低压电器数字化仿真设计发展和应用

　　摘要：要实现节能减排，就要开发高性能、尺寸小的低压电器，这在一定程度上推动了低压电器数字化仿真设计的发展和应用。目前，我国低压电器的仿真技术正在朝着综合仿真、磁流体动力学电弧数学模型的应用、低压断路器分断全过程仿真等几个方面发展，本文主要从低压电器数字化仿真的发展和应用两方面来进行具体的分析研究。

　　解决了从三维造型软件，如UG-Ⅱ和pro/E的三维建模与三维仿真，到如ADAMS和Ansys的接口问题，为低压电器的仿真与数字化设计技术在实践中的应用打通了前进的道路。该项技术的开始阶段，着眼于低压电器各个部件的仿真，依靠静态至动态特性仿真，寻求各个部件的优化设计，如以低压断路器的机构操作速度为提高目标的优化设计，磁脱扣器的保护特性仿真与优化设计，交流接触器磁系统的静、动特性仿真与优化设计等。但一个电器的基本性能不是仅由单个部件的优化设计所能决定的。对低压断路器来说，分断特性与各个部件的配合有关，与多种物理现象的综合有关；另外，与仿真条件是否完全按照国家和IEC标准的要求进行也有关，因为实际样机的型式试验和出厂试验都是严格按照标准进行的。为了满足上述要求，当前低压电器仿真与数字化设计技术正向以下几个方面进展：

　　例如，在对低压器结构进行仿真设计的时候，如果不考虑计算连杆本身的应变、应力，而只针对连杆之间的相互配合，那么这种低压电器无论是从部分结构到整体功能都不能实现设计的最优化；另外，如万能式断路器短时耐受的仿真设计，它的仿真不是单领域、单独部分的，而是对瞬态电磁场、热场和电路瞬态包括材料相变等相结合的仿真设计。想要将这种仿真技术实现好，不仅需要利用当下的电磁场仿真软件，还需要将自开发设计的软件、代码和商品软件的特点综合起来进行整合利用。

　　想要实现灭弧室的仿真，一定要对灭弧室的电弧的物理现象进行具体的分析掌握，才能使灭弧室的仿真设计达到最佳效果。当前，已经有数位研究人员对电弧数学模型进行分析，研究表明电弧的磁流体动力学模型能够准确具体的将灭弧室的分段过程的物理现象表现出来，从而加快了其应用发展。电弧数学模型可以将灭弧室内的温度、磁场、压力以及离子密度等在分段过程中的先向变化进行分析，可以得到以下结论：灭弧室的几何尺寸、结构、材料等都会影响到电弧电压和电弧电流过后的介质性强度的恢复。MHD的电弧数学模型发展还不完善，对于一些复杂的计算，难以同电路瞬态、电极表面、机构动态等物理现象结合起来，计算中涉及电流过大时，难以进行收敛。

　　对低压器的分段过程进行仿真，分段特性作为低压开关电器的主要特性，若要实现低压器的优化仿真设计，就要保证低压电器在无论尺寸怎样缩小的同时，都能够将额定极限短路分断能力ICU和额定短路分断电流ICS提高。要想实现这样的优化目标，其关键不是磁脱扣器、机构和触头系统，重点是建立简化的工程用数学模型，在电弧模型MHD难以耦合的时候，进行应用。

　　产品通过仿真和优化设计后是否满足技术要求，需要用国家标准来考核，因而仿真工作必须严格按国家标准要求来进行。如万能式断路器的短耐仿真，在规定的功率因数条件下，选择合闸相角使短路电流第一个半波峰值达到可能的最大值；又如接触器的热仿真，按国家标准要求，发热试验时接触器的主回路和线圈要同时通电，且主回路触头间的连接导线要按规定选择。

　　在对多场域的静态或者动态仿真进行计算时往往会耗费大量的时间。因此我们应该从实际应用的角度出发，找到一种简单省时且不影响计算准确度的计算方法这也是仿真技术发展的需要和前进的目标。例如，我们将三维有限元热场应用于电器热计算当中，另外，当前所被广泛应用的热路网络计算方法，不仅能够减轻计算难度和计算量，还能够确保计算的准确度。

　　社会经济的飞速发展，人们的用电需求越来越大，而我国的主要电力供给都是以煤炭资源为主体，所以说，节能减排、加大利用可再生能源、发展智能电网已经成为当今电力工业发展的必然趋势和目标。在配电系统中，低压电器是其中最主要的元器件，所以在进行研究的时候始终将低压电器作为重点研发对象。为了节能减排的需要，要加大对小尺寸低压气的开发，保证其性能和可靠性，从而使配电系统能够正常运行。随着直流系统、光伏系统作为可再生能源的发展应用，因而要不断提高直流开断技术。

　　近些年，我国对接触器的动态性仿真技术已经有了一定的研究分析，接触器动态性仿真的主要功能就是减少在分闸时出头的弹跳，从而延长AC—3的使用寿命，对触头弹跳进行仿真，将电磁场、电路瞬态两者结合起来，同时与多体动力学进行耦合，之后运用ADAMS软件以对偶和计算的接口进行计算。

　　想要减少原料，避免资源浪费，那么就要加强对紧凑型开关电器的设计，从而避免工艺与资源的浪费。核心技术是降低温升和热计算，之前一般都是借助三维有限元热仿真技术，但是这种方法计算复杂且耗时过长，因此当前一般都发展并广泛应用热路网络的热分析，不仅计算简单还能够在工程中得以应用发展。

　　中间和两侧出气在直流分断过程中存在差异性，出气结构不同从而决定了电弧不同的动态过程，尤其是电弧弧柱运动到出气口附近。中间出气是比较传统的的方式，出气口的电弧前端为尖形，并主要集中在灭弧室中间区域，这是由于在出气口处流体受到明显压缩作用；两侧出气结构中，由于气流场的作用，在出气口处电弧呈现向两侧出气口分裂，有利于增大电弧与灭弧栅片和介质的接触面积，增加电弧在灭弧栅片“腹部”的运动。

　　虽然低压电器一直在发现进步，各个零件特性的仿真性也越来越好，但是仍旧受到电弧数学模型的制约，特别是低压器在分断这一部分的仿真性还需要深入研究。虽然MHD在国内外都收到广泛的关注，但是MHD模型的最高断电仿真不能高于几千分，否则电弧不容易收敛，而且该模型不能和机构运动、触头拆开等阶段进行结合，因此，在实际的应用中，国内外都普遍选择比较简单的电弧数学模型，达到使低压电器达到整个过程的仿真。

　　综上所述，本文主要分析了低压电器数字化仿真设计的发展进程，并通过具体的实力应用做进一步的详细分析，从而进一步证明了数字化仿真技术的可信、可靠性，以及在低压电器上的应用推广，为今后低压电器数字化仿真设计的发展和应用提供一定的借鉴参考意义。