隨著現代電力繫統的飛速發展，真空開關以其優異的特性在電力設備中的占比越來越高。伴隨著工業4*0時代的到來，真空開關技術本身也在快速發展。本書從真空開關基本原理入手, 以電力應用為主要參數背景，從工程技術視角描述真空開關設計、制造與使用中涉及的理論與技術問題，並給出了對下一代真空開關的展望。本書內容共分三部分，第壹部分（*1、2章）是真空開關概論及其工作任務;*二部分（第3~6章）為真空開關主體技術以及相關理論，包括真空滅弧室技術、真空開關開斷過程的物理描述與仿真、高壓真空絕緣以及真空開關的操動機構及其控制;第三部分（第7、8章）為真空開關新應用與發展，包括直流真空開關和真空開關的智能化。

本書可作為高等學校電氣工程相關專業本科生或研究生選修課教材、教學參考書，也可作為電力工程領域的科技人員與電器制造行業產品研發人員的參考書。

前言

*1章真空開關概論1

1.1真空開關的基本結構與工作原理1

1.2真空開關的分類4

1.3真空開關的發展歷史與現狀7

1.4下一代真空開關展望9

參考文獻17

*2章真空開關的工作任務18

2.1電力繫統的短路及斷路器關合短路18

2.2真空開關開斷短路電流的物理過程19

2.2.1真空開關短路開斷零區的介質恢復

與電壓恢復19

2.2.2暫態恢復電壓的表征20

2.3不同負荷常規電流的合分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電力繫統的常規應力與頻繁操作28

2.4.1絕緣要求與環境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操動機構與輔助回路32

2.5.5控制繫統的電磁兼容試驗33

參考文獻35

第3章真空滅弧室技術36

3.1真空滅弧室的歷史、現狀與發展36

3.2真空滅弧室的結構與原理37

3.2.1真空滅弧室的結構37

3.2.2真空滅弧室的工作原理39

3.3電弧控制技術42

3.3.1真空電弧的形態42

3.3.2橫向磁場觸頭結構及熄弧原理43

3.3.3縱向磁場觸頭結構及熄弧原理43

3.4焊接與封接技術45

3.4.1對封接金屬的要求45

3.4.2封接結構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58

4.2真空電弧零區現像60

4.2.1低氣壓等離子體鞘層發展60

4.2.2弧後金屬蒸氣密度衰減規律61

4.2.3真空電弧的弧後電流63

4.2.4真空開關的截流現像64

4.3真空電弧的磁場調控67

4.3.1觸頭結構及其磁場分布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真空間隙的靜態絕緣70

5.1.1真空間隙的靜態絕緣強度70

5.1.2影響真空絕緣的設計與工藝

因素73

5.1.3擊穿弱點與電極材料74

5.1.4基於電場數值分析的126kV雙斷口

真空斷路器滅弧室內絕緣設計75

5.2真空滅弧室弧後動態絕緣78

5.2.1暫態恢復電壓79

5.2.2真空介質強度恢復與TRV79

5.2.3多斷口串聯高壓真空開關的動態

絕緣80

5.3真空中的固體介質81

5.3.1真空中固體介質表面閃絡機理及其

影響因素81

5.3.2真空開關外絕緣分析82

參考文獻83

第6章真空開關的操動機構及其

控制84

6.1真空開關的運動特性與操動機構

參數84

6.1.1真空開關對操動機構運動特性及機

械參數的需求84

6.1.2操動機構的工作參數87

6.1.3運動特性與開斷能力88

6.2彈簧操動機構90

6.2.1彈簧機構的構成90

6.2.2彈簧機構的工作原理91

6.3永磁機構與磁力機構92

6.3.1永磁操動機構的結構原理93

6.3.2磁力操動機構的結構原理93

6.3.3永磁與磁力機構的電磁場分析94

6.3.4永磁機構分析與設計97

6.3.5影響永磁與磁力機構出力特性的

因素101

6.4斥力機構102

6.4.1快速斥力機構的工作原理102

6.4.2斥力機構特性分析103

6.4.3影響斥力機構運動特性的因素104

6.4.4三種電磁機構的比較105

6.5電磁類操動機構的調控105

6.5.1基本控制105

6.5.2調速控制107

參考文獻111

第7章直流真空開關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高壓直流真空開關的典型結構116

7.1.4高壓直流真空開關的參數試驗117

7.2真空開關的中頻開斷119

7.2.1中頻換流參數119

7.2.2臨界開斷參數120

7.2.3繫統剩餘能量的消納122

7.3直流真空開關模塊的串聯122

7.3.1模塊結構設計案例123

7.3.2多斷口直流真空斷路器的同步

控制124

7.3.3同步控制繫統及冗餘設計125

7.4混合式直流斷路器中的快速真空隔離

開關127

7.4.1混合式直流斷路器拓撲127

7.4.2快速開關的工作條件129

7.4.3快速真空開關的運動參數130

7.5中低壓直流真空開關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139

7.5.3雙電源快速切換開關140

參考文獻144

第8章真空開關的智能化145

8.1智能真空開關的信號檢測繫統145

8.1.1現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開關量檢測方法152

8.2相控真空開關154

8.2.1相控開關的基本結構155

8.2.2短路故障的相控開斷156

8.2.3相控真空開關的應用實例158

8.3多斷口真空開關的同步補償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智能真空開關的可靠性評價171

