本書強(qiáng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本書涉及電磁機(jī)構(gòu)、發(fā)熱和電動(dòng)力、電弧電接觸等電器基礎(chǔ)理論，并將其體現(xiàn)在操作機(jī)構(gòu)、脫扣器和觸頭滅弧系統(tǒng)等三個(gè)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)與壽命評(píng)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(jì)，觸頭系統(tǒng)的電動(dòng)穩(wěn)定性和熱動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算，電弧演變過(guò)程的數(shù)學(xué)建模與仿真和短路開斷過(guò)程的仿真分析等，其中大部分內(nèi)容來(lái)自低壓斷路器實(shí)際產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)描述具體、翔實(shí)，對(duì)工程技術(shù)人員進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(guó)低壓電器行業(yè)經(jīng)過(guò)了６０多年的發(fā)展，目前已成為全球低壓電器最大制造國(guó)。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(jī)遇，同時(shí)與國(guó)際知名低壓電器公司的競(jìng)爭(zhēng)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(shì)下，如何提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，使我國(guó)進(jìn)一步成為低壓電器強(qiáng)國(guó)，是低壓電器行業(yè)所面臨的重要問(wèn)題和現(xiàn)實(shí)需求。
低壓斷路器的性能在很大程度上反映了一個(gè)國(guó)家低壓電器的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)水平。我國(guó)低壓斷路器行業(yè)目前正處于擺脫以仿制為主、“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)＋試驗(yàn)驗(yàn)證” 相結(jié)合研發(fā)模式的關(guān)鍵時(shí)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(duì)推動(dòng)整個(gè)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(lái)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(guò)與國(guó)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(shí)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(jī)構(gòu)，介紹了操作結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性仿真分析以及疲勞壽命的評(píng)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(jì)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(chǎng)、電動(dòng)斥力和氣動(dòng)斥力的建模仿真方法，短時(shí)耐受電流的計(jì)算方法及不同因素的影響，低壓斷路器開斷過(guò)程的建模方法以及電弧磁流體動(dòng)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(shí)際，力求能夠使讀者對(duì)電器基礎(chǔ)理論有更深刻的認(rèn)識(shí)，并幫助讀者提高將理論應(yīng)用于低壓電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jī)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(shì)和新近研究成果，以及讀者的反饋，做了較大的刪減和補(bǔ)充，力求更好地為產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(zhǎng)期擔(dān)任中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)低壓電器專委會(huì)主任和榮譽(yù)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(duì)本書做出了歷史性的貢獻(xiàn)。此時(shí)此刻，尤為懷念在先生指導(dǎo)下的學(xué)習(xí)和工作時(shí)光，先生慈祥的目光、諄諄的教誨永留心間，激勵(lì)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(zhēng)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(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、人才計(jì)劃支持項(xiàng)目、電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題及與國(guó)內(nèi)外低壓電器企業(yè)的合作項(xiàng)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(cuò)誤之處在所難免，敬請(qǐng)讀者批評(píng)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(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的
仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)４
�。�.１ 低壓塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)的仿真
建模４
�。�.１.１ 低壓塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介４
�。�.１.２ 操作機(jī)構(gòu)仿真模型的建立４
２.２ 單斷點(diǎn)塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)的仿真
分析７
�。�.２.１ 單斷點(diǎn)塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)
特性的仿真７
�。�.２.２ ＡＤＡＭＳ軟件中觸頭參數(shù)的測(cè)量
方法９
�。�.３ 計(jì)及電動(dòng)斥力效應(yīng)的斷路器分?jǐn)噙^(guò)程
仿真分析１２
２.３.１ 分?jǐn)喽搪冯娏鞯膶?shí)驗(yàn)研究１２
�。�.３.２ 對(duì)動(dòng)觸頭所受電動(dòng)斥力的分析１３
�。�.３.３ 計(jì)及電動(dòng)斥力效應(yīng)的斷路器分?jǐn)?
過(guò)程仿真分析１６
�。�.４ 低壓塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化
設(shè)計(jì)２１
�。�.４.１ 影響斷路器分?jǐn)嗨俣鹊闹饕?
