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直流开断基础及技术应用
作者：荣命哲，吴翊，杨飞 著
出版社：科学出版社
出版时间：2021-11-01
ISBN：9787030698629
定价：¥168.00
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内容简介
《直流开断基础及技术应用》以直流电力开关装备领域多年的研究工作成果为基础，力图反映近年来国内外相关的研究成果和发展态势。《直流开断基础及技术应用》共13章。第1～3章以直流开断基础为主，主要包括直流开关电器作用及发展现状、直流开断基本原理及方案、放电等离子体及直流电弧；第4、5章介绍机械灭弧式直流开断方案，包括接触器和直流断路器；第6～10章介绍多支路换流型直流开断方案，内容包括电力电子器件的直流开断应用与自激振荡式、电流注入式、混合式、阻尼式直流开断方案；第11～13章为直流开断共性技术，内容包括直流短路故障电流限制、识别方法与直流高速机械开关。
作者简介
暂缺《直流开断基础及技术应用》作者简介
目录
目录
前言
第1章 直流电力系统与电力开关设备 1
1.1 直流电力系统的发展 1
1.2 直流系统应用典型场合 4
1.2.1 高压直流输电系统 4
1.2.2 城市直流配网 9
1.2.3 地铁直流配电系统 10
1.2.4 飞机直流供电系统 10
1.3 直流电力开关设备的作用与发展 11
1.3.1 直流电力开关电器的作用 11
1.3.2 直流电力开关电器的发展 12
参考文献 14
第2章 直流开断基本原理和方案 17
2.1 直流开断过程的数学描述 17
2.1.1 直流开断基本方程与条件 17
2.1.2 直流开断波形示意 18
2.2 直流开断性能描述的主要参数 20
2.3 机械灭弧式直流开断方案 24
2.4 多支路换流型直流开断方案 27
2.4.1 自激振荡式开断方案 27
2.4.2 电流注入式开断方案 29
2.4.3 混合式开断方案 30
2.5 直流电弧特性和熄灭原理 31
2.5.1 开断过程的电弧现象 31
2.5.2 直流电弧的伏安特性 32
2.5.3 直流电弧的熄灭原理 35
参考文献 36
第3章 放电等离子体基础数据及直流电弧仿真 38
3.1 放电等离子体基础数据 38
3.1.1 电弧等离子体物性参数计算 38
3.1.2 电弧等离子体辐射输运系数计算 46
3.1.3 等离子体化学反应速率常数计算 48
3.2 直流电弧仿真 49
3.2.1 电弧燃烧过程 50
3.2.2 电弧熄灭过程 52
3.2.3 电压耐受过程 56
3.3 电弧物性参数对电弧行为的潜在影响 59
3.3.1 开断介质对电弧半径的影响 59
3.3.2 材料烧蚀对电弧特性的影响 60
参考文献 62
第4章 机械灭弧式直流开断1：直流接触器 65
4.1 直流接触器的工作原理和结构 65
4.1.1 基本结构 65
4.1.2 基本工作原理 66
4.2 直流接触器电磁机构特性分析 68
4.2.1 静态特性分析 68
4.2.2 动态特性分析 70
4.3 直流接触器的灭弧原理和方法 72
4.4 气体介质中直流电弧的燃弧特性 73
4.4.1 不同气体介质中的稳态燃弧特性 74
4.4.2 磁吹作用下不同气体中直流电弧的燃弧特性 75
4.4.3 吹弧磁场强度对燃弧特性的影响 76
4.4.4 气体介质压强对燃弧特性的影响 78
4.5 灭弧室大小对直流接触器开断特性的影响 80
参考文献 82
第5章 机械灭弧式直流开断2：直流断路器 84
5.1 机械灭弧式直流断路器基本结构 84
5.2 机械灭弧式直流断路器灭弧室 85
5.2.1 栅片式空气灭弧室的基本原理 85
5.2.2 栅片式空气灭弧室内电弧运动过程 86
5.2.3 直流开断的背后击穿现象 87
5.2.4 临界电流开断 88
5.3 机械灭弧式直流断路器操作结构 90
5.3.1 合闸机构 90
5.3.2 脱扣机构 92
5.4 机械灭弧式直流断路器开断特性的影响因素 94
5.4.1 触头打开速度的影响 94
5.4.2 栅片结构的影响 96
5.4.3 灭弧室尺寸的影响 97
5.4.4 跑弧道结构的影响 98
