物理描述与仿真524.1真空电弧的基本特性524.1.1真空电弧的伏安特性524.1.2阴极斑点534.1.3真空电弧的形态584.2真空电弧零区现象604.2.1低气压等离子体鞘层发展604.2.2弧后金属蒸气密度衰减规律614.2.3真空电弧的弧后电流634.2.4真空开关的截流现象644.3真空电弧的磁场调控674.3.1触头结构及其磁场分布674.3.2TMF-AMF组合磁场触头图像分析68参考文献69第5章高压真空绝缘705.1真空间隙的静态绝缘705.1.1真空间隙的静态绝缘强度705.1.2影响真空绝缘的设计与工艺因素735.1.3击穿弱点与电极材料745.1.4基于电场数值分析的126kV双断口真空断路器灭弧室内绝缘设计755.2真空灭弧室弧后动态绝缘785.2.1暂态恢复电压795.2.2真空介质强度恢复与TRV795.2.3多断口串联高压真空开关的动态绝缘805.3真空中的固体介质815.3.1真空中固体介质表面闪络机理及其影响因素815.3.2真空开关外绝缘分析82参考文献83第6章真空开关的操动机构及其控制846.1真空开关的运动特性与操动机构参数846.1.1真空开关对操动机构运动特性及机械参数的需求846.1.2操动机构的工作参数876.1.3运动特性与开断能力886.2弹簧操动机构906.2.1弹簧机构的构成906.2.2弹簧机构的工作原理916.3永磁机构与磁力机构926.3.1永磁操动机构的结构原理936.3.2磁力操动机构的结构原理936.3.3永磁与磁力机构的电磁场分析946.3.4永磁机构的有限元分析与设计976.3.5影响永磁与磁力机构出力特性的因素1016.4斥力机构1026.4.1快速斥力机构的工作原理1026.4.2斥力机构特性分析1036.4.3影响斥力机构运动特性的因素1046.4.4三种电磁机构的比较1056.5电磁类操动机构的调控1056.5.1基本控制1056.5.2调速控制107参考文献111第7章直流真空开关1127.1机械式直流真空断路器1137.1.1基本原理1137.1.2拓扑电路分析1157.1.3高压直流真空开关的典型结构1167.1.4高压直流真空开关的参数试验1177.2真空开关的中频开断1197.2.1中频换流参数1197.2.2临界开断参数1207.2.3系统剩余能量的消纳1227.3直流真空开关模块的串联1227.3.1模块结构设计案例1237.3.2多断口直流真空断路器的同步控制1247.3.3同步控制系统及冗余设计1257.4混合式直流断路器中的快速真空隔离开关1277.4.1混合式直流断路器拓扑1277.4.2快速开关的工作条件1297.4.3快速真空开关的运动参数1307.5中低压直流真空开关1357.5.1直流配电断路器1357.5.2轨道牵引与舰船直流真空开关1397.5.3双电源快速切换开关140参考文献144第8章真空开关的智能化1458.1智能真空开关的信号检测系统1458.1.1现场参量及植入传感器1468.1.2电量传感器1468.1.3非电量传感器1498.1.4开关量检测方法1528.2相控真空开关1548.2.1相控开关的基本结构1558.2.2短路故障的相控开断1568.2.3相控真空开关的应用实例1588.3多断口真空开关的同步补偿1608.3.1多断口真空断路器的基本操作控制1608.3.2多断口真空断路器的主动异步开断1628.3.3实施案例1668.4真空开关的电磁兼容与可靠性1678.4.1电磁干扰源1688.4.2电磁干扰的抑制1688.4.3电磁兼容试验1708.4.4智能真空开关的可靠性评价171参考文献176第1章绪论11.1矿井提升机11.1.1背景11.1.2摩擦式提升机21.1.3缠绕式提升机31.2我国矿井提升机的现状41.3现代设计方法在矿井提升机设计中的应用51.4数值计算方法在矿井提升机设计中的应用6第2章矿井提升机钢丝绳的动力学建模方法92.1基于集中参数离散模型的钢丝绳纵向振动力学方程102.2基于分布参数连续模型的钢丝绳横向振动力学方程112.3基于节点坐标法的钢丝绳动力学模型132.3.1节点坐标方程142.3.2节点坐标方程约束的添加202.3.3基于节点坐标法的钢丝绳多体动力学方程222.