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(shí)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(jì)、制造與使用中涉及的理論與技術(shù)問題，并給出了對(duì)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(dòng)機(jī)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(duì)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(jiǎn)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(jì)90年代起，尤其在中壓配電系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)切換負(fù)載和短路保護(hù)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(zhǎng)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(jí)應(yīng)用中，斷路器中以真空介質(zhì)替代SF6氣體的進(jìn)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(duì)新型開關(guān)電器有比較深入的認(rèn)知。1960年我國臺(tái)電力真空開關(guān)誕生，此后約半個(gè)世紀(jì)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(diǎn)項(xiàng)目，并將項(xiàng)目研究的部分總結(jié)內(nèi)容以及團(tuán)隊(duì)近年來在真空開關(guān)技術(shù)方面的收獲與體會(huì)匯總成本書的擴(kuò)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(dòng)手實(shí)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(jìn)，“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(píng)價(jià)。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(dòng)機(jī)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(fù)責(zé)整體架構(gòu)，并負(fù)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(jí)工程師負(fù)責(zé)第3章的編寫；河北工業(yè)大學(xué)劉曉明教授負(fù)責(zé)第4章、第5章的編寫；大連理工大學(xué)董恩源教授負(fù)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(tuán)隊(duì)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(yuǎn)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(xiàn)。作者團(tuán)隊(duì)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(jí)工程師、田志強(qiáng)高級(jí)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(xiàng)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(dòng)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(píng)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(xiàn)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(fù)荷常規(guī)電流的合分24
2.3.1空載長(zhǎng)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(yàn)30
2.5.1絕緣試驗(yàn)30
2.5.2機(jī)械性能試驗(yàn)30
2.5.3短路試驗(yàn)31
2.5.4操動(dòng)機(jī)構(gòu)與輔助回路32
2.5.5控制系統(tǒng)的電磁兼容試驗(yàn)33
參考文獻(xiàn)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(chǎng)觸頭結(jié)構(gòu)及熄弧原理43
3.3.3縱向磁場(chǎng)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(duì)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(dòng)密封47
3.5.1觸頭材料47
3.5.2動(dòng)密封48
3.6老煉與真空測(cè)試49
3.6.1真空滅弧室的老煉49
3.6.2真空測(cè)試50
參考文獻(xiàn)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(diǎn)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(chǎng)調(diào)控67
4.3.1觸頭結(jié)構(gòu)及其磁場(chǎng)分布67
4.3.2TMF-AMF組合磁場(chǎng)觸頭圖像
分析68
參考文獻(xiàn)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(qiáng)度70
5.1.2影響真空絕緣的設(shè)計(jì)與工藝
因素73
5.1.3擊穿弱點(diǎn)與電極材料74
5.1.4基于電場(chǎng)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(jì)75
5.2真空滅弧室弧后動(dòng)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(qiáng)度恢復(fù)與TRV79
5.2.3多斷口串聯(lián)高壓真空開關(guān)的動(dòng)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(jī)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(xiàn)83
第6章真空開關(guān)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)及其
控制84
6.1真空開關(guān)的運(yùn)動(dòng)特性與操動(dòng)機(jī)構(gòu)
參數(shù)84
6.1.1真空開關(guān)對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性及機(jī)
械參數(shù)的需求84
6.1.2操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)87
6.1.3運(yùn)動(dòng)特性與開斷能力88
6.2彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)90
6.2.1彈簧機(jī)構(gòu)的構(gòu)成90
6.2.2彈簧機(jī)構(gòu)的工作原理91
6.3永磁機(jī)構(gòu)與磁力機(jī)構(gòu)92
6.3.1永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理93
6.3.2磁力操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理93
6.3.3永磁與磁力機(jī)構(gòu)的電磁場(chǎng)分析94
6.3.4永磁機(jī)構(gòu)的有限元分析與設(shè)計(jì)97
6.3.5影響永磁與磁力機(jī)構(gòu)出力特性的
因素101
6.4斥力機(jī)構(gòu)102
6.4.1快速斥力機(jī)構(gòu)的工作原理102
6.4.2斥力機(jī)構(gòu)特性分析103
6.4.3影響斥力機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的因素104
6.4.4三種電磁機(jī)構(gòu)的比較105
6.5電磁類操動(dòng)機(jī)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(xiàn)111
第7章直流真空開關(guān)112
7.1機(jī)械式直流真空斷路器113
7.1.1基本原理113
7.1.2拓?fù)潆娐贩治?15
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(yàn)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(jì)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(jì)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?fù)?27
