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低压断路器的建模仿真技术

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标签: 断路器

断路器

本书强调理论密切联系工程应用,并且特别重视物理建模的科学性以及仿真分析结果有效性的实验验证。本书涉及电磁机构、发热和电动力、电弧电接触等电器基础理论,并将其体现在操作机构、脱扣器和触头灭弧系统等三个低压断路器主要组成部分的建模仿真技术上,主要包括:操作机构的运动特性优化设计与寿命评估,不同结构形式的电磁脱扣器和热脱扣器保护特性优化设计,触头系统的电动稳定性和热动稳定性计算,电弧演变过程的数学建模与仿真和短路开断过程的仿真分析等,其中大部分内容来自低压断路器实际产品的工程设计,结构及设计参数描述具体、翔实,对工程技术人员进行产品设计和科技人员了解低压断路器的建模仿真技术有很大帮助。

前言

第1章 绪论1

1.1 概述1

1.2 低压断路器的建模仿真技术发展

概况2

第2章 低压断路器操作机构动态特性的

仿真与优化设计4

2.1 低压塑壳断路器操作机构的仿真

建模4

2.1.1 低压塑壳断路器操作机构简介4

2.1.2 操作机构仿真模型的建立4

2.2 单断点塑壳断路器操作机构的仿真

分析7

2.2.1 单断点塑壳断路器操作机构动态

特性的仿真7

2.2.2 ADAMS软件中触头参数的测量

方法9

2.3 计及电动斥力效应的断路器分断过程

仿真分析12

2.3.1 分断短路电流的实验研究12

2.3.2 对动触头所受电动斥力的分析13

2.3.3 计及电动斥力效应的断路器分断

过程仿真分析16

2.4 低压塑壳断路器操作机构的优化

设计21

2.4.1 影响断路器分断速度的主要

因素21

2.4.2 以关键轴的位置作为设计变量的

操作机构优化设计24

2.5 旋转双断点塑壳断路器操作机构的仿

真与优化设计26

2.5.1 影响断路器机构运动速度的主要

因素26

2.5.2 旋转双断点塑壳断路器触头卡住

机构的研究分析28

2.6 框架断路器操作机构的仿真与优化

设计33

2.6.1 框架断路器的操作机构33

2.6.2 操作机构仿真模型的建立34

2.6.3 ADAMS软件中的仿真结果35

2.6.4 操作机构的优化设计36

2.7 ADAMS软件的二次开发技术39

2.7.1 用户界面的开发39

2.7.2 依靠接口程序的二次开发40

本章参考文献42

第3章 低压断路器操作机构应力分析

与疲劳寿命评估43

3.1 框架断路器操作机构应力应变的仿真

分析43

3.1.1 动态应力应变的计算方法43

3.1.2 虚拟样机模型的建立45

3.1.3 刚柔耦合混合动力学模型的

建立46

3.1.4 上连杆应力应变分析47

3.2 框架断路器操作机构主要构件疲劳

寿命的评估51

3.2.1 低压断路器操作机构疲劳寿命

的评估方法51

3.2.2 打击杆的寿命分析52

3.2.3 轴销的寿命分析54

3.3 框架断路器操作机构主要构件结构的

优化设计及试验56

3.3.1 打击杆的结构优化57

3.3.2 轴销的结构优化59

3.3.3 疲劳寿命的试验62

本章参考文献63

第4章 电磁脱扣器保护特性的

计算64

4.1 概述64

4.2 拍合式电磁脱扣器保护特性的仿真与

分析66

4.2.1 脱扣器静态特性的计算66

4.2.2 脱扣器保护特性的计算67

4.2.3 拍合式磁脱扣器保护特性的

分析71

4.3 螺管式磁脱扣器保护特性的仿真

与分析72

4.3.1 螺管电磁铁从磁场仿真到等值

磁路的建立72

4.3.2 静态特性的磁路计算方法74

4.3.3 动态特性的计算75

4.4 高速直流断路器用磁脱扣器调节特

性的分析77

4.4.1 高速直流断路器用磁脱扣器的

工作原理77

4.4.2 高速直流断路器用磁脱扣器的

静态特性与动态特性77

4.4.3 高速直流断路器用磁脱扣器的

调节特性分析80

4.5 电磁脱扣器的优化设计81

4.5.1 脱扣器几何参数的优化设计81

4.5.2 反力弹簧参数的优化设计84

4.5.3 小规格拍合式脱扣器的改进

设计90

