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40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