本書強調(diào)理論密切聯(lián)系工程應(yīng)用，并且特別重視物理建模的科學(xué)性以及仿真分析結(jié)果有效性的實驗驗證。本書涉及電磁機構(gòu)、發(fā)熱和電動力、電弧電接觸等電器基礎(chǔ)理論，并將其體現(xiàn)在操作機構(gòu)、脫扣器和觸頭滅弧系統(tǒng)等三個低壓斷路器主要組成部分的建模仿真技術(shù)上，主要包括：操作機構(gòu)的運動特性優(yōu)化設(shè)計與壽命評估，不同結(jié)構(gòu)形式的電磁脫扣器和熱脫扣器保護(hù)特性優(yōu)化設(shè)計，觸頭系統(tǒng)的電動穩(wěn)定性和熱動穩(wěn)定性計算，電弧演變過程的數(shù)學(xué)建模與仿真和短路開斷過程的仿真分析等，其中大部分內(nèi)容來自低壓斷路器實際產(chǎn)品的工程設(shè)計，結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)描述具體、翔實，對工程技術(shù)人員進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計和科技人員了解低壓斷路器的建模仿真技術(shù)有很大幫助。
我國低壓電器行業(yè)經(jīng)過了６０多年的發(fā)展，目前已成為全球低壓電器最大制造國。新能源發(fā)電系統(tǒng)、低壓直流電網(wǎng)等也為低壓電器行業(yè)的跨越式發(fā)展和自主創(chuàng)新提供了難得的機遇，同時與國際知名低壓電器公司的競爭也日趨激烈。因此，在低壓電器小型化、智能化、高性能、節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢下，如何提高企業(yè)的核心競爭力，使我國進(jìn)一步成為低壓電器強國，是低壓電器行業(yè)所面臨的重要問題和現(xiàn)實需求。
低壓斷路器的性能在很大程度上反映了一個國家低壓電器的設(shè)計與生產(chǎn)水平。我國低壓斷路器行業(yè)目前正處于擺脫以仿制為主、“經(jīng)驗設(shè)計＋試驗驗證” 相結(jié)合研發(fā)模式的關(guān)鍵時刻，進(jìn)一步推廣低壓斷路器的數(shù)字化建模和仿真技術(shù)對推動整個行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步至關(guān)重要。
本書是西安交通大學(xué)低壓電器科研組近１５年來在低壓斷路器的建模仿真技術(shù)領(lǐng)域研究工作的系統(tǒng)總結(jié)。通過與國內(nèi)外低壓電器企業(yè)的產(chǎn)學(xué)研合作，將建模仿真技術(shù)應(yīng)用于已有產(chǎn)品開斷性能的提升和新系列產(chǎn)品的研發(fā)，并在大量的工程實踐中不斷完善、總結(jié)，形成了具有一定特色的技術(shù)體系。
本書第１章緒論，主要介紹了低壓斷路器的建模仿真技術(shù)發(fā)展概況；第２章和第３章圍繞低壓斷路器操作機構(gòu)，介紹了操作結(jié)構(gòu)動態(tài)特性仿真分析以及疲勞壽命的評估方法；第４章和第５章主要介紹了電磁、熱脫扣器保護(hù)特性的計算方法，低壓斷路器及系統(tǒng)的熱分析技術(shù)；第６章、第７章和第８章圍繞低壓斷路器的觸頭滅弧系統(tǒng)，分別介紹了吹弧磁場、電動斥力和氣動斥力的建模仿真方法，短時耐受電流的計算方法及不同因素的影響，低壓斷路器開斷過程的建模方法以及電弧磁流體動力學(xué)仿真的應(yīng)用。本書在內(nèi)容上注重理論聯(lián)系工程實際，力求能夠使讀者對電器基礎(chǔ)理論有更深刻的認(rèn)識，并幫助讀者提高將理論應(yīng)用于低壓電器產(chǎn)品設(shè)計的能力。
本書是在陳德桂教授與作者２００９年合著出版的《低壓斷路器的虛擬樣機技術(shù)》基礎(chǔ)上，結(jié)合低壓斷路器建模仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢和新近研究成果，以及讀者的反饋，做了較大的刪減和補充，力求更好地為產(chǎn)品設(shè)計提供有益參考，更有效地服務(wù)于人才培養(yǎng)。
