真空开关技术

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。

前言 第1章真空开关概论1 1.1真空开关的基本结构与工作原理1 1.2真空开关的分类4 1.3真空开关的发展历史与现状7 1.4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18 2.1电力系统的短路及断路器关合短路18 2.2真空开关开断短路电流的物理过程19 2.2.1真空开关短路开断零区的介质恢复 与电压恢复19 2.2.2暂态恢复电压的表征20 2.3不同负荷常规电流的合分24 2.3.1空载长线的合分24 2.3.2电容器组的投切25 2.3.3开断小电感电流27 2.4电力系统的常规应力与频繁操作28 2.4.1绝缘要求与环境28 2.4.2受力29 2.4.3频繁操作与寿命29 2.5真空开关的型式试验30 2.5.1绝缘试验30 2.5.2机械性能试验30 2.5.3短路试验31 2.5.4操动机构与辅助回路32 2.5.5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36 3.1真空灭弧室的历史、现状与发展36 3.2真空灭弧室的结构与原理37 3.2.1真空灭弧室的结构37 3.2.2真空灭弧室的工作原理39 3.3电弧控制技术42 3.3.1真空电弧的形态42 3.3.2横向磁场触头结构及熄弧原理43 3.3.3纵向磁场触头结构及熄弧原理43 3.4焊接与封接技术45 3.4.1对封接金属的要求45 3.4.2封接结构46 3.5触头材料与动密封47 3.5.1触头材料47 3.5.2动密封48 3.6老炼与真空测试49 3.6.1真空灭弧室的老炼49 3.6.2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52 4.1真空电弧的基本特性52 4.1.1真空电弧的伏安特性52 4.1.2阴极斑点53 4.1.3真空电弧的形态58 4.2真空电弧零区现象60 4.2.1低气压等离子体鞘层发展60 4.2.2弧后金属蒸气密度衰减规律61 4.2.3真空电弧的弧后电流63 4.2.4真空开关的截流现象64 4.3真空电弧的磁场调控67 4.3.1触头结构及其磁场分布67 4.3.2TMF-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70 5.1真空间隙的静态绝缘70 5.1.1真空间隙的静态绝缘强度70 5.1.2影响真空绝缘的设计与工艺 因素73 5.1.3击穿弱点与电极材料74 5.1.4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75 5.2真空灭弧室弧后动态绝缘78 5.2.1暂态恢复电压79 5.2.2真空介质强度恢复与TRV79 5.2.3多断口串联高压真空开关的动态 绝缘80 5.3真空中的固体介质81 5.3.1真空中固体介质表面闪络机理及其 影响因素81 5.3.2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84 6.1真空开关的运动特性与操动机构 参数84 6.1.1真空开关对操动机构运动特性及机 械参数的需求84 6.1.2操动机构的工作参数87 6.1.3运动特性与开断能力88 6.2弹簧操动机构90 6.2.1弹簧机构的构成90 6.2.2弹簧机构的工作原理91 6.3永磁机构与磁力机构92 6.3.1永磁操动机构的结构原理93 6.3.2磁力操动机构的结构原理93 6.3.3永磁与磁力机构的电磁场分析94 6.3.4永磁机构的有限元分析与设计97 6.3.5影响永磁与磁力机构出力特性的 因素101 6.4斥力机构102 6.4.1快速斥力机构的工作原理102 6.4.2斥力机构特性分析103 6.4.3影响斥力机构运动特性的因素104 6.4.4三种电磁机构的比较105 6.5电磁类操动机构的调控105 6.5.1基本控制105 6.5.2调速控制107 参考文献111 第7章直流真空开关112 7.1机械式直流真空断路器113 7.1.1基本原理113 7.1.2拓扑电路分析115 7.1.3高压直流真空开关的典型结构116 7.1.4高压直流真空开关的参数试验117 7.2真空开关的中频开断119 7.2.1中频换流参数119 7.2.2临界开断参数120 7.2.3系统剩余能量的消纳122 7.3直流真空开关模块的串联122 7.3.1模块结构设计案例123 7.3.2多断口直流真空断路器的同步 控制124 7.3.3同步控制系统及冗余设计125 7.4混合式直流断路器中的快速真空隔离 开关127 