5.5 机械灭弧式直流开断典型开断波形 101
参考文献 102
第6章 自激振荡式直流开断技术 105
6.1 自激振荡式直流开关的基本原理 106
6.1.1 自激振荡式直流开关的基本组成 106
6.1.2 自激振荡式直流开关的工作原理 106
6.2 自激振荡式直流开关数学模型 107
6.2.1 基于Mayr模型的自激振荡式直流开关模型 109
6.2.2 基于电弧磁流体动力学的自激振荡式直流开关模型 115
6.3 自激振荡式直流开关开断过程影响因素 117
6.3.1 转移支路电感参数对电流振荡过程的影响 117
6.3.2 转移支路电容参数对电流振荡过程的影响 121
6.3.3 断路器分闸速度对电流振荡过程的影响 123
6.4 自激振荡式直流开断技术的应用概述 124
6.4.1 已有典型产品情况 124
6.4.2 已有的应用情况 127
参考文献 127
第7章 电力电子技术在直流开断中的应用 130
7.1 直流开断中常用电力电子器件 130
7.1.1 二极管 130
7.1.2 晶闸管 131
7.1.3 门极关断晶闸管 131
7.1.4 绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 132
7.1.5 集成门极换流晶体管(IGCT) 133
7.1.6 发射极关断晶闸管(ETO) 134
7.2 电力电子组件结构及吸收电路连接方式 135
7.2.1 电力电子组件结构 135
7.2.2 电力电子缓冲保护 135
7.3 直流开断工况下电力电子器件模型分析 138
7.3.1 器件建模方法 138
7.3.2 适用于直流开断应用的电力电子器件模型 138
7.4 直流开断工况下电力电子尽限应用 146
7.4.1 基于电热应力疲劳失效分析的尽限应用 146
7.4.2 基于电路结构改进的尽限应用 151
7.5 电力电子器件关断能力提升研究 157
7.5.1 基于IGCT预关断激励振荡的关断能力提升方案 157
7.5.2 基于集成发射极关断晶闸管(IETO)的关断能力提升方案 164
参考文献 167
第8章 电流注入式直流开断技术 171
8.1 电流注入式直流开断的基本原理 171
8.1.1 电流注入式直流断路器的组成 171
8.1.2 电流注入式直流断路器的操作原理 172
8.2 基于预充电电容转移的电流注入式直流断路器 172
8.2.1 基于预充电电容转移的电流注入式开断原理 173
8.2.2 拓扑结构开断特性仿真计算 174
8.2.3 拓扑结构的优化设计 176
8.3 基于磁耦合转移的电流注入式直流断路器 185
8.3.1 基于磁耦合转移的电流注入式开断原理 185
8.3.2 磁耦合转移模块建模及仿真分析 191
8.3.3 开断特性分析 200
8.3.4 拓扑结构的优化设计 200
8.4 电流注入式直流开断技术的应用 202
参考文献 203
第9章 混合式直流开断技术 205
9.1 混合式直流开断的基本原理 205
9.2 基于电力电子关断转移的混合式直流断路器 206
9.2.1 基于电力电子关断转移的混合式开断原理 207
9.2.2 半导体组件结构设计 208
9.2.3 基于电力电子关断转移的混合式直流断路器开断特性仿真 209
9.2.4 半导体组件热累积效应分析 212
9.3 基于磁耦合转移的混合式直流断路器 214
9.3.1 基于磁耦合转移的混合式开断原理 214
9.3.2 磁耦合转移的关键影响因素分析及优化设计 217
9.3.3 基于磁耦合转移的混合式直流断路器开断特性仿真计算 223
9.4 基于弧压增强转移的混合式直流断路器 225
9.4.1 基于弧压增强转移的混合式开断原理 225
9.4.2 断口电弧电压提升方法 229
9.4.3 电流转移特性分析 231
9.5 混合式直流开断技术的应用 234
9.5.1 混合式直流断路器在高压领域的应用 235
9.5.2 混合式直流断路器在中压领域的应用 236
参考文献 237
第10章 阻尼式直流开断技术 240
10.1 阻尼式直流开断的基本原理 240
10.1.1 阻尼式直流断路器的基本组成 240
10.1.2 阻尼式直流断路器的工作原理 242
10.2 阻尼式直流开断的基本过程分析 248
10.2.1 电流转移与过零分析 249