參考文獻176*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狀4

1.3現代設計方法在礦井提升機設計

中的應用5

1.4數值計算方法在礦井提升機設計

中的應用6

*2章礦井提升機鋼絲繩的動力學

建模方法9

2.1基於集中參數離散模型的鋼絲繩

縱向振動力學方程10

2.2基於分布參數連續模型的鋼絲繩

橫向振動力學方程11

2.3基於*對節點坐標法的鋼絲繩

動力學模型13

2.3.1*對節點坐標方程14

2.3.2*對節點坐標方程約束的

添加20

2.3.3基於*對節點坐標法的鋼絲繩

多體動力學方程22

2.4基於相對節點方程的鋼絲繩

建模方法25

2.4的劃分25

2.4.2相對節點方程26

2.4.3節點彈性力的計算31

2.4.4鋼絲繩接觸模型34

2.4.5繫統運動方程求解36

第3章鋼絲繩動力學建模方法在

礦井提升機設計中的

應用41

3.1礦井提升機設計與鋼絲繩相關的

動力學問題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鋼絲繩結構對提升能力的

影響43

3.3與鋼絲繩承載性能有關的結構

設計實例44

3.3.1結構設計方案選擇的應用

實例44

3.3.2鋼絲繩纏繞過程的運動耦合

特征的應用實例47

3.3.3摩擦提升機的動力學特性及

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大尺度強時變柔性提升繫統的

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摩擦式提升機的結構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

動力學模型109

4.4.1平的*對節點

坐標方程109

4.4.2平的*對節點坐標方程的修正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

力學方程120

4.4.5摩擦式提升機的摩擦傳動動

力學方程求解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法和虛擬樣機

技術133

5.法133

5.1.1概述133

5.1.法的思想134

5.1.建模135

5.1.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139

5.2.1虛擬樣機139

5.2.2虛擬樣機技術的理論

基礎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法在礦井提升機

設計中的應用148

6.1引言148

6.法在礦井提升機主軸裝置

設計中的應用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計算結果及分析151

6.法在鋼絲繩張力耦合變化

特性分析中的應用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-結構

耦合分析168

6.4.1分析內容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-

結構仿真計算與分析169

6.法在鋼絲繩-提升容器作業

過程力學分析中的應用174

6.5.1鋼絲繩-提升容

建模174

6.5.2鋼絲繩-提升容器作業過程的

動力學分析176

6.法在纏繞式提升機主軸裝置

分析中的應用180

6.6.1卷筒結構的受力分析180

6.6.2主軸結構的受力分析183

6.6.3承載結構作業過程中的動

態應力分析185

6.法在卷筒部分的結構優

化中的應用187

6.7.1卷筒的優化設計189

6.7.2卷筒支輪的優化設計190

6.法在承載結構疲勞壽命分析

中的應用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章虛擬樣機技術在礦井

提升機設計中的應用197

7.1柔性體建模技術197

7.1.1基於模態坐標的柔性體

建模方法197

7.1.多柔性體建模

原理200

7.1.3多柔性體技術中柔性體的

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數值仿真及結果分析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

制動動力學仿真227

7.4.1分析對像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章數值仿真技術在礦井提升機

分析中的應用237

8.1分析目的237

8.2疲勞設計及分析方法237

8.2.1疲勞設計方法237

8.2.2疲勞壽命分析方法238

8.2.3礦井提升機隨機載荷的疲勞

壽命分析方法239

8.2.4雨流計數法242

8.2.5礦井提升機主軸的疲勞分析

方法及選用243

8.3摩擦式提升機的動應力響應

計算模型244

8.3.1摩擦式提升機主軸裝置的多體

動力學建模246

8.3.2摩擦式提升機鋼絲繩的多體

動力學建模248

8.3.3摩擦式提升機提升容器及

罐道的多體動力學建模248

8.3.4摩擦式提升機多體動力學

模型的外部載荷輸入248

8.3.5摩擦式提升機的動應力響

應計算模型249

8.3.6摩擦式提升機的動應力

歷程計算結果249

8.4摩擦式提升機部件的疲勞

壽命估算255

8.4.1摩擦式提升機部件基於P-S-

N曲線的疲勞分析255

8.4.2摩擦式提升機部件的剩餘

疲勞壽命估算259

8.5利用虛擬樣機在超深井提升機

設計中的應用264

8.5.1多繩纏繞式提升機的動載荷

預測分析264

8.5.2張力均衡的方法266

8.5.3浮動天輪張力平衡裝置調繩

能力的仿真分析273

第9章礦井提升機的試驗與動力學

模型的驗證278

9.1摩擦式提升機試驗的內容及

測試方法278

9.1.1試驗的內容279

9.1.2測試設備及測試方法2809.1.3試驗測試點的布置281

9.2摩擦式提升機的試驗結果及與理論

結果的比較283

9.2.1提升容器速度和加速度試驗的

結果與分析284

9.2.2鋼絲繩張力試驗的結果與

分析290

9.2.3主軸及卷筒動應力試驗的

結果與分析293

9.2.4試驗結果與理論結果的

誤差分析297

9.3纏繞式提升機的試驗結果及與

理論結果的比較298

9.3.1測試試驗臺的虛擬樣機

模型298

9.3.2仿真模型的調試與試算301

9.3.3測試值與計算值的比較301

9.4雙繩纏繞式提升繫統的縱振、

橫振試驗306

9.4.1提升繫統的縱振試驗306

9.4.2基於數字樣機的提升繫統的

橫振試驗310

9.4.3基於數字樣機的提升繫統的

張力驗證315

參考文獻318