7.4.1混合式直流断路器拓扑127 7.4.2快速开关的工作条件129 7.4.3快速真空开关的运动参数130 7.5中低压直流真空开关135 7.5.1直流配电断路器135 7.5.2轨道牵引与舰船直流真空开关139 7.5.3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145 8.1智能真空开关的信号检测系统145 8.1.1现场参量及植入传感器146 8.1.2电量传感器146 8.1.3非电量传感器149 8.1.4开关量检测方法152 8.2相控真空开关154 8.2.1相控开关的基本结构155 8.2.2短路故障的相控开断156 8.2.3相控真空开关的应用实例158 8.3多断口真空开关的同步补偿160 8.3.1多断口真空断路器的基本操作 控制160 8.3.2多断口真空断路器的主动异步 开断162 8.3.3实施案例166 8.4真空开关的电磁兼容与可靠性167 8.4.1电磁干扰源168 8.4.2电磁干扰的抑制168 8.4.3电磁兼容试验170 8.4.4智能真空开关的可靠性评价171 参考文献176第1章绪论1 1.1矿井提升机1 1.1.1背景1 1.1.2摩擦式提升机2 1.1.3缠绕式提升机3 1.2我国矿井提升机的现状4 1.3现代设计方法在矿井提升机设计 中的应用5 1.4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9 2.1基于集中参数离散模型的钢丝绳 纵向振动力学方程10 2.2基于分布参数连续模型的钢丝绳 横向振动力学方程11 2.3基于绝对节点坐标法的钢丝绳 动力学模型13 2.3.1绝对节点坐标方程14 2.3.2绝对节点坐标方程约束的 添加20 2.3.3基于绝对节点坐标法的钢丝绳 多体动力学方程22 2.4基于相对节点方程的钢丝绳 建模方法25 2.4.1单元的划分25 2.4.2相对节点方程26 2.4.3节点弹性力的计算31 2.4.4钢丝绳接触模型34 2.4.5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41 3.1矿井提升机设计与钢丝绳相关的 动力学问题41 3.2钢丝绳的提升能力41 3.2.1单绳缠绕式提升机提升方式的 极限提升能力41 3.2.2钢丝绳公称抗拉强度对提升 能力的影响42 3.2.3钢丝绳结构对提升能力的 影响43 3.3与钢丝绳承载性能有关的结构 设计实例44 3.3.1结构设计方案选择的应用 实例44 3.3.2钢丝绳缠绕过程的运动耦合 特征的应用实例47 3.3.3摩擦提升机的动力学特性及 影响因素50 3.3.4超深井多绳摩擦式提升机的 极限提升能力54 3.3.5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75 4.1摩擦式提升机的纵向振动75 4.1.1摩擦式提升机的结构75 4.1.2摩擦式提升机的纵向振动 模型76 4.1.3摩擦式提升机的纵向 振动模型参数分析77 4.1.4摩擦式提升机的纵向振动 方程79 4.1.5摩擦式提升机纵向振动 方程的求解82 4.2摩擦式提升机的横向振动83 4.2.1摩擦式提升机的横向振动 模型84 4.2.2摩擦式提升机的横向振动 方程84 4.2.3摩擦式提升机的横向振动 能量分析86 4.2.4摩擦式提升机横向振动 方程的求解87 4.3JKM4.5×6 (Ⅳ)摩擦式提升机的 振动特性仿真分析90 4.3.1JKM4.5×6 (Ⅳ)摩擦式提 升机的纵向振动分析91 4.3.2JKM4.5×6 (Ⅳ)摩擦式提 升机的横向振动分析100 4.4摩擦式提升机的摩擦传动 动力学模型109 4.4.1平面梁单元的绝对节点 坐标方程109 4.4.2平面梁单元的绝对节点坐标方程的修正114 4.4.3钢丝绳与摩擦轮的摩擦接触 模型117 4.4.4摩擦式提升机的摩擦传动动 力学方程120 4.4.5摩擦式提升机的摩擦传动动 力学方程求解122 4.4.6JKM4.5×6 (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有限元常用软件137 5.1.5ANSYS Workbench的 介绍137 5.1.6ANSYS Workbench的 分析步骤138 5.2虚拟样机技术139 5.2.1虚拟样机139 5.2.2虚拟样机技术的理论 基础140 5.3RecurDyn软件145 5.3.1概述145 5.3.2RecurDyn V8R1的基本 模块145 5.3.3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148 6.1引言148 6.2有限元法在矿井提升机主轴装置 