如何进行符合国家标准的万能式断路器短时耐受电流仿真？

自20世纪至新世纪，低压电器的特性仿真与数字化设计技术在国内外有了很大的发展。这种技术改变了主要依靠经验和估算，通过大量样机制作和探索试验的传统设计方法。低压电器的设计进入了优化和创新的新阶段，这里着重介绍近期低压电器仿真与数字化设计技术的发展。

在解决了从三维造型软件，例如UG-Ⅱ和pro/E的三维建模与三维仿真软件，如Adams和ANSYS的接口问题后，为低压电器的仿真与数字化设计技术在生产实践中的应用打通了前进的道路。这项技术的开始阶段，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，寻求这个部件的优化设计，例如低压断路器的机构的提高操作速度为目标的优化设计，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。但是一个电器的基本性能不是仅由单个部件的优化设计所决定的，对一个低压断路器来说，它的开断特性与各个部件工作的配合有关，与多种物理现象的综合有关。另外，仿真的条件是否完全按照国家标准和IEC标准的要求来进行的，因为实际样机的型式和出厂试验都是严格按照标准进行的。

为了满足上诉要求，当前低压电器仿真与数字化设计技术正向以下几个方面有了进展。

1.多场域、多物理现象综合的仿真技术

例如低压断路器机构的仿真，如单纯按照刚体动力学的方式进行，则仅能考虑连杆之间的配合，而只有计入连杆本身的应力和应变，才能使机构从整体到零部件尺寸实现优化设计。又如万能式断路器短时耐受电流的仿真，它是电路瞬态、瞬态电磁场和热场以及材料相变的综合仿真。为了实现这种仿真技术，一方面是利用已有的电磁场仿真软件；更重要的是利用自行开发的代码和软件；把商品软件的功能连接起来。

2.基于磁流体动力学（MHD）电弧数学模型，实现灭弧室的优化设计

为了掌握开断过程中灭弧室内电弧的复杂物理现象，用仿真技术来实现灭弧室的优化设计，近年来国内外学者对电弧数学模型做了大量研究，由于电弧的MHD数学模型能真实反映开断过程中灭弧室内的物理现象，因而得到了发展和应用。应用这种模型可以获得开断过程中灭弧室内随时间变化的压力、温度、气流、磁场、离子密度等的分布，从而可分析灭弧室结构形式、几何尺寸、产气材料等对电弧运动、电弧电压及电弧电流过零后介质性恢复强度的影响。MHD电弧模型目前尚处于发展阶段，由于计算过程比较复杂和费时，目前还不能与电路瞬态、机构动态、电极表面物理现象、开断过程中触头受电动力作用斥开过程等耦合起来，并且当开断大短路电流，例如大于10kA时，计算就不易收敛。

3.建立简化的工程用电弧数学模型，实现低压电器开断过程的仿真

低压开关电器的主要性能是开断特性，如何使低压断路器在缩小几何尺寸的条件下，提高其额定极限短路分断能力I_cu和额定短路分断能力I_cs是低压断路器优化设计的目标，要实现这样的仿真，综合低压断路器触头系统、磁脱扣器、机构等的动态特性外，在MHD电弧模型尚不能实现这种耦合时，建立简化的工程用电弧的数学模型是个关键。(www.xing528.com)

4.如何使仿真技术严格按国家标准要求来进行

例如进行万能式断路器的短时耐受电流仿真，在规定的功率因素条件下，选合闸相角使短路电流第一个半波峰值达到可能的最大值。

5.建立更有效的工程计算方法

例如，长期以来电器热计算普遍采用三维有限元热场计算，目前国内外正在发展一种热路网络的计算方法，它可以大幅度减少计算工作量，并能保证计算准确度。

6.仿真与数字的设计技术为当前节能减排、发展智能电网、充分利用再生能源服务

一方面是电力需求随经济发展快速增大，另一方面是当前40%以上的电力生产依靠煤炭为能源，所以节能减排、发展智能电网、充分利用再生能源，是当前电力工业及其设备开发的目标。低压电器作为配电系统的主要元器件，近期的研发工作也围绕这个方向在展开。为了节能和节材，需要开发小尺寸、高性能的低压电器和节能电器，提高产品的可靠性才能保证低压配电系统正常、安全运行，不但可再生能源中光伏系统，并且直流系统近期得到大力发展，因而需要提高直流开断技术，这些需求也是当前低压电器研发工作的主要任务。

以下就几个实例来说明低压电器仿真与数字的设计技术的发展和应用实例。