10.2.2 反向电压建立与耐受分析 250
10.2.3 电能耗散特性分析 251
10.3 阻尼式直流断路器开断特性 253
10.3.1 额定电流开断 253
10.3.2 短路电流开断 254
10.3.3 不同电压等级适应性分析 254
参考文献 256
第11章 直流高速机械开关 258
11.1 直流高速机械开关需求现状 258
11.1.1 高速机械开关的需求 258
11.1.2 高速机械开关技术现状 259
11.1.3 高速机械开关难点分析 261
11.2 直流高速机械开关原理与结构 262
11.2.1 电磁斥力机构原理 262
11.2.2 高速机械开关组成结构 263
11.3 直流高速机械开关仿真方法 266
11.3.1 开关运动特性仿真方法 266
11.3.2 开关应力特性仿真方法 269
11.4 直流高速机械开关机构设计 273
11.4.1 快速分闸设计 273
11.4.2 合闸保持设计 283
11.4.3 缓冲特性设计 284
11.4.4 绝缘拉杆设计 294
11.5 直流高速机械开关测试方法 298
11.5.1 断口击穿特性测试 298
11.5.2 机构分闸性能测试 302
参考文献 304
第12章 直流系统短路电流限制技术 306
12.1 直流限流技术需求现状 306
12.1.1 需求背景 306
12.1.2 发展现状 308
12.2 直流超导限流技术 310
12.2.1 电阻型超导限流器 310
12.2.2 饱和型超导限流器 312
12.2.3 混合型超导限流器 313
12.3 电力电子式限流技术 314
12.3.1 固态式限流器 314
12.3.2 混合式限流器 315
12.4 液态金属型限流技术 317
12.5 混合型限流熔断器技术 319
12.6 PTC限流器技术 320
参考文献 321
第13章 直流短路电流快速识别技术 324
13.1 直流短路识别需求现状 324
13.1.1 直流短路识别技术需求 324
13.1.2 直流短路识别技术现状 325
13.2 直流短路电流快速识别方法 326
13.2.1 电子式识别 327
13.2.2 电磁式识别 330
13.3 直流电流传感装置 331
13.3.1 直流电流传感装置的技术分类 331
13.3.2 光纤电流传感器技术 333
13.4 短路电流识别装置功能模块 337
13.4.1 高速数据采集模块设计 337
13.4.2 FIR数字滤波程序模块设计 338
13.4.3 DDL保护算法模块设计 339
13.4.4 短路电流识别装置设计要求 339
参考文献 342
前言
第1章 直流电力系统与电力开关设备 1
1.1 直流电力系统的发展 1
1.2 直流系统应用典型场合 4
1.2.1 高压直流输电系统 4
1.2.2 城市直流配网 9
1.2.3 地铁直流配电系统 10
1.2.4 飞机直流供电系统 10
1.3 直流电力开关设备的作用与发展 11
1.3.1 直流电力开关电器的作用 11
1.3.2 直流电力开关电器的发展 12
参考文献 14
第2章 直流开断基本原理和方案 17
2.1 直流开断过程的数学描述 17
2.1.1 直流开断基本方程与条件 17
2.1.2 直流开断波形示意 18
2.2 直流开断性能描述的主要参数 20
2.3 机械灭弧式直流开断方案 24
2.4 多支路换流型直流开断方案 27
2.4.1 自激振荡式开断方案 27
2.4.2 电流注入式开断方案 29
2.4.3 混合式开断方案 30
2.5 直流电弧特性和熄灭原理 31
2.5.1 开断过程的电弧现象 31
2.5.2 直流电弧的伏安特性 32
2.5.3 直流电弧的熄灭原理 35
参考文献 36
第3章 放电等离子体基础数据及直流电弧仿真 38
3.1 放电等离子体基础数据 38
3.1.1 电弧等离子体物性参数计算 38
3.1.2 电弧等离子体辐射输运系数计算 46
3.1.3 等离子体化学反应速率常数计算 48
3.2 直流电弧仿真 49
3.2.1 电弧燃烧过程 50
3.2.2 电弧熄灭过程 52
3.2.3 电压耐受过程 56
3.3 电弧物性参数对电弧行为的潜在影响 59
3.3.1 开断介质对电弧半径的影响 59
