第1章 绪论

1.1 概述

从19世纪末爱迪生（T.Edison）建立世界上第一套电力系统开始，人们就开始了以空气为灭弧与绝缘介质的开关电器研究。一个多世纪以来，已经由在大气中自然拉长电弧而分断电路的简单开关，发展到门类齐全的现代低压电器，主要包括断路器、熔断器、继电器、接触器、起动器等，被广泛地应用于交流1200V、直流1500V及以下的系统中。低压电器涉及等离子体物理、电磁学、流动与传热、机械、电子信息等多门学科，是机、电、热等相互作用下的耦合物理系统。

以空气为灭弧和绝缘介质的低压电器具有强限流能力，开断容量大，有可见的明显断口，尺寸小，价格低，承受过电压和过电流能力强，功率损耗低等特点，在人类生活的各个角落发挥着其不可替代的电力控制和保护功能，从而在国民经济发展中占据着重要的地位。据统计，80%以上的发电电量是通过低压电器分配使用的。我国低压电器行业经过了60多年的发展，目前年产值超过600亿元，已成为全球低压电器最大制造国。

我国低压电器行业经过多年的努力，创新研发能力不断提高，拥有完全自主知识产权的新产品也越来越多，其整体技术指标已达到国际先进水平，部分指标甚至实现了国际领先，而且正逐步摆脱以仿制为主的设计模式。但是，应该看到长期以来，以ABB、施耐德、西门子、三菱、伊顿等为代表的国际知名低压电器公司拥有丰富的研发经验、雄厚的研发经费、良好的市场认可度和品牌美誉度，使得低压电器的市场竞争非常激烈。因此，如何进一步提高我国低压电器的自主创新与研发水平，掌握关键的核心技术，增强产品的国际竞争力，促进低压电器事业的不断向前发展，实现产品技术上的超越、引领，成为低压电器领域的研究机构和生产企业所面临的重要问题。

在低压电器产品中，无论是从产值、产量，还是技术复杂程度上来看，作为配电电器的低压断路器无疑是最重要的，其性能在很大程度上反映了一个国家低压电器的设计与生产水平。根据国际电工委员会的IEC标准和我国的国家标准，低压断路器按使用类别划分为A类和B类两种。A类断路器在短路情况下、无明确指明具有选择性保护功能，B类断路器则明确指明具有选择性保护功能。低压断路器按结构又可以分为三大类：框架断路器（ACB）、塑壳断路器（MCCB）和微型断路器（MCB）。

在低压断路器小型化、智能化、高性能、节能环保的发展趋势下，如何缩短新产品上市周期，降低研发成本，提高产品性能，对市场需求的快速灵活反应成为生产企业的核心竞争力。传统的低压断路器设计，首先是通过调研确定初步设计方案，然后依靠简单的经验公式做产品的设计计算，并通过反复的样机制作和试验验证来最后确定设计方案，达到设计要求和性能，这种“经验设计+试验验证”的设计模式一方面设计周期长、经济性不高，更重要的是很难达到最优化设计。

针对这一问题，自20世纪50年代以来，人们就将数值计算应用于低压断路器的产品研发中，而“建模与仿真”也一直是低压电器领域的两个具有悠久历史的国际会议：IEEE Holm Conference on Electrical Contacts、International Conference on Electrical Contacts的永恒主题之一。

操作机构、脱扣器和触头灭弧系统是低压断路器的主要组成部分，这三部分的性能及其之间的优化匹配在很大程度上决定了低压断路器的开断能力及运行可靠性，而开断能力是考核低压断路器产品的关键指标，运行可靠性是对低压断路器的根本要求，因此这也成为长期以来低压断路器建模仿真技术的研究重点。本书也正是重点介绍了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、短路开断过程的仿真分析等几个方面的研究成果。