设计中的应用148 6.2.1矿井提升机的主轴装置148 6.2.2主轴装置建模149 6.2.3计算结果及分析151 6.3有限元法在钢丝绳张力耦合变化 特性分析中的应用157 6.3.1钢丝绳缠绕模型的建模157 6.3.2不同包角下钢丝绳股内各 丝张力分布的仿真分析162 6.4矿井提升机制动过程的热-结构 耦合分析168 6.4.1分析内容168 6.4.2制动过程中的载荷及边界 条件施加168 6.4.3紧急制动工况下制动器的热- 结构仿真计算与分析169 6.5有限元法在钢丝绳-提升容器作业 过程力学分析中的应用174 6.5.1钢丝绳-提升容器有限元 建模174 6.5.2钢丝绳-提升容器作业过程的 动力学分析176 6.6有限元法在缠绕式提升机主轴装置 分析中的应用180 6.6.1卷筒结构的受力分析180 6.6.2主轴结构的受力分析183 6.6.3承载结构作业过程中的动 态应力分析185 6.7有限元法在卷筒部分的结构优 化中的应用187 6.7.1卷筒的优化设计189 6.7.2卷筒支轮的优化设计190 6.8有限元法在承载结构疲劳寿命分析 中的应用192 6.8.1矿井提升机卷筒的疲劳 寿命192 6.8.2矿井提升机主轴的疲劳 寿命194 6.8.3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197 7.1柔性体建模技术197 7.1.1基于模态坐标的柔性体 建模方法197 7.1.2有限元多柔性体建模 原理200 7.1.3多柔性体技术中柔性体的 描述200 7.2摩擦式提升机的虚拟样机 仿真205 7.2.1主轴装置的建模205 7.2.2钢丝绳的建模209 7.2.3提升容器及配重的建模209 7.2.4外部载荷的输入209 7.2.5虚拟样机模型209 7.2.6数值仿真及结果分析209 7.2.7钢丝绳受力不平衡的 分析214 7.3缠绕式提升机的虚拟样机 仿真216 7.3.1虚拟样机模型216 7.3.2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224 7.4矿井提升机虚拟样机建模与紧急 制动动力学仿真227 7.4.1分析对象227 7.4.2矿井提升机模型的简化与 建立227 7.4.3双卷筒矿井提升机的边界条件 施加和虚拟样机建模228 7.4.4双卷筒矿井提升机的紧急制 动特性仿真229 7.4.5满载提升容器的紧急 制动229 7.4.6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237 8.1分析目的237 8.2疲劳设计及分析方法237 8.2.1疲劳设计方法237 8.2.2疲劳寿命分析方法238 8.2.3矿井提升机随机载荷的疲劳 寿命分析方法239 8.2.4雨流计数法242 8.2.5矿井提升机主轴的疲劳分析 方法及选用243 8.3摩擦式提升机的动应力响应 计算模型244 8.3.1摩擦式提升机主轴装置的多体 动力学建模246 8.3.2摩擦式提升机钢丝绳的多体 动力学建模248 8.3.3摩擦式提升机提升容器及 罐道的多体动力学建模248 8.3.4摩擦式提升机多体动力学 模型的外部载荷输入248 8.3.5摩擦式提升机的动应力响 应计算模型249 8.3.6摩擦式提升机的动应力 历程计算结果249 8.4摩擦式提升机部件的疲劳 寿命估算255 8.4.1摩擦式提升机部件基于P-S- N曲线的疲劳分析255 8.4.2摩擦式提升机部件的剩余 疲劳寿命估算259 8.5利用虚拟样机在超深井提升机 设计中的应用264 8.5.1多绳缠绕式提升机的动载荷 预测分析264 8.5.2张力均衡的方法266 8.5.3浮动天轮张力平衡装置调绳 能力的仿真分析273 第9章矿井提升机的试验与动力学 模型的验证278 9.1摩擦式提升机试验的内容及 测试方法278 9.1.1试验的内容279 9.1.2测试设备及测试方法2809.1.3试验测试点的布置281 9.2摩擦式提升机的试验结果及与理论 结果的比较283 9.2.1提升容器速度和加速度试验的 结果与分析284 9.2.2钢丝绳张力试验的结果与 分析290 9.2.3主轴及卷筒动应力试验的 结果与分析293 9.2.4试验结果与理论结果的 误差分析297 9.3缠绕式提升机的试验结果及与 理论结果的比较298 9.3.1测试试验台的虚拟样机 模型298 9.3.2仿真模型的调试与试算301 9.3.3测试值与计算值的比较301 9.4双绳缠绕式提升系统的纵振、 横振试验306 9.4.1提升系统的纵振试验306 9.4.2基于数字样机的提升系统的 横振试验310 9.4.3基于数字样机的提升系统的 张力验证315 参考文献318