陳德桂教授長期擔(dān)任中國電工技術(shù)學(xué)會低壓電器專委會主任和榮譽主任、西安交通大學(xué)電器教研室主任，在科研方向開拓、人才培養(yǎng)、成果推廣應(yīng)用等方面為低壓電器行業(yè)的發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn)，也對本書做出了歷史性的貢獻(xiàn)。此時此刻，尤為懷念在先生指導(dǎo)下的學(xué)習(xí)和工作時光，先生慈祥的目光、諄諄的教誨永留心間，激勵著作者在教學(xué)科研的道路上砥礪前行。也謹(jǐn)以此書深切緬懷恩師！
本書的內(nèi)容包括了本科研組畢業(yè)的博士孫海濤、張敬菽、向洪剛、戴瑞成、汪倩、屈建宇和碩士黃琳敏、王云峰、康艷、童爭光、宋浩永、段建家、陳軻娜、胡書通、李欣、吳剛等的部分研究成果，特此表示感謝。
本書的工作是在多項國家自然科學(xué)基金項目、人才計劃支持項目、電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室自主課題及與國內(nèi)外低壓電器企業(yè)的合作項目等支持下完成的，特此表示感謝。
由于作者水平有限，不妥和錯誤之處在所難免，敬請讀者批評指正。
李興文２０１７年１０月于西安Ⅳ 低壓斷路器的建模仿真技術(shù)
前言
第１章 緒論１
�。�.１ 概述１
�。�.２ 低壓斷路器的建模仿真技術(shù)發(fā)展
概況２
第２章 低壓斷路器操作機構(gòu)動態(tài)特性的
仿真與優(yōu)化設(shè)計４
�。�.１ 低壓塑殼斷路器操作機構(gòu)的仿真
建模４
２.１.１ 低壓塑殼斷路器操作機構(gòu)簡介４
�。�.１.２ 操作機構(gòu)仿真模型的建立４
２.２ 單斷點塑殼斷路器操作機構(gòu)的仿真
分析７
�。�.２.１ 單斷點塑殼斷路器操作機構(gòu)動態(tài)
特性的仿真７
�。�.２.２ ＡＤＡＭＳ軟件中觸頭參數(shù)的測量
方法９
�。�.３ 計及電動斥力效應(yīng)的斷路器分?jǐn)噙^程
仿真分析１２
�。�.３.１ 分?jǐn)喽搪冯娏鞯膶嶒炑芯浚保?
�。�.３.２ 對動觸頭所受電動斥力的分析１３
２.３.３ 計及電動斥力效應(yīng)的斷路器分?jǐn)?
過程仿真分析１６
�。�.４ 低壓塑殼斷路器操作機構(gòu)的優(yōu)化
設(shè)計２１
２.４.１ 影響斷路器分?jǐn)嗨俣鹊闹饕?
因素２１
�。�.４.２ 以關(guān)鍵軸的位置作為設(shè)計變量的
操作機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計２４
２.５ 旋轉(zhuǎn)雙斷點塑殼斷路器操作機構(gòu)的仿
真與優(yōu)化設(shè)計２６
�。�.５.１ 影響斷路器機構(gòu)運動速度的主要
因素２６
２.５.２ 旋轉(zhuǎn)雙斷點塑殼斷路器觸頭卡住
機構(gòu)的研究分析２８
�。�.６ 框架斷路器操作機構(gòu)的仿真與優(yōu)化
設(shè)計３３
�。�.６.１ 框架斷路器的操作機構(gòu)３３
�。�.６.２ 操作機構(gòu)仿真模型的建立３４
�。�.６.３�。粒模粒停榆浖械姆抡娼Y(jié)果３５
２.６.４ 操作機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計３６
�。�.７�。粒模粒停榆浖亩伍_發(fā)技術(shù)３９
�。�.７.１ 用戶界面的開發(fā)３９
２.７.２ 依靠接口程序的二次開發(fā)４０
本章參考文獻(xiàn)４２
第３章 低壓斷路器操作機構(gòu)應(yīng)力分析
與疲勞壽命評估４３
�。�.１ 框架斷路器操作機構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的仿真
分析４３
�。�.１.１ 動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變的計算方法４３
３.１.２ 虛擬樣機模型的建立４５
�。�.１.３ 剛柔耦合混合動力學(xué)模型的
建立４６
�。�.１.４ 上連桿應(yīng)力應(yīng)變分析４７
３.２ 框架斷路器操作機構(gòu)主要構(gòu)件疲勞
壽命的評估５１
