●前言
第1章 直流電力繫統與電力開關設備 1
1.1 直流電力繫統的發展 1
1.2 直流繫統應用典型場合 4
1.2.1 高壓直流輸電繫統 4
1.2.2 城市直流配網 9
1.2.3 地鐵直流配電繫統 10
1.2.4 飛機直流供電繫統 10
1.3 直流電力開關設備的作用與發展 11
1.3.1 直流電力開關電器的作用 11
1.3.2 直流電力開關電器的發展 12
參考文獻 14
第2章 直流開斷基本原理和方案 17
2.1 直流開斷過程的數學描述 17
2.1.1 直流開斷基本方程與條件 17
2.1.2 直流開斷波形示意 18
2.2 直流開斷性能描述的主要參數 20
2.3 機械滅弧式直流開斷方案 24
2.4 多支路換流型直流開斷方案 27
2.4.1 自激振蕩式開斷方案 27
2.4.2 電流注入式開斷方案 29
2.4.3 混合式開斷方案 30
2.5 直流電弧特性和熄滅原理 31
2.5.1 開斷過程的電弧現像 31
2.5.2 直流電弧的伏安特性 32
2.5.3 直流電弧的熄滅原理 35
參考文獻 36
第3章 放電等離子體基礎數據及直流電弧仿真 38
3.1 放電等離子體基礎數據 38
3.1.1 電弧等離子體物性參數計算 38
3.1.2 電弧等離子體輻射輸運繫數計算 46
3.1.3 等離子體化學反應速率常數計算 48
3.2 直流電弧仿真 49
3.2.1 電弧燃燒過程 50
3.2.2 電弧熄滅過程 52
3.2.3 電壓耐受過程 56
3.3 電弧物性參數對電弧行為的潛在影響 59
3.3.1 開斷介質對電弧半徑的影響 59
3.3.2 材料燒蝕對電弧特性的影響 60
參考文獻 62
第4章 機械滅弧式直流開斷1：直流接觸器 65
4.1 直流接觸器的工作原理和結構 65
4.1.1 基本結構 65
4.1.2 基本工作原理 66
4.2 直流接觸器電磁機構特性分析 68
4.2.1 靜態特性分析 68
4.2.2 動態特性分析 70
4.3 直流接觸器的滅弧原理和方法 72
4.4 氣體介質中直流電弧的燃弧特性 73
4.4.1 不同氣體介質中的穩態燃弧特性 74
4.4.2 磁吹作用下不同氣體中直流電弧的燃弧特性 75
4.4.3 吹弧磁場強度對燃弧特性的影響 76
4.4.4 氣體介質壓強對燃弧特性的影響 78
4.5 滅弧室大小對直流接觸器開斷特性的影響 80
參考文獻 82
第5章 機械滅弧式直流開斷2：直流斷路器 84
5.1 機械滅弧式直流斷路器基本結構 84
5.2 機械滅弧式直流斷路器滅弧室 85
5.2.1 柵片式空氣滅弧室的基本原理 85
5.2.2 柵片式空氣滅弧室內電弧運動過程 86
5.2.3 直流開斷的背後擊穿現像 87
5.2.4 臨界電流開斷 88
5.3 機械滅弧式直流斷路器操作結構 90
5.3.1 合閘機構 90
5.3.2 脫扣機構 92
5.4 機械滅弧式直流斷路器開斷特性的影響因素 94
5.4.1 觸頭打開速度的影響 94
5.4.2 柵片結構的影響 96
5.4.3 滅弧室尺寸的影響 97
5.4.4 跑弧道結構的影響 98
5.5 機械滅弧式直流開斷典型開斷波形 101
參考文獻 102
第6章 自激振蕩式直流開斷技術 105
6.1 自激振蕩式直流開關的基本原理 106
6.1.1 自激振蕩式直流開關的基本組成 106
6.1.2 自激振蕩式直流開關的工作原理 106
6.2 自激振蕩式直流開關數學模型 107
6.2.1 基於Mayr模型的自激振蕩式直流開關模型 109
6.2.2 基於電弧磁流體動力學的自激振蕩式直流開關模型 115
6.3 自激振蕩式直流開關開斷過程影響因素 117
6.3.1 轉移支路電感參數對電流振蕩過程的影響 117
6.3.2 轉移支路電容參數對電流振蕩過程的影響 121
6.3.3 斷路器分閘速度對電流振蕩過程的影響 123
6.4 自激振蕩式直流開斷技術的應用概述 124
6.4.1 已有典型產品情況 124
6.4.2 已有的應用情況 127
參考文獻 127
第7章 電力電子技術在直流開斷中的應用 130
7.1 直流開斷中常用電力電子器件 130
7.1.1 二極管 130
7.1.2 晶閘管 131
7.1.3 門極關斷晶閘管 131
7.1.4 絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) 132
7.1.5 集成門極換流晶體管(IGCT) 133
7.1.6 發射極關斷晶閘管(ETO) 134
7.2 電力電子組件結構及吸收電路連接方式 135
7.2.1 電力電子組件結構 135
7.2.2 電力電子緩衝保護 135
7.3 直流開斷工況下電力電子器件模型分析 138
7.3.1 器件建模方法 138
7.3.2 適用於直流開斷應用的電力電子器件模型 138
7.4 直流開斷工況下電力電子盡限應用 146
7.4.1 基於電熱應力疲勞失效分析的盡限應用 146
7.4.2 基於電路結構改進的盡限應用 151
7.5 電力電子器件關斷能力提升研究 157
7.5.1 基於IGCT預關斷激勵振蕩的關斷能力提升方案 157
7.5.2 基於集成發射極關斷晶閘管(IETO)的關斷能力提升方案 164
參考文獻 167
第8章 電流注入式直流開斷技術 171
8.1 電流注入式直流開斷的基本原理 171
8.1.1 電流注入式直流斷路器的組成 171