4基于相对节点方程的钢丝绳建模方法252.4.1单元的划分252.4.2相对节点方程262.4.3节点弹性力的计算312.4.4钢丝绳接触模型342.4.5系统运动方程求解36第3章钢丝绳动力学建模方法在矿井提升机设计中的应用413.1矿井提升机设计与钢丝绳相关的动力学问题413.2钢丝绳的提升能力413.2.1单绳缠绕式提升机提升方式的极限提升能力413.2.2钢丝绳公称抗拉强度对提升能力的影响423.2.3钢丝绳结构对提升能力的影响433.3与钢丝绳承载性能有关的结构设计实例443.3.1结构设计方案选择的应用实例443.3.2钢丝绳缠绕过程的运动耦合特征的应用实例473.3.3摩擦提升机的动力学特性及影响因素503.3.4超深井多绳摩擦式提升机的极限提升能力543.3.5大尺度强时变柔性提升系统的纵振、横振和扭振特性59第4章矿井提升机振动特性的建模及仿真实例754.1摩擦式提升机的纵向振动754.1.1摩擦式提升机的结构754.1.2摩擦式提升机的纵向振动模型764.1.3摩擦式提升机的纵向振动模型参数分析774.1.4摩擦式提升机的纵向振动方程794.1.5摩擦式提升机纵向振动方程的求解824.2摩擦式提升机的横向振动834.2.1摩擦式提升机的横向振动模型844.2.2摩擦式提升机的横向振动方程844.2.3摩擦式提升机的横向振动能量分析864.2.4摩擦式提升机横向振动方程的求解874.3JKM4.5×6 (Ⅳ)摩擦式提升机的振动特性仿真分析904.3.1JKM4.5×6 (Ⅳ)摩擦式提升机的纵向振动分析914.3.2JKM4.5×6 (Ⅳ)摩擦式提升机的横向振动分析1004.4摩擦式提升机的摩擦传动动力学模型1094.4.1平面梁单元的节点坐标方程1094.4.2平面梁单元的节点坐标方程的修正1144.4.3钢丝绳与摩擦轮的摩擦接触模型1174.4.4摩擦式提升机的摩擦传动动力学方程1204.4.5摩擦式提升机的摩擦传动动力学方程求解1224.4.6JKM4.5×6 (Ⅳ)摩擦式提升机的摩擦传动仿真分析124第5章有限元法和虚拟样机技术1335.1有限元法1335.1.1概述1335.1.2有限元法的思想1345.1.3有限元建模1355.1.4有限元常用软件1375.1.5ANSYS Workbench的介绍1375.1.6ANSYS Workbench的分析步骤1385.2虚拟样机技术1395.2.1虚拟样机1395.2.2虚拟样机技术的理论基础1405.3RecurDyn软件1455.3.1概述1455.3.2RecurDyn V8R1的基本模块1455.3.3建模和仿真的步骤147第6章有限元法在矿井提升机设计中的应用1486.1引言1486.2有限元法在矿井提升机主轴装置设计中的应用1486.2.1矿井提升机的主轴装置1486.2.2主轴装置建模1496.2.3计算结果及分析1516.3有限元法在钢丝绳张力耦合变化特性分析中的应用1576.3.1钢丝绳缠绕模型的建模1576.3.2不同包角下钢丝绳股内各丝张力分布的仿真分析1626.4矿井提升机制动过程的热-结构耦合分析1686.4.1分析内容1686.4.2制动过程中的载荷及边界条件施加1686.4.3紧急制动工况下制动器的热-结构仿真计算与分析1696.5有限元法在钢丝绳-提升容器作业过程力学分析中的应用1746.5.1钢丝绳-提升容器有限元建模1746.5.2钢丝绳-提升容器作业过程的动力学分析1766.6有限元法在缠绕式提升机主轴装置分析中的应用1806.6.1卷筒结构的受力分析1806.6.2主轴结构的受力分析1836.6.3承载结构作业过程中的动态应力分析1856.7有限元法在卷筒部分的结构优化中的应用1876.7.1卷筒的优化设计1896.7.2卷筒支轮的优化设计1906.8有限元法在承载结构疲劳寿命分析中的应用1926.8.1矿井提升机卷筒的疲劳寿命1926.8.2矿井提升机主轴的疲劳寿命1946.8.3矿井提升机天轮的疲劳寿命194第7章虚拟样机技术在矿井提升机设计中的应用1977.1柔性体建模技术1977.1.1基于模态坐标的柔性体建模方法1977.1.2有限元多柔性体建模原理2007.1.3多柔性体技术中柔性体的描述2007.2摩擦式提升机的虚