低压断路器建模仿真技术的发展概况

2025-09-29 百科知识版权反馈

【摘要】：基于低压断路器建模仿真技术取得的长足进步，国际上各个主要公司纷纷建立并不断完善具有各自技术特点的专用仿真系统，并在新产品研发中得到了广泛应用。自2010年以来，在已有工作的基础上，国内外在低压断路器的建模仿真技术方面取得的重要进展如下：1）电弧磁流体动力学建模仿真取得突破。

基于低压断路器建模仿真技术取得的长足进步，国际上各个主要公司纷纷建立并不断完善具有各自技术特点的专用仿真系统，并在新产品研发中得到了广泛应用。如ABB公司与德国德累斯顿技术大学自20世纪50年代就电器温度场仿真和热分析开展合作以来，一直在电器建模仿真领域与多个大学保持密切的科研合作关系，包括德国亚琛工业大学、瑞士苏黎世联邦理工学院、英国利物浦大学等，为ABB公司实现行业的技术领先提供了重要支撑；三菱电机在研发WS-V系列产品时，也对触头灭弧系统的电动力和压力、外壳的应力应变等进行了细致的仿真与对比分析，在产品小型化的同时有效实现了高性能。

我国在研发新一代低压断路器的过程中，也充分利用了相关的建模仿真技术，提高了设计的科学性、准确性，并有效地解决了产品设计过程中的技术难题，如双断点MCCB中双断点触头接触平衡与触头斥开后可靠卡住机构设计、操作机构疲劳寿命提升、可调磁脱扣器反力弹簧参数设计等问题。

从发展历史来看，我国在20世纪70年代末即开始有限元分析在电磁铁特性仿真和优化设计方面的研究和应用；随后在80年代后期，我国低压电器行业引进了国外著名的三维CAD软件，如UG-II、Pro/E等，极大地促进了行业的技术进步和快速发展；接着90年代以来，国际上著名工程仿真软件公司陆续推出了一系列商用仿真分析软件，如电磁场仿真方面有ANSYS、Vector Field、Ansoft等，流体动力学仿真软件有Fluent、CFX、Phoenics等，多体动力学仿真软件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，机械系统动力学自动分析）等。基于这些商用软件，结合低压断路器的设计需求，西安交通大学低压电器科研组在教授的带领下，通过紧密的产学研合作，理论联系实际，经过近20年的不懈努力，在很大程度上改变了我国低压电器行业“经验设计+试验验证”的产品设计模式，探索出了符合低压电器行业特点及我国实际需求的低压断路器数字化设计方法和技术，这对于我国低压电器行业的发展具有重要的意义和深远的影响。

值得一提的是，在这一过程中，西安交通大学低压电器科研组与时俱进、不断创新，结合研究生培养（包括在职工程硕士和全日制硕士生、博士生）、开办短期培训班等不同形式，为低压电器行业输送和培养了大量具有低压断路器建模仿真专门技术的人才，不懈致力于推动行业的技术进步。在研究生课程设置方面：20世纪90年代起教授就开设“电器现代设计方法”，专门讲授电器优化设计方法及相关数值计算技术；后来结合低压电器学科方向的发展和自身科研工作的成果，自2025年起，在教授的支持和鼓励下，李兴文将“电器现代设计方法”课程改为“软件设计及大型仿真计算系统应用”，进一步突出大型仿真计算系统在低压电器产品优化设计中的应用以及相关二次开发技术；经过几年的教学实践，面对我国低压电器行业发展的新阶段和电器方向研究生培养的新需求，并结合对国际上电器科学与技术发展趋势的理解，在2025年，李兴文又将“软件设计及大型仿真计算系统应用”课程调整为“电器新技术”，在讲授低压电器建模仿真的同时，进一步加入气体开关电弧基础理论（包括低压空气电弧和高压SF₆电弧）、低压电器的先进测试技术、新型电器等相关内容。

自2025年以来，在已有工作的基础上，国内外在低压断路器的建模仿真技术方面取得的重要进展如下：

1）电弧磁流体动力学建模仿真取得突破。可计算数十千安短路电流、双断点结构等条件下电弧动态演变过程，并可考虑电弧与非线性铁磁栅片、产气材料、电极相互作用的影响，通过与实验结果对比，在很大程度上具备了分析“多组分、强电流、复杂结构”低压断路器电弧开断过程的能力，基本满足了工程设计的需求。

2）完善了操作机构疲劳寿命评估与优化技术。在实现了操作机构不同操作条件下的动态特性仿真分析的基础上，基于多物理场耦合仿真技术及多个大型商用仿真软件的协同，通过多个部件的同时“柔性化”，分析各部件在操作机构高速运动过程中的应力应变特性，并可考虑材料、电动力等因素的影响，通过在ACB和双断点MCCB操作机构寿命评估与工程优化的实践表明，该技术是有效的。

3）完善了短时耐受电流能力的计算方法。建立了描述触头间接触电阻动态变化的模型，可考虑相间对各并联支路电流分布的作用、扭转与侧偏力矩的作用及其对电动稳定性和热动稳定性的影响，并通过实验一方面验证了方法的有效性，另一方面也阐明了短时耐受电流过程中触头间不稳定电接触状态的演变规律。

4）建立了可调磁脱扣器反力弹簧参数的设计方法。基于多物理场耦合仿真技术，根据不同的保护特性要求，考虑弹簧分散性的影响，实现了最优反力弹簧参数的选取，满足了可调磁脱扣器、产品系列化设计的要求，已在多个新产品研发中得到成功应用。(https://www.chuimin.cn)

5）建立了电磁场-温度场-气流场耦合作用下的发热分析方法。与传统的温度场有限元计算方法相比，该方法避免了基于经验、设置部件表面散热系数带来的计算误差和不确定性，可直接采用导体、绝缘件、空气等的物性参数来描述传热过程，为低压断路器及其系统的热分析提供了有效手段。

应该指出：面向新能源发电系统、低压直流电网发展等对低压断路器不断提出的新的、更高的要求，在低压断路器的建模仿真方面仍有大量的工作需要去研究，如：

1）低压断路器与系统相互作用的建模方法与仿真技术；

2）低压断路器全寿命周期的建模与先进分析技术；

3）低压断路器弧后电击穿、热击穿过程建模方法与评估技术；

4）更高电压、非工频条件下高性能低压断路器的优化设计技术；

5）混合式直流断路器开断特性的分析方法；

6）交、直流故障电弧的数学模型及其在监测系统中的应用技术。