因素２１
２.４.２ 以關(guān)鍵軸的位置作為設(shè)計(jì)變量的
操作機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)２４
�。�.５ 旋轉(zhuǎn)雙斷點(diǎn)塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)的仿
真與優(yōu)化設(shè)計(jì)２６
２.５.１ 影響斷路器機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的主要
因素２６
�。�.５.２ 旋轉(zhuǎn)雙斷點(diǎn)塑殼斷路器觸頭卡住
機(jī)構(gòu)的研究分析２８
�。�.６ 框架斷路器操作機(jī)構(gòu)的仿真與優(yōu)化
設(shè)計(jì)３３
２.６.１ 框架斷路器的操作機(jī)構(gòu)３３
�。�.６.２ 操作機(jī)構(gòu)仿真模型的建立３４
２.６.３�。粒模粒停榆浖械姆抡娼Y(jié)果３５
�。�.６.４ 操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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
�。�.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(jī)構(gòu)應(yīng)力分析
與疲勞壽命評(píng)估４３
�。�.１ 框架斷路器操作機(jī)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的仿真
分析４３
�。�.１.１ 動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算方法４３
�。�.１.２ 虛擬樣機(jī)模型的建立４５
�。�.１.３ 剛柔耦合混合動(dòng)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(jī)構(gòu)主要構(gòu)件疲勞
壽命的評(píng)估５１
�。�.２.１ 低壓斷路器操作機(jī)構(gòu)疲勞壽命
的評(píng)估方法５１
３.２.２ 打擊桿的壽命分析５２
�。�.２.３ 軸銷的壽命分析５４
�。�.３ 框架斷路器操作機(jī)構(gòu)主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)的
優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)５６
�。�.３.１ 打擊桿的結(jié)構(gòu)優(yōu)化５７
�。�.３.２ 軸銷的結(jié)構(gòu)優(yōu)化５９
３.３.３ 疲勞壽命的試驗(yàn)６２
本章參考文獻(xiàn)６３
第４章 電磁脫扣器保護(hù)特性的
計(jì)算６４
�。�.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(jì)算６６
�。�.２.２ 脫扣器保護(hù)特性的計(jì)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(chǎng)仿真到等值
磁路的建立７２
�。�.３.２ 靜態(tài)特性的磁路計(jì)算方法７４
４.３.３ 動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算７５
４.４ 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(dòng)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(jì)８１
�。�.５.１ 脫扣器幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)８１
４.５.２ 反力彈簧參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)８４
�。�.５.３ 小規(guī)格拍合式脫扣器的改進(jìn)
設(shè)計(jì)９０
�。�.５.４ 電磁脫扣器系列化設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算斷路器的
溫度場(chǎng)１０１
�。�.１.２ 熱網(wǎng)絡(luò)法１０２
�。�.２ 熱源的計(jì)算１０３
�。�.２.１ 觸頭接觸電阻１０３
�。�.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
�。�.３.１ 導(dǎo)熱系數(shù)１０５
�。�.３.２ 散熱系數(shù)１０５
�。�.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
５.５.１ 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
�。�.６ 熱脫扣器保護(hù)特性的等效熱路計(jì)算
方法１１２
�。�.６.１ 熱脫扣器等效熱路的建立１１２
�。�.６.２ 熱路參數(shù)的計(jì)算１１３
�。�.６.３ 熱脫扣器保護(hù)特性的等效熱路的
求解與實(shí)驗(yàn)對(duì)比１１５
５.７ 基于電磁熱流耦合有限元法的低壓
配電柜熱分析１１７
�。�.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(shí)驗(yàn)研究１２１
５.７.３ 強(qiáng)迫對(duì)流對(duì)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(chǎng)、電動(dòng)斥力及氣動(dòng)
斥力仿真與分析１２６
�。�.１ 概述１２６
�。�.２ 吹弧磁場(chǎng)的分析１２７
�。�.２.１ 計(jì)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(chǎng)的分析１２８
�。�.３ 電動(dòng)斥力的分析１３１
�。�.３.１ 計(jì)算方法與步驟１３１
�。�.３.２ 兩種Ｕ形靜觸頭導(dǎo)電回路的電動(dòng)
斥力與吹弧磁場(chǎng)對(duì)比的分析１３３
�。�.４ 塑殼斷路器中的電動(dòng)斥力１３７
�。�.４.１ 計(jì)算模型１３７
�。�.４.２ 計(jì)算結(jié)果及分析１３９
�。�.４.３ 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析１４２
�。�.４.４ 塑殼斷路器觸頭斥開時(shí)間與觸頭
壓力的確定１４３
６.５ 氣動(dòng)斥力的研究１４４
�。�.５.１ 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺椒ǎ保矗?
６.５.２ 預(yù)期短路電流和觸頭間距對(duì)氣動(dòng)
斥力的影響１４８
�。�.５.３ 產(chǎn)氣材料對(duì)氣動(dòng)斥力的影響１５１
�。�.５.４ 出氣口大小對(duì)氣動(dòng)斥力的
影響１５１
本章參考文獻(xiàn)１５４
第７章 短時(shí)耐受電流的計(jì)算１５５
�。�.１ 概述１５５
�。�.２ 框架斷路器觸頭系統(tǒng)電動(dòng)穩(wěn)定性的
分析１５６
�。�.２.１ 電動(dòng)穩(wěn)定性的計(jì)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(duì)電流分布的影響１５９
�。�.２.３ 電動(dòng)斥力的分布１６１
�。�.２.４ 考慮電動(dòng)斥力對(duì)導(dǎo)電斑點(diǎn)面積的
影響１６２
�。�.２.５ 側(cè)偏力矩與滑動(dòng)力矩１６３
�。�.３ 短時(shí)耐受電流過(guò)程熱穩(wěn)定性的
分析１６５
�。�.３.１ 熱穩(wěn)定性的計(jì)算模型１６５
�。�.３.２ 熱穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果的空間
分布１６８
�。�.３.３ 熱穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果的時(shí)間
變化１７０
�。�.３.４ 短時(shí)耐受實(shí)驗(yàn)后觸頭燒蝕斑點(diǎn)
形貌的分析１７１
�。�.４ 合閘相角和頻率對(duì)電動(dòng)穩(wěn)定性的
影響１７３
�。�.４.１ 合閘相角對(duì)電動(dòng)穩(wěn)定性的
影響１７３
�。�.４.２ 頻率對(duì)電動(dòng)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(guò)程的仿真
分析１７９
８.１ 概述１７９
�。�.２ 簡(jiǎn)單的尼邁亞電弧數(shù)學(xué)模型１８２
８.３ 微型斷路器開斷過(guò)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(jī)限流特性
的仿真和分析１８６
８.４�。樱停茫麻_斷過(guò)程的仿真方法１８９
８.４.１ 數(shù)學(xué)模型１９０
�。�.４.２ 計(jì)算方法１９１
８.４.３ 額定電流３５Ａ的ＳＭＣＢ開斷過(guò)程
仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果１９２
�。�.５ 磁流體動(dòng)力學(xué)電弧數(shù)學(xué)模型１９８
８.５.１ 弧柱區(qū)物理過(guò)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(duì)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(duì)空氣介質(zhì)
開關(guān)電弧特性的影響２１８
�。�.６ 基于磁流體動(dòng)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�。停茫碌姆抡娣治觯玻玻�
本章參考文獻(xiàn)２３０
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