8.1.2 電流注入式直流斷路器的操作原理 172
8.2 基於預充電電容轉移的電流注入式直流斷路器 172
8.2.1 基於預充電電容轉移的電流注入式開斷原理 173
8.2.2 拓撲結構開斷特性仿真計算 174
8.2.3 拓撲結構的優化設計 176
8.3 基於磁耦合轉移的電流注入式直流斷路器 185
8.3.1 基於磁耦合轉移的電流注入式開斷原理 185
8.3.2 磁耦合轉移模塊建模及仿真分析 191
8.3.3 開斷特性分析 200
8.3.4 拓撲結構的優化設計 200
8.4 電流注入式直流開斷技術的應用 202
參考文獻 203
第9章 混合式直流開斷技術 205
9.1 混合式直流開斷的基本原理 205
9.2 基於電力電子關斷轉移的混合式直流斷路器 206
9.2.1 基於電力電子關斷轉移的混合式開斷原理 207
9.2.2 半導體組件結構設計 208
9.2.3 基於電力電子關斷轉移的混合式直流斷路器開斷特性仿真 209
9.2.4 半導體組件熱累積效應分析 212
9.3 基於磁耦合轉移的混合式直流斷路器 214
9.3.1 基於磁耦合轉移的混合式開斷原理 214
9.3.2 磁耦合轉移的關鍵影響因素分析及優化設計 217
9.3.3 基於磁耦合轉移的混合式直流斷路器開斷特性仿真計算 223
9.4 基於弧壓增強轉移的混合式直流斷路器 225
9.4.1 基於弧壓增強轉移的混合式開斷原理 225
9.4.2 斷口電弧電壓提升方法 229
9.4.3 電流轉移特性分析 231
9.5 混合式直流開斷技術的應用 234
9.5.1 混合式直流斷路器在高壓領域的應用 235
9.5.2 混合式直流斷路器在中壓領域的應用 236
參考文獻 237
第10章 阻尼式直流開斷技術 240
10.1 阻尼式直流開斷的基本原理 240
10.1.1 阻尼式直流斷路器的基本組成 240
10.1.2 阻尼式直流斷路器的工作原理 242
10.2 阻尼式直流開斷的基本過程分析 248
10.2.1 電流轉移與過零分析 249
10.2.2 反向電壓建立與耐受分析 250
10.2.3 電能耗散特性分析 251
10.3 阻尼式直流斷路器開斷特性 253
10.3.1 額定電流開斷 253
10.3.2 短路電流開斷 254
10.3.3 不同電壓等級適應性分析 254
參考文獻 256
第11章 直流高速機械開關 258
11.1 直流高速機械開關需求現狀 258
11.1.1 高速機械開關的需求 258
11.1.2 高速機械開關技術現狀 259
11.1.3 高速機械開關難點分析 261
11.2 直流高速機械開關原理與結構 262
11.2.1 電磁斥力機構原理 262
11.2.2 高速機械開關組成結構 263
11.3 直流高速機械開關仿真方法 266
11.3.1 開關運動特性仿真方法 266
11.3.2 開關應力特性仿真方法 269
11.4 直流高速機械開關機構設計 273
11.4.1 快速分閘設計 273
11.4.2 合閘保持設計 283
11.4.3 緩衝特性設計 284
11.4.4 絕緣拉杆設計 294
11.5 直流高速機械開關測試方法 298
11.5.1 斷口擊穿特性測試 298
11.5.2 機構分閘性能測試 302
參考文獻 304
第12章 直流繫統短路電流技術 306
12.1 直流限流技術需求現狀 306
12.1.1 需求背景 306
12.1.2 發展現狀 308
12.2 直流超導限流技術 310
12.2.1 電阻型超導限流器 310
12.2.2 飽和型超導限流器 312
12.2.3 混合型超導限流器 313
12.3 電力電子式限流技術 314
12.3.1 固態式限流器 314
12.3.2 混合式限流器 315
12.4 液態金屬型限流技術 317
12.5 混合型限流熔斷器技術 319
12.6 PTC限流器技術 320
參考文獻 321
第13章 直流短路電流快速識別技術 324
13.1 直流短路識別需求現狀 324
13.1.1 直流短路識別技術需求 324
13.1.2 直流短路識別技術現狀 325
13.2 直流短路電流快速識別方法 326
13.2.1 電子式識別 327
13.2.2 電磁式識別 330
13.3 直流電流傳感裝置 331
13.3.1 直流電流傳感裝置的技術分類 331
13.3.2 光纖電流傳感器技術 333
13.4 短路電流識別裝置功能模塊 337
13.4.1 高速數據采集模塊設計 337
13.4.2 FIR數字濾波程序模塊設計 338
13.4.3 DDL保護算法模塊設計 339
13.4.4 短路電流識別裝置設計要求 339
參考文獻 342

本書以直流電力開關裝備領域多年的研究工作成果為基礎，力圖反映近年來國內外相關的研究成果和發展態勢。全書共13章。第1～3章以直流開斷基礎為主，主要包括直流開關電器作用及發展現狀、直流開斷基本原理及方案、放電等離子體及直流電弧；第4、5章介紹機械滅弧式直流開斷方案，包括接觸器和直流斷路器；第6～10章介紹多支路換流型直流開斷方案，內容包括電力電子器件的直流開斷應用與自激振蕩式、電流注入式、混合式、阻尼式直流開斷方案；第11～13章為直流開斷共性技術，內容包括直流短路故障電流、識別方法與直流高速機械開關。 本書可以為電力開關裝備、直流電力繫統設計研究人員，以及高等院校相關專業的師生提供參考。