3.3.2 材料烧蚀对电弧特性的影响 60
参考文献 62
第4章 机械灭弧式直流开断1：直流接触器 65
4.1 直流接触器的工作原理和结构 65
4.1.1 基本结构 65
4.1.2 基本工作原理 66
4.2 直流接触器电磁机构特性分析 68
4.2.1 静态特性分析 68
4.2.2 动态特性分析 70
4.3 直流接触器的灭弧原理和方法 72
4.4 气体介质中直流电弧的燃弧特性 73
4.4.1 不同气体介质中的稳态燃弧特性 74
4.4.2 磁吹作用下不同气体中直流电弧的燃弧特性 75
4.4.3 吹弧磁场强度对燃弧特性的影响 76
4.4.4 气体介质压强对燃弧特性的影响 78
4.5 灭弧室大小对直流接触器开断特性的影响 80
参考文献 82
第5章 机械灭弧式直流开断2：直流断路器 84
5.1 机械灭弧式直流断路器基本结构 84
5.2 机械灭弧式直流断路器灭弧室 85
5.2.1 栅片式空气灭弧室的基本原理 85
5.2.2 栅片式空气灭弧室内电弧运动过程 86
5.2.3 直流开断的背后击穿现象 87
5.2.4 临界电流开断 88
5.3 机械灭弧式直流断路器操作结构 90
5.3.1 合闸机构 90
5.3.2 脱扣机构 92
5.4 机械灭弧式直流断路器开断特性的影响因素 94
5.4.1 触头打开速度的影响 94
5.4.2 栅片结构的影响 96
5.4.3 灭弧室尺寸的影响 97
5.4.4 跑弧道结构的影响 98
5.5 机械灭弧式直流开断典型开断波形 101
参考文献 102
第6章 自激振荡式直流开断技术 105
6.1 自激振荡式直流开关的基本原理 106
6.1.1 自激振荡式直流开关的基本组成 106
6.1.2 自激振荡式直流开关的工作原理 106
6.2 自激振荡式直流开关数学模型 107
6.2.1 基于Mayr模型的自激振荡式直流开关模型 109
6.2.2 基于电弧磁流体动力学的自激振荡式直流开关模型 115
6.3 自激振荡式直流开关开断过程影响因素 117
6.3.1 转移支路电感参数对电流振荡过程的影响 117
6.3.2 转移支路电容参数对电流振荡过程的影响 121
6.3.3 断路器分闸速度对电流振荡过程的影响 123
6.4 自激振荡式直流开断技术的应用概述 124
6.4.1 已有典型产品情况 124
6.4.2 已有的应用情况 127
参考文献 127
第7章 电力电子技术在直流开断中的应用 130
7.1 直流开断中常用电力电子器件 130
7.1.1 二极管 130
7.1.2 晶闸管 131
7.1.3 门极关断晶闸管 131
7.1.4 绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 132
7.1.5 集成门极换流晶体管(IGCT) 133
7.1.6 发射极关断晶闸管(ETO) 134
7.2 电力电子组件结构及吸收电路连接方式 135
7.2.1 电力电子组件结构 135
7.2.2 电力电子缓冲保护 135
7.3 直流开断工况下电力电子器件模型分析 138
7.3.1 器件建模方法 138
7.3.2 适用于直流开断应用的电力电子器件模型 138
7.4 直流开断工况下电力电子尽限应用 146
7.4.1 基于电热应力疲劳失效分析的尽限应用 146
7.4.2 基于电路结构改进的尽限应用 151
7.5 电力电子器件关断能力提升研究 157
7.5.1 基于IGCT预关断激励振荡的关断能力提升方案 157
7.5.2 基于集成发射极关断晶闸管(IETO)的关断能力提升方案 164
参考文献 167
第8章 电流注入式直流开断技术 171
8.1 电流注入式直流开断的基本原理 171
8.1.1 电流注入式直流断路器的组成 171
8.1.2 电流注入式直流断路器的操作原理 172
8.2 基于预充电电容转移的电流注入式直流断路器 172
8.2.1 基于预充电电容转移的电流注入式开断原理 173
8.2.2 拓扑结构开断特性仿真计算 174
8.2.3 拓扑结构的优化设计 176
8.3 基于磁耦合转移的电流注入式直流断路器 185
8.3.1 基于磁耦合转移的电流注入式开断原理 185
8.3.2 磁耦合转移模块建模及仿真分析 191
8.3.3 开断特性分析 200