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(yùn)動(dòng)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(xiàn)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(hào)檢測(cè)系統(tǒng)145
8.1.1現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(shí)例158
8.3多斷口真空開關(guān)的同步補(bǔ)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(dòng)異步
開斷162
8.3.3實(shí)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(yàn)170
8.4.4智能真空開關(guān)的可靠性評(píng)價(jià)171
參考文獻(xiàn)176第1章緒論1
1.1礦井提升機(jī)1
1.1.1背景1
1.1.2摩擦式提升機(jī)2
1.1.3纏繞式提升機(jī)3
1.2我國礦井提升機(jī)的現(xiàn)狀4
1.3現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在礦井提升機(jī)設(shè)計(jì)
中的應(yīng)用5
1.4數(shù)值計(jì)算方法在礦井提升機(jī)設(shè)計(jì)
中的應(yīng)用6
第2章礦井提升機(jī)鋼絲繩的動(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)方程11
2.3基于節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法的鋼絲繩
動(dòng)力學(xué)模型13
2.3.1節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)方程14
2.3.2節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)方程約束的
添加20
2.3.3基于節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法的鋼絲繩
多體動(dòng)力學(xué)方程22
2.4基于相對(duì)節(jié)點(diǎn)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(duì)節(jié)點(diǎn)方程26
2.4.3節(jié)點(diǎn)彈性力的計(jì)算31
2.4.4鋼絲繩接觸模型34
2.4.5系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程求解36
第3章鋼絲繩動(dòng)力學(xué)建模方法在
礦井提升機(jī)設(shè)計(jì)中的
應(yīng)用41
3.1礦井提升機(jī)設(shè)計(jì)與鋼絲繩相關(guān)的
動(dòng)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(jī)提升方式的
極限提升能力41
3.2.2鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度對(duì)提升
能力的影響42
3.2.3鋼絲繩結(jié)構(gòu)對(duì)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(jì)實(shí)例44
3.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案選擇的應(yīng)用
實(shí)例44
3.3.2鋼絲繩纏繞過程的運(yùn)動(dòng)耦合
特征的應(yīng)用實(shí)例47
3.3.3摩擦提升機(jī)的動(dòng)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(jī)的
極限提升能力54
3.3.5大尺度強(qiáng)時(shí)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(jī)振動(dòng)特性的
建模及仿真實(shí)例75
4.1摩擦式提升機(jī)的縱向振動(dòng)75
4.1.1摩擦式提升機(jī)的結(jié)構(gòu)75
4.1.2摩擦式提升機(jī)的縱向振動(dòng)
模型76
4.1.3摩擦式提升機(jī)的縱向
振動(dòng)模型參數(shù)分析77
4.1.4摩擦式提升機(jī)的縱向振動(dòng)
方程79
4.1.5摩擦式提升機(jī)縱向振動(dòng)
方程的求解82
4.2摩擦式提升機(jī)的橫向振動(dòng)83
4.2.1摩擦式提升機(jī)的橫向振動(dòng)
模型84
4.2.2摩擦式提升機(jī)的橫向振動(dòng)
方程84
4.2.3摩擦式提升機(jī)的橫向振動(dòng)
能量分析86
4.2.4摩擦式提升機(jī)橫向振動(dòng)
方程的求解87
4.3JKM4.5×6 (Ⅳ)摩擦式提升機(jī)的
振動(dòng)特性仿真分析90
4.3.1JKM4.5×6 (Ⅳ)摩擦式提
升機(jī)的縱向振動(dòng)分析91
4.3.2JKM4.5×6 (Ⅳ)摩擦式提
升機(jī)的橫向振動(dòng)分析100
4.4摩擦式提升機(jī)的摩擦傳動(dòng)
動(dòng)力學(xué)模型109
4.4.1平面梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)
坐標(biāo)方程109
4.4.2平面梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)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(jī)的摩擦傳動(dòng)動(dòng)
力學(xué)方程120
4.4.5摩擦式提升機(jī)的摩擦傳動(dòng)動(dòng)
力學(xué)方程求解122
4.4.6JKM4.5×6 (Ⅳ)摩擦式提升
機(jī)的摩擦傳動(dòng)仿真分析124
第5章有限元法和虛擬樣機(jī)
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(jī)技術(shù)139
5.2.1虛擬樣機(jī)139
5.2.2虛擬樣機(jī)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(jī)
設(shè)計(jì)中的應(yīng)用148
6.1引言148
6.2有限元法在礦井提升機(jī)主軸裝置
設(shè)計(jì)中的應(yīng)用148
6.2.1礦井提升機(jī)的主軸裝置148
6.2.2主軸裝置建模149
6.2.3計(jì)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(jī)制動(dòng)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(dòng)過程中的載荷及邊界
條件施加168
6.4.3緊急制動(dòng)工況下制動(dòng)器的熱-
結(jié)構(gòu)仿真計(jì)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(dòng)力學(xué)分析176
6.6有限元法在纏繞式提升機(jī)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(dòng)
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(jì)189
6.7.2卷筒支輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)卷筒的疲勞
壽命192
6.8.2礦井提升機(jī)主軸的疲勞
壽命194
6.8.3礦井提升機(jī)天輪的疲勞
壽命194
第7章虛擬樣機(jī)技術(shù)在礦井
提升機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)的虛擬樣機(jī)
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(jī)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(jī)的虛擬樣機(jī)
仿真216
7.3.1虛擬樣機(jī)模型216
7.3.2雙提升電動(dòng)機(jī)作用下鋼絲繩
高速纏繞過程的運(yùn)動(dòng)耦合
特征224
7.4礦井提升機(jī)虛擬樣機(jī)建模與緊急
制動(dòng)動(dòng)力學(xué)仿真227
7.4.1分析對(duì)象227
7.4.2礦井提升機(jī)模型的簡(jiǎn)化與
建立227
7.4.3雙卷筒礦井提升機(jī)的邊界條件
施加和虛擬樣機(jī)建模228
7.4.4雙卷筒礦井提升機(jī)的緊急制
動(dòng)特性仿真229
7.4.5滿載提升容器的緊急
制動(dòng)229
7.4.6滿載提升容器在井底附近時(shí)的
緊急制動(dòng)232
第8章數(shù)值仿真技術(shù)在礦井提升機(jī)
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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