本書強調理論密切聯系工程應用，并且特別重視物理建模的科學性以及仿真分析結果有效性的實驗驗證。本書涉及電磁機構、發熱和電動力、電弧電接觸等電器基礎理論，并將其體現在操作機構、脫扣器和觸頭滅弧系統等三個低壓斷路器主要組成部分的建模仿真技術上，主要包括：操作機構的運動特性優化設計與壽命評估，不同結構形式的電磁脫扣器和熱脫扣器保護特性優化設計，觸頭系統的電動穩定性和熱動穩定性計算，電弧演變過程的數學建模與仿真和短路開斷過程的仿真分析等，其中大部分內容來自低壓斷路器實際產品的工程設計，結構及設計參數描述具體、翔實，對工程技術人員進行產品設計和科技人員了解低壓斷路器的建模仿真技術有很大幫助。
我國低壓電器行業經過了６０多年的發展，目前已成為全球低壓電器最大制造國。新能源發電系統、低壓直流電網等也為低壓電器行業的跨越式發展和自主創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、節能環保的發展趨勢下，如何提高企業的核心競爭力，使我國進一步成為低壓電器強國，是低壓電器行業所面臨的重要問題和現實需求。
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計與生產水平。我國低壓斷路器行業目前正處于擺脫以仿制為主、“經驗設計＋試驗驗證” 相結合研發模式的關鍵時刻，進一步推廣低壓斷路器的數字化建模和仿真技術對推動整個行業的技術進步至關重要。
本書是西安交通大學低壓電器科研組近１５年來在低壓斷路器的建模仿真技術領域研究工作的系統總結。通過與國內外低壓電器企業的產學研合作，將建模仿真技術應用于已有產品開斷性能的提升和新系列產品的研發，并在大量的工程實踐中不斷完善、總結，形成了具有一定特色的技術體系。
本書第１章緒論，主要介紹了低壓斷路器的建模仿真技術發展概況；第２章和第３章圍繞低壓斷路器操作機構，介紹了操作結構動態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、熱脫扣器保護特性的計算方法，低壓斷路器及系統的熱分析技術；第６章、第７章和第８章圍繞低壓斷路器的觸頭滅弧系統，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仿真的應用。本書在內容上注重理論聯系工程實際，力求能夠使讀者對電器基礎理論有更深刻的認識，并幫助讀者提高將理論應用于低壓電器產品設計的能力。
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》基礎上，結合低壓斷路器建模仿真技術的發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，力求更好地為產品設計提供有益參考，更有效地服務于人才培養。
陳德桂教授長期擔任中國電工技術學會低壓電器專委會主任和榮譽主任、西安交通大學電器教研室主任，在科研方向開拓、人才培養、成果推廣應用等方面為低壓電器行業的發展做出了突出的貢獻，也對本書做出了歷史性的貢獻。此時此刻，尤為懷念在先生指導下的學習和工作時光，先生慈祥的目光、諄諄的教誨永留心間，激勵著作者在教學科研的道路上砥礪前行。也謹以此書深切緬懷恩師！
本書的內容包括了本科研組畢業的博士孫海濤、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基金項目、人才計劃支持項目、電力設備電氣絕緣國家重點實驗室自主課題及與國內外低壓電器企業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
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發展
概況２
第２章 低壓斷路器操作機構動態特性的
仿真與優化設計４
�。�.１ 低壓塑殼斷路器操作機構的仿真
建模４
２.１.１ 低壓塑殼斷路器操作機構簡介４
�。�.１.２ 操作機構仿真模型的建立４
�。�.２ 單斷點塑殼斷路器操作機構的仿真
分析７
�。�.２.１ 單斷點塑殼斷路器操作機構動態
特性的仿真７
�。�.２.２�。粒模粒停榆浖杏|頭參數的測量
方法９
�。�.３ 計及電動斥力效應的斷路器分斷過程
仿真分析１２
２.３.１ 分斷短路電流的實驗研究１２
２.３.２ 對動觸頭所受電動斥力的分析１３
�。�.３.３ 計及電動斥力效應的斷路器分斷
過程仿真分析１６
�。�.４ 低壓塑殼斷路器操作機構的優化
設計２１
２.４.１ 影響斷路器分斷速度的主要
因素２１
２.４.２ 以關鍵軸的位置作為設計變量的
操作機構優化設計２４
�。�.５ 旋轉雙斷點塑殼斷路器操作機構的仿
真與優化設計２６
�。�.５.１ 影響斷路器機構運動速度的主要
因素２６
�。�.５.２ 旋轉雙斷點塑殼斷路器觸頭卡住
機構的研究分析２８
２.６ 框架斷路器操作機構的仿真與優化
設計３３
２.６.１ 框架斷路器的操作機構３３
�。�.６.２ 操作機構仿真模型的建立３４
�。�.６.３�。粒模粒停榆浖械姆抡娼Y果３５
２.６.４ 操作機構的優化設計３６
２.７ ＡＤＡＭＳ軟件的二次開發技術３９
�。�.７.１ 用戶界面的開發３９
�。�.７.２ 依靠接口程序的二次開發４０
本章參考文獻４２
第３章 低壓斷路器操作機構應力分析
與疲勞壽命評估４３
�。�.１ 框架斷路器操作機構應力應變的仿真
分析４３
３.１.１ 動態應力應變的計算方法４３
�。�.１.２ 虛擬樣機模型的建立４５
�。�.１.３ 剛柔耦合混合動力學模型的
建立４６
３.１.４ 上連桿應力應變分析４７
�。�.２ 框架斷路器操作機構主要構件疲勞
壽命的評估５１
�。�.２.１ 低壓斷路器操作機構疲勞壽命
的評估方法５１