8.3.4 拓扑结构的优化设计 200
8.4 电流注入式直流开断技术的应用 202
参考文献 203
第9章 混合式直流开断技术 205
9.1 混合式直流开断的基本原理 205
9.2 基于电力电子关断转移的混合式直流断路器 206
9.2.1 基于电力电子关断转移的混合式开断原理 207
9.2.2 半导体组件结构设计 208
9.2.3 基于电力电子关断转移的混合式直流断路器开断特性仿真 209
9.2.4 半导体组件热累积效应分析 212
9.3 基于磁耦合转移的混合式直流断路器 214
9.3.1 基于磁耦合转移的混合式开断原理 214
9.3.2 磁耦合转移的关键影响因素分析及优化设计 217
9.3.3 基于磁耦合转移的混合式直流断路器开断特性仿真计算 223
9.4 基于弧压增强转移的混合式直流断路器 225
9.4.1 基于弧压增强转移的混合式开断原理 225
9.4.2 断口电弧电压提升方法 229
9.4.3 电流转移特性分析 231
9.5 混合式直流开断技术的应用 234
9.5.1 混合式直流断路器在高压领域的应用 235
9.5.2 混合式直流断路器在中压领域的应用 236
参考文献 237
第10章 阻尼式直流开断技术 240
10.1 阻尼式直流开断的基本原理 240
10.1.1 阻尼式直流断路器的基本组成 240
10.1.2 阻尼式直流断路器的工作原理 242
10.2 阻尼式直流开断的基本过程分析 248
10.2.1 电流转移与过零分析 249
10.2.2 反向电压建立与耐受分析 250
10.2.3 电能耗散特性分析 251
10.3 阻尼式直流断路器开断特性 253
10.3.1 额定电流开断 253
10.3.2 短路电流开断 254
10.3.3 不同电压等级适应性分析 254
参考文献 256
第11章 直流高速机械开关 258
11.1 直流高速机械开关需求现状 258
11.1.1 高速机械开关的需求 258
11.1.2 高速机械开关技术现状 259
11.1.3 高速机械开关难点分析 261
11.2 直流高速机械开关原理与结构 262
11.2.1 电磁斥力机构原理 262
11.2.2 高速机械开关组成结构 263
11.3 直流高速机械开关仿真方法 266
11.3.1 开关运动特性仿真方法 266
11.3.2 开关应力特性仿真方法 269
11.4 直流高速机械开关机构设计 273
11.4.1 快速分闸设计 273
11.4.2 合闸保持设计 283
11.4.3 缓冲特性设计 284
11.4.4 绝缘拉杆设计 294
11.5 直流高速机械开关测试方法 298
11.5.1 断口击穿特性测试 298
11.5.2 机构分闸性能测试 302
参考文献 304
第12章 直流系统短路电流限制技术 306
12.1 直流限流技术需求现状 306
12.1.1 需求背景 306
12.1.2 发展现状 308
12.2 直流超导限流技术 310
12.2.1 电阻型超导限流器 310
12.2.2 饱和型超导限流器 312
12.2.3 混合型超导限流器 313
12.3 电力电子式限流技术 314
12.3.1 固态式限流器 314
12.3.2 混合式限流器 315
12.4 液态金属型限流技术 317
12.5 混合型限流熔断器技术 319
12.6 PTC限流器技术 320
参考文献 321
第13章 直流短路电流快速识别技术 324
13.1 直流短路识别需求现状 324
13.1.1 直流短路识别技术需求 324
13.1.2 直流短路识别技术现状 325
13.2 直流短路电流快速识别方法 326
13.2.1 电子式识别 327
13.2.2 电磁式识别 330
13.3 直流电流传感装置 331
13.3.1 直流电流传感装置的技术分类 331
13.3.2 光纤电流传感器技术 333
13.4 短路电流识别装置功能模块 337
13.4.1 高速数据采集模块设计 337
13.4.2 FIR数字滤波程序模块设计 338
13.4.3 DDL保护算法模块设计 339
13.4.4 短路电流识别装置设计要求 339
参考文献 342
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