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第1章 开关分断过程电弧仿真基础与计算 1

1.1 电弧基本物理过程 2

1.2 电弧磁流体动力学模型 3

1.2.1 气流场控制方程 4

1.2.2 电磁场控制方程 6

1.3 辐射模型 8

1.4 湍流模型 12

1.5 电弧模型求解 15

1.5.1 控制方程组的离散化 15

1.5.2 Fluent软件二次开开发 16

1.6 空气电弧栅片切割仿真 22

1.6.1 电弧仿真数学模型和边界条件 23

1.6.2 电弧模型求解方法 31

1.6.3 考虑铁栅片烧蚀的电弧切割过程仿真结果 31

1.7 SF6喷口电弧仿真 34

1.7.1 SF6电弧模型磁流体动力学建模 35

1.7.2 超声速SF6喷口电弧稳态特性 40

1.8 本章小结 42

参考文献 43

第2章 弧后介质恢复过程计算与分析 46

2.1 热非平衡行为 48

2.1.1 热非平衡行为的成因 48

2.1.2 研究现状 49

2.1.3 双温模型建模 50

2.1.4 计算实例 54

2.2 化学非平衡行为 61

2.2.1 化学非平衡行为的成因 61

2.2.2 研究现状 63

2.2.3 化学非平衡电弧建模 64

2.2.4 计算实例 74

2.3 电子能量的非麦克斯韦分布行为 82

2.3.1 电子能量偏离麦克斯韦分布的成因 82

2.3.2 研究现状 83

2.3.3 高温气体临界击穿场强计算模型 83

2.4 本章小结 86

参考文献 87

第3章 开关柜内部故障电弧的计算与分析 92

3.1 内部故障电弧简介 93

3.1.1 故障电弧的基本特性 94

3.1.2 故障电弧的物理效应及危害 94

3.2 内部故障电弧研究的国内外现状 96

3.3 内部故障电弧的计算方法 97

3.3.1 标准计算法 98

3.3.2 改进标准计算法 101

3.3.3 CFD法 102

3.3.4 磁流体动力学法 104

3.4 不同计算方法典型结果及分析 112

3.4.1 标准计算法结果及分析 112

3.4.2 CFD法结果及分析 114

3.4.3 磁流体动力学法结果及分析 115

3.5 本章小结 123

参考文献 124

第4章 电弧等离子体物性参数计算 127

4.1 局部热力学平衡电弧等离子体物性参数计算 127

4.1.1 配分函数 127

4.1.2 粒子组分 130

4.1.3 热力学参数 132

4.1.4 碰撞积分与输运系数 133

4.2 非热力学平衡电弧等离子体物性参数计算 140

4.2.1 双温模型的基本假设 140

4.2.2 双温等离子体组分计算 141

4.2.3 双温等离子体热力学系数计算 145

4.2.4 双温等离子体输运系数计算 147

4.3 化学非平衡电弧等离子体物性参数计算 152

4.4 电弧等离子体辐射输运系数计算 154

4.4.1 电弧净辐射模型与净辐射系数 155

4.4.2 电弧P-1辐射模型与平均吸收系数 162

4.5 本章小结 165

参考文献 166

第5章 开关电弧等离子体相关参数的测量 171

5.1 介绍 171

5.2 原子发射光谱法测量温度与电子数密度 172

5.2.1 实验原理 172

5.2.2 应用实例 175

5.3 原子吸收光谱法测原子数密度 179

5.3.1 实验原理 179

5.3.2 应用实例 181

5.3.3 实验结果 182

5.3.4 局限性 183

5.4 激光汤姆孙散射法测温度与电子数密度 183

5.4.1 实验原理 184

5.4.2 应用实例 186

5.4.3 局限性 187

5.5 电弧形态测量 188

5.5.1 高速摄影仪测量原理 189

5.5.2 测量实验与分析 189

5.6 电弧热辐射测量 190

5.6.1 实验原理 191

5.6.2 应用实例 192

5.7 电弧光学测量的基本概念 195

5.7.1 光谱的线型与主要展宽机制 195

5.7.2 光度学相关基本概念 198

参考文献 199

第6章 开关电器的热计算 202

6.1 开关电器热计算的基本方法 203

6.1.1 开关电器热源的计算 203

6.1.2 开关电器传热过程分析 209

6.1.3 开关电器的热计算模型 212

6.2 低压断路器稳态热计算 215

6.2.1 基于气流场分析的塑壳断路器热分析方法 216

6.2.2 基于散热系数的塑壳断路器稳态发热简化分析方法 227

6.3 高压断路器热分析 233

6.3.1 高压断路器发热计算 233

6.3.2 高压断路器散热计算 239

6.4 本章小结 242

参考文献 243

第7章 电动力计算与分析 244

7.1 电力系统中短路电流分类与计算 244

7.1.1 电力系统中短路电流的分类 244

7.1.2 短路电流的计算方法 245

7.2 电动力计算原理与方法 250

7.2.1 洛伦兹力的计算方法 251

7.2.2 霍尔姆力的计算方法 251

7.3 低压电器电动力建模方法 254

7.3.1 框架断路器短路电流电动力计算 254

7.3.2 塑壳断路器短路电流电动力计算 274

7.4 高压电器短路电流电动力建模与分析 279

7.4.1 高压电器短路电流电动力建模 279

7.4.2 高压电器短路电流电动力计算与分析 282

7.5 本章小结 294

参考文献 294

第8章 开关电器操动机构的计算与分析 296

8.1 弹簧机构的计算与分析 297

8.1.1 中压弹簧机构的仿真建模与故障诊断 298

8.1.2 低压弹簧机构的仿真建模与优化设计 306

8.2 液压机构的计算与分析 313

8.2.1 液压机构的仿真建模 314

8.2.2 液压机构缓冲结构的优化设计 322

8.3 永磁机构的计算与分析 326

8.3.1 中压永磁机构的仿真建模与故障诊断 327

8.3.2 低压水磁机构的仿真建模与优化设计 331

8.4 本章小结 344

参考文献 345

第9章 开关电弧的仿真实例 347

9.1 微型断路器电弧仿真 347

9.1.1 微型断路器介绍 347

9.1.2 微型断路器几何模型简化 349

9.1.3 微型断路器电弧材料属性设置 351

9.1.4 微型断路器电弧仿真边界条件设置 353

9.1.5 计算结果 356

9.2 高压SF6断路器电弧仿真 369

9.2.1 高压SF6断路器几何模型简化 369

9.2.2 湍流模型 369

9.2.3 辐射模型 370

9.2.4 高压SF6断路器材料属性设置 370

9.2.5 高压SF6断路器电弧仿真边界条件的设置 370

9.2.6 计算结果 373

参考文献 375