�。�.２.２ 打擊桿的壽命分析５２
�。�.２.３ 軸銷的壽命分析５４
３.３ 框架斷路器操作機構主要構件結構的
優化設計及試驗５６
�。�.３.１ 打擊桿的結構優化５７
�。�.３.２ 軸銷的結構優化５９
３.３.３ 疲勞壽命的試驗６２
本章參考文獻６３
第４章 電磁脫扣器保護特性的
計算６４
�。�.１ 概述６４
�。�.２ 拍合式電磁脫扣器保護特性的仿真與
分析６６
�。�.２.１ 脫扣器靜態特性的計算６６
４.２.２ 脫扣器保護特性的計算６７
�。�.２.３ 拍合式磁脫扣器保護特性的
分析７１
�。�.３ 螺管式磁脫扣器保護特性的仿真
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 靜態特性的磁路計算方法７４
４.３.３ 動態特性的計算７５
�。�.４ 高速直流斷路器用磁脫扣器調節特
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
４.４.２ 高速直流斷路器用磁脫扣器的
靜態特性與動態特性７７
�。�.４.３ 高速直流斷路器用磁脫扣器的
調節特性分析８０
�。�.５ 電磁脫扣器的優化設計８１
�。�.５.１ 脫扣器幾何參數的優化設計８１
�。�.５.２ 反力彈簧參數的優化設計８４
４.５.３ 小規格拍合式脫扣器的改進
設計９０
�。�.５.４ 電磁脫扣器系列化設計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９８
第５章 低壓斷路器熱分析與熱脫扣器
保護特性的計算９９
５.１ 熱分析的有限元法和熱網絡法１０１
�。�.１.１ 用有限元法計算斷路器的
溫度場１０１
�。�.１.２ 熱網絡法１０２
�。�.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 導熱系數和散熱系數的確定１０５
�。�.３.１ 導熱系數１０５
５.３.２ 散熱系數１０５
�。�.４ 連接導線的處理１０７
�。�.５ 基于三維有限元法的斷路器熱
分析１０９
�。�.５.１ 小規格斷路器的熱分析１０９
�。�.５.２ 大規格斷路器的熱分析１１１
５.６ 熱脫扣器保護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
�。�.６.２ 熱路參數的計算１１３
�。�.６.３ 熱脫扣器保護特性的等效熱路的
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
�。�.７.１ 電磁熱流耦合的分析方法１１７
５.７.２ 低壓配電柜溫升特性的仿真及
實驗研究１２１
�。�.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
�。�.２.１ 計算方法與步驟１２７
�。�.２.２�。捶N不同結構的觸頭滅弧系統的
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
�。�.３.２ 兩種Ｕ形靜觸頭導電回路的電動
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 計算結果及分析１３９
�。�.４.３ 實驗方法及結果分析１４２
６.４.４ 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 實驗模型及方法１４５
�。�.５.２ 預期短路電流和觸頭間距對氣動
斥力的影響１４８
６.５.３ 產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電動穩定性的
分析１５６
�。�.２.１ 電動穩定性的計算模型１５６
Ⅵ 低壓斷路器的建模仿真技術
�。�.２.２ 鄰近效應對電流分布的影響１５９
�。�.２.３ 電動斥力的分布１６１
�。�.２.４ 考慮電動斥力對導電斑點面積的
影響１６２
�。�.２.５ 側偏力矩與滑動力矩１６３
７.３ 短時耐受電流過程熱穩定性的
分析１６５
７.３.１ 熱穩定性的計算模型１６５
７.３.２ 熱穩定性計算結果的空間
分布１６８
�。�.３.３ 熱穩定性計算結果的時間
變化１７０
�。�.３.４ 短時耐受實驗后觸頭燒蝕斑點
形貌的分析１７１
７.４ 合閘相角和頻率對電動穩定性的
影響１７３
７.４.１ 合閘相角對電動穩定性的
影響１７３
�。�.４.２ 頻率對電動穩定性的影響１７５
本章參考文獻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學模型１８２
８.３ 微型斷路器開斷過程的仿真分析１８３
８.３.１ 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
８.４.１ 數學模型１９０
�。�.４.２ 計算方法１９１
�。�.４.３ 額定電流３５Ａ的ＳＭＣＢ開斷過程
仿真及實驗結果１９２
�。�.５ 磁流體動力學電弧數學模型１９８
�。�.５.１ 弧柱區物理過程及其控制
方程１９９
８.５.２ 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２０５
�。�.５.４ 滅弧室結構參數對空氣介質開關
電弧特性的影響２０９
�。�.５.５ 產氣材料和金屬蒸汽對空氣介質
開關電弧特性的影響２１８
８.６ 基于磁流體動力學電弧模型的低壓斷
路器開斷特性的仿真與分析２２５
８.６.１ ＭＣＣＢ的仿真分析２２５
８.６.２ ＭＣＢ的仿真分析２２８
本章參考文獻２３０
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