拟样机仿真2057.2.1主轴装置的建模2057.2.2钢丝绳的建模2097.2.3提升容器及配重的建模2097.2.4外部载荷的输入2097.2.5虚拟样机模型2097.2.6数值仿真及结果分析2097.2.7钢丝绳受力不平衡的分析2147.3缠绕式提升机的虚拟样机仿真2167.3.1虚拟样机模型2167.3.2双提升电动机作用下钢丝绳高速缠绕过程的运动耦合特征2247.4矿井提升机虚拟样机建模与紧急制动动力学仿真2277.4.1分析对象2277.4.2矿井提升机模型的简化与建立2277.4.3双卷筒矿井提升机的边界条件施加和虚拟样机建模2287.4.4双卷筒矿井提升机的紧急制动特性仿真2297.4.5满载提升容器的紧急制动2297.4.6满载提升容器在井底附近时的紧急制动232第8章数值仿真技术在矿井提升机分析中的应用2378.1分析目的2378.2疲劳设
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电力线路基本的操作就是与用电对象之间的接通或者开断，所用元器件称之为“开关电器”或简称“开关”。电力开关是电力系统的基础硬件之一，从20世纪90年代起，尤其在中压配电系统中，负责切换负载和短路保护的少油断路器几乎全部换上了性能优异的真空开关，由于环保气体的使用限制，发展历史不长的SF6断路器在配电领域的应用也日趋减少。在输电等级应用中，断路器中以真空介质替代SF6气体的进程，随着我国绿色环保“双碳”目标的提出已步入发展的快车道。随着真空开关在电力设备中占比的增加，人们希望更多地了解真空开关，相关专业技术人员需要掌握真空开关相关技术，电气工程领域本科生、研究生也希望对新型开关电器有比较深入的认知。1960年我国台电力真空开关诞生，此后约半个世纪由已故的西安交通大学王季梅教授带领弟子奋斗在我国真空开关研究领域的前沿。从1983年我国本《真空开关》专著出版开始，王季梅老师留下了他主笔的真空开关理论与应用专著十余部。本书的基础理论框架和主要学术思想均引自王季梅老师的这些专著。作为晚辈之一的本书作者曾两度完成真空开关相关内容的国家自然科学基金重点项目，并将项目研究的部分总结内容以及团队近年来在真空开关技术方面的收获与体会汇总成本书的扩展内容，希望能传承王季梅老师的科学精神，续写真空开关技术的新篇。作者钟爱动手实践，但理论见短，本书欲以真空开关新技术为特色，但现代技术突飞猛进，“新”字很难持久，故书名仍称《真空开关技术》，其特色交给读者评价。本书分三部分，部分(第1、2章）是真空开关概论及其工作任务；第二部分（第3~6章）为真空开关主体技术以及相关理论，包括真空灭弧室技术、真空开关开断过程的物理描述与仿真、高压真空绝缘以及真空开关的操动机构及其控制；第三部分（第7、8章）为真空开关新应用与发展，包括直流真空开关和真空开关的智能化。全书由大连理工大学邹积岩教授负责整体架构，并负责第1章、第2章、第7章和第8章的编写及全书统稿；旭光电子陈军平高级工程师负责第3章的编写；河北工业大学刘晓明教授负责第4章、第5章的编写；大连理工大学董恩源教授负责第6章的编写。本书内容部分取自作者指导的研究生的学位论文，以及大连理工大学电器团队廖敏夫教授、段雄英教授、王永兴博士、黄智慧博士等的研究成果。在编著过程中，大连理工大学丛吉远高工、邹啟涛高工，天津工业大学朱高嘉博士、李龙女博士，河北工业大学陈海工程师等都做了很多贡献。作者团队的在读博士研究生曾祥浩、梁德世、郭兴宇、李培源、姜文涛、吴其和黄翀阳等参与了编写。此外，旭光电子陈秉喜高级工程师、田志强高级工程师也为本书的编写做了大量工作。本书得到了国家自然科学基金项目（No.51337001，No52077025）的支持，得到了旭光电子的出版赞助，在此一并表示衷心的感谢！《真空开关技术》面向现代电力系统，旨在服务于电力工程领域科研人员与电器制造行业产品研发人员，也可作为高等学校电气工程及其自动化专业本科或研究生选修课教材、教学参考书。本书汇聚了作者及所在单位近年来的研究成果，但鉴于作者水平所限，书中难免有不足和谬误之处，诚挚欢迎广大读者批评指正。作者2020年冬
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