�。�.２.１ 低壓斷路器操作機構(gòu)疲勞壽命
的評估方法５１
�。�.２.２ 打擊桿的壽命分析５２
３.２.３ 軸銷的壽命分析５４
�。�.３ 框架斷路器操作機構(gòu)主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)的
優(yōu)化設(shè)計及試驗５６
�。�.３.１ 打擊桿的結(jié)構(gòu)優(yōu)化５７
３.３.２ 軸銷的結(jié)構(gòu)優(yōu)化５９
�。�.３.３ 疲勞壽命的試驗６２
本章參考文獻(xiàn)６３
第４章 電磁脫扣器保護(hù)特性的
計算６４
４.１ 概述６４
�。�.２ 拍合式電磁脫扣器保護(hù)特性的仿真與
分析６６
４.２.１ 脫扣器靜態(tài)特性的計算６６
�。�.２.２ 脫扣器保護(hù)特性的計算６７
４.２.３ 拍合式磁脫扣器保護(hù)特性的
分析７１
�。�.３ 螺管式磁脫扣器保護(hù)特性的仿真
與分析７２
�。�.３.１ 螺管電磁鐵從磁場仿真到等值
磁路的建立７２
�。�.３.２ 靜態(tài)特性的磁路計算方法７４
４.３.３ 動態(tài)特性的計算７５
�。�.４ 高速直流斷路器用磁脫扣器調(diào)節(jié)特
性的分析７７
�。�.４.１ 高速直流斷路器用磁脫扣器的
工作原理７７
�。�.４.２ 高速直流斷路器用磁脫扣器的
靜態(tài)特性與動態(tài)特性７７
�。�.４.３ 高速直流斷路器用磁脫扣器的
調(diào)節(jié)特性分析８０
�。�.５ 電磁脫扣器的優(yōu)化設(shè)計８１
�。�.５.１ 脫扣器幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計８１
�。�.５.２ 反力彈簧參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計８４
�。�.５.３ 小規(guī)格拍合式脫扣器的改進(jìn)
設(shè)計９０
４.５.４ 電磁脫扣器系列化設(shè)計９２
�。�.５.５ 帶永久磁鐵脫扣器抑制電流極性
影響的方法９５
本章參考文獻(xiàn)９８
第５章 低壓斷路器熱分析與熱脫扣器
保護(hù)特性的計算９９
�。�.１ 熱分析的有限元法和熱網(wǎng)絡(luò)法１０１
５.１.１ 用有限元法計算斷路器的
溫度場１０１
�。�.１.２ 熱網(wǎng)絡(luò)法１０２
５.２ 熱源的計算１０３
�。�.２.１ 觸頭接觸電阻１０３
５.２.２ 接線端接觸電阻１０４
�。�.３ 導(dǎo)熱系數(shù)和散熱系數(shù)的確定１０５
５.３.１ 導(dǎo)熱系數(shù)１０５
�。�.３.２ 散熱系數(shù)１０５
５.４ 連接導(dǎo)線的處理１０７
�。�.５ 基于三維有限元法的斷路器熱
分析１０９
�。�.５.１ 小規(guī)格斷路器的熱分析１０９
�。�.５.２ 大規(guī)格斷路器的熱分析１１１
５.６ 熱脫扣器保護(hù)特性的等效熱路計算
方法１１２
�。�.６.１ 熱脫扣器等效熱路的建立１１２
５.６.２ 熱路參數(shù)的計算１１３
�。�.６.３ 熱脫扣器保護(hù)特性的等效熱路的
求解與實驗對比１１５
�。�.７ 基于電磁熱流耦合有限元法的低壓
配電柜熱分析１１７
５.７.１ 電磁熱流耦合的分析方法１１７
�。�.７.２ 低壓配電柜溫升特性的仿真及
實驗研究１２１
５.７.３ 強迫對流對低壓配電柜溫升特
性的影響１２３
本章參考文獻(xiàn)１２４
第６章 吹弧磁場、電動斥力及氣動
斥力仿真與分析１２６
６.１ 概述１２６
�。�.２ 吹弧磁場的分析１２７
６.２.１ 計算方法與步驟１２７
�。�.２.２�。捶N不同結(jié)構(gòu)的觸頭滅弧系統(tǒng)的
吹弧磁場的分析１２８
�。�.３ 電動斥力的分析１３１
�。�.３.１ 計算方法與步驟１３１
６.３.２ 兩種Ｕ形靜觸頭導(dǎo)電回路的電動
斥力與吹弧磁場對比的分析１３３
�。�.４ 塑殼斷路器中的電動斥力１３７
６.４.１ 計算模型１３７
�。�.４.２ 計算結(jié)果及分析１３９
�。�.４.３ 實驗方法及結(jié)果分析１４２
�。�.４.４ 塑殼斷路器觸頭斥開時間與觸頭
壓力的確定１４３
�。�.５ 氣動斥力的研究１４４
�。�.５.１ 實驗?zāi)Ｐ图胺椒ǎ保矗?