4.5.4 电磁脱扣器系列化设计92

4.5.5 带永久磁铁脱扣器抑制电流极性

影响的方法95

本章参考文献98

第5章 低压断路器热分析与热脱扣器

保护特性的计算99

5.1 热分析的有限元法和热网络法101

5.1.1 用有限元法计算断路器的

温度场101

5.1.2 热网络法102

5.2 热源的计算103

5.2.1 触头接触电阻103

5.2.2 接线端接触电阻104

5.3 导热系数和散热系数的确定105

5.3.1 导热系数105

5.3.2 散热系数105

5.4 连接导线的处理107

5.5 基于三维有限元法的断路器热

分析109

5.5.1 小规格断路器的热分析109

5.5.2 大规格断路器的热分析111

5.6 热脱扣器保护特性的等效热路计算

方法112

5.6.1 热脱扣器等效热路的建立112

5.6.2 热路参数的计算113

5.6.3 热脱扣器保护特性的等效热路的

求解与实验对比115

5.7 基于电磁热流耦合有限元法的低压

配电柜热分析117

5.7.1 电磁热流耦合的分析方法117

5.7.2 低压配电柜温升特性的仿真及

实验研究121

5.7.3 强迫对流对低压配电柜温升特

性的影响123

本章参考文献124

第6章 吹弧磁场、电动斥力及气动

斥力仿真与分析126

6.1 概述126

6.2 吹弧磁场的分析127

6.2.1 计算方法与步骤127

6.2.2 4种不同结构的触头灭弧系统的

吹弧磁场的分析128

6.3 电动斥力的分析131

6.3.1 计算方法与步骤131

6.3.2 两种U形静触头导电回路的电动

斥力与吹弧磁场对比的分析133

6.4 塑壳断路器中的电动斥力137

6.4.1 计算模型137

6.4.2 计算结果及分析139

6.4.3 实验方法及结果分析142

6.4.4 塑壳断路器触头斥开时间与触头

压力的确定143

6.5 气动斥力的研究144

6.5.1 实验模型及方法145

6.5.2 预期短路电流和触头间距对气动

斥力的影响148

6.5.3 产气材料对气动斥力的影响151

6.5.4 出气口大小对气动斥力的

影响151

本章参考文献154

第7章 短时耐受电流的计算155

7.1 概述155

7.2 框架断路器触头系统电动稳定性的

分析156

7.2.1 电动稳定性的计算模型156

Ⅵ  低压断路器的建模仿真技术

7.2.2 邻近效应对电流分布的影响159

7.2.3 电动斥力的分布161

7.2.4 考虑电动斥力对导电斑点面积的

影响162

7.2.5 侧偏力矩与滑动力矩163

7.3 短时耐受电流过程热稳定性的

分析165

7.3.1 热稳定性的计算模型165

7.3.2 热稳定性计算结果的空间

分布168

7.3.3 热稳定性计算结果的时间

变化170

7.3.4 短时耐受实验后触头烧蚀斑点

形貌的分析171

7.4 合闸相角和频率对电动稳定性的

影响173

7.4.1 合闸相角对电动稳定性的

影响173

7.4.2 频率对电动稳定性的影响175

本章参考文献178

第8章 低压断路器开断过程的仿真

分析179

8.1 概述179

8.2 简单的尼迈亚电弧数学模型182

8.3 微型断路器开断过程的仿真分析183

8.3.1 开断特性的仿真183

8.3.2 不同开断条件下的样机限流特性

的仿真和分析186

8.4 SMCB开断过程的仿真方法189

8.4.1 数学模型190

8.4.2 计算方法191

8.4.3 额定电流35A的SMCB开断过程

仿真及实验结果192

8.5 磁流体动力学电弧数学模型198

8.5.1 弧柱区物理过程及其控制

方程199

8.5.2 代表性断路器电弧模型204

8.5.3 电弧等离子体的基本物性

参数205

8.5.4 灭弧室结构参数对空气介质开关

电弧特性的影响209

8.5.5 产气材料和金属蒸汽对空气介质

开关电弧特性的影响218

8.6 基于磁流体动力学电弧模型的低压断

路器开断特性的仿真与分析225

8.6.1 MCCB的仿真分析225

8.6.2 MCB的仿真分析228

本章参考文献230

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