�。�.５.２ 預(yù)期短路電流和觸頭間距對氣動
斥力的影響１４８
�。�.５.３ 產(chǎn)氣材料對氣動斥力的影響１５１
６.５.４ 出氣口大小對氣動斥力的
影響１５１
本章參考文獻(xiàn)１５４
第７章 短時耐受電流的計算１５５
�。�.１ 概述１５５
�。�.２ 框架斷路器觸頭系統(tǒng)電動穩(wěn)定性的
分析１５６
７.２.１ 電動穩(wěn)定性的計算模型１５６
Ⅵ 低壓斷路器的建模仿真技術(shù)
�。�.２.２ 鄰近效應(yīng)對電流分布的影響１５９
７.２.３ 電動斥力的分布１６１
７.２.４ 考慮電動斥力對導(dǎo)電斑點面積的
影響１６２
�。�.２.５ 側(cè)偏力矩與滑動力矩１６３
７.３ 短時耐受電流過程熱穩(wěn)定性的
分析１６５
�。�.３.１ 熱穩(wěn)定性的計算模型１６５
�。�.３.２ 熱穩(wěn)定性計算結(jié)果的空間
分布１６８
�。�.３.３ 熱穩(wěn)定性計算結(jié)果的時間
變化１７０
�。�.３.４ 短時耐受實驗后觸頭燒蝕斑點
形貌的分析１７１
�。�.４ 合閘相角和頻率對電動穩(wěn)定性的
影響１７３
７.４.１ 合閘相角對電動穩(wěn)定性的
影響１７３
�。�.４.２ 頻率對電動穩(wěn)定性的影響１７５
本章參考文獻(xiàn)１７８
第８章 低壓斷路器開斷過程的仿真
分析１７９
�。�.１ 概述１７９
�。�.２ 簡單的尼邁亞電弧數(shù)學(xué)模型１８２
�。�.３ 微型斷路器開斷過程的仿真分析１８３
�。�.３.１ 開斷特性的仿真１８３
�。�.３.２ 不同開斷條件下的樣機限流特性
的仿真和分析１８６
�。�.４ ＳＭＣＢ開斷過程的仿真方法１８９
�。�.４.１ 數(shù)學(xué)模型１９０
８.４.２ 計算方法１９１
�。�.４.３ 額定電流３５Ａ的ＳＭＣＢ開斷過程
仿真及實驗結(jié)果１９２
８.５ 磁流體動力學(xué)電弧數(shù)學(xué)模型１９８
�。�.５.１ 弧柱區(qū)物理過程及其控制
方程１９９
�。�.５.２ 代表性斷路器電弧模型２０４
８.５.３ 電弧等離子體的基本物性
參數(shù)２０５
�。�.５.４ 滅弧室結(jié)構(gòu)參數(shù)對空氣介質(zhì)開關(guān)
電弧特性的影響２０９
８.５.５ 產(chǎn)氣材料和金屬蒸汽對空氣介質(zhì)
開關(guān)電弧特性的影響２１８
�。�.６ 基于磁流體動力學(xué)電弧模型的低壓斷
路器開斷特性的仿真與分析２２５
８.６.１�。停茫茫碌姆抡娣治觯玻玻�
�。�.６.２ ＭＣＢ的仿真分析２２８
本章參考文獻(xiàn)２３０
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