关于西安交通大学李兴文教授研究方向的文献综述

关于西安交通大学李兴文教授研究方向的文献综述摘要西安交通大学李兴文教授对空气介质电弧测试、仿真、调控关键技术及其应用、开关电弧等离子体特性和控制机理、配电电器灭弧系统与操作机构关键技术有有非常深入的研究。

本文通过查阅相关文献资料，对李兴文教授已有研究成果或观点进行概述；对已有研究成果进行分析、比较，有利于我们对这个领域的学习，了解已有研究成果的不足和空白。

关键字电弧、操动机构、SF6 断路器一、引言李兴文教授简介：1995年9月始在西安交通大学电气工程学院学习，1999年7月本科毕业，获学士学位，并留校工作；1999年9月始在西安交通大学电气工程学院攻读硕士学位，2001年9月研究生毕业，获硕士学位；2001年11月至2002年10月赴日本大阪大学信息系统工程系进修；2003年3月起在西安交通大学电气工程学院攻读博士学位，2006年4月获得博士学位，论文获“全国百篇优秀博士学位论文”提名奖及“陕西省优秀博士学位论文”；现任教授，博士生导师，入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”和陕西省“科技新星计划”。

二、研究方向（1）低压电器灭弧能否通过短路开断性能试验是判断低压断路器研发最终开断的标准。

空气开关电弧是以空气为灭弧和绝缘介质的低压电器中最为复杂的物理现象。

低压断路器开断过程仿真的关键内容是如何建立开断过程的电弧数学模型,并将其与其它开断过程的物理现象相耦合。

为此国内外学者做了许多工作，根据电弧特性建立了各种电弧数学模型，并将其应用到低压断路器开断过程的仿真中。

实现了综合考虑电磁机构、开关机构和电弧运动的低压断路器的开断仿真，但其中机械运动计算部分只适用于某种结构的断路器，对于具有更为复杂机械系统的计算例如运动中有碰撞，凸轮运动等则不易实现。

作者的团队展开了大量的研究，为提出一种更好的、适用于低压断路器开断过程模拟仿真的方法而努力。

首先通过对虚拟样机软件ADAMS进行二次开发,将电弧动态数学模型应用到低压断路器的开断过程仿真,结合有限元软ANSYS,建立了耦合复杂机械运动﹑电路﹑磁场和电弧数学模型的低压断路器开断过程仿真模型。

其次介绍了二维电弧磁流体动力学模型的建立方法,分析了产气材料、金属蒸汽、灭弧室结构等不同因素对电弧特性的影响。

分析电弧运动过程特别是电弧背后击穿现象、电弧温度、电弧组分及其浓度等方面综述了CCD和光纤阵列、光谱诊断技术及磁测试技术等低压空气开关电弧的现代测试技术的特点及其应用。

通过一个实例，将建立的仿真模型应用到一带双向斥开触头系统的塑壳断路器,研究了静触头压力大小对该塑壳断路器开断性能的影响。

仿真试验结果验证了仿真方法和模型的正确性,为低压电器灭弧室的优化设计提供了理论基础。

（2）操动机构操动机构在影响断路器分断性能上具有重要的作用。

永磁操动机构由永久磁铁产生的吸力使断路器保持在分合闸位置, 与弹簧操动机构相比,具有体积小、重量轻、结构简单、操作可靠、免维护、使用寿命长等优点, 因此, 在真空断路器中的应用越来越多。

应用虚拟样机技术, 首先建立了MCCB 机构运动的动力学模型, 并试验验证了模型的正确性，通过对ADAMS的二次开发, 耦合电路、电磁场和机械运动方程, 从而建立了MCCB 分断过程的仿真模型以研究其复杂的物理过程，并用实验验证了模型的正确性；然后耦合电路、电磁场和机械运动方程, 考虑电动斥力的作用, 分析了电弧电压、合闸相角、预期短路电流、机构开始动作时间及气动斥力对MCCB 分断过程的影响；基于建立的仿真模型, 分析了电弧电压、合闸相角、预期短路电流、机构开始动作时间以及气动斥力对于MCCB 分断过程的影响；气动斥力对于分断特性有重要影响, 需要对其进行进一步的深入研究, 找到一种较为精确的描述方法。

考虑到ADK 机构开始运动时间ts 太迟, 会发生触头回落现象, 严重影响MCCB 的分断性能。

提出可用于MCCB 产品的分析、设计和优化的方法。

操作机构打开过程中的连杆转换现象。

通过对比转换位置前后连杆的机械性能,研究了连杆转换位置对操作机构性能的影响。

根据分析的结果,利用虚拟样机软件ADAMS 计算了某塑壳断路器操作机构的最优连杆转换位置,达到了优化机构的目的。

经过优化,使机构的打开时间缩短了1ms。

通过对优化前后的机构进行实验对比,验证了仿真结果的可信性。

分析结果可以为通过优化连杆转换位置提高机构性能提供方法和指导。

（3）SF6断路器2011年11月16日发表了《SF6替代气体灭弧性能的研究进展综述》一文，李兴文的团队分析了国内外SF6替代气体灭弧性能方面的研究现状,开始在这一领域逐步深入,为新型高压电器的研发提供理论依据和技术支持。

SF6 断路器，是用SF6气体作为灭弧和绝缘介质的断路器。

它与空气断路器同属于气吹断路器，不同之处在于：工作气压较低；在吹弧过程中，气体不排向大气，而在封闭系统中循环使用。

为了建立气体断路器数字化设计方法及仿真平台，作者从物理实验及数学模型方面着手，开展了大量的实验。

实验结果表明：1、不同长度的喷口结构,临界压力比不同,当上下游压力比低于临界值时,喷口中产生激波,反之则无激波产生;激波的位置随着压力比以及喷口的长度而变化;当喷口下游气体始终处于超音速流动时,出口压力与设定值无关,仅随着入口压力的增加而增大.此外,有效地导入气体属性能够降低数值仿真中的误差,提高仿真结果的精度。

2、基于真实气体模型(user-defined real gas model)UDRGM建立的SF6断路器冷态气流场分析新方法可有效地提高计算精度,也为热态气流场的研究提供了基础。

3、为判断电击穿能力,需要根据电弧过零时灭弧室内的每一点的压力和温度值,确定对应点的临界击穿场强分布Ec,同时计算在暂态恢复电压作用下灭弧室内的电场分布Ea,然后通过比较灭弧室内各处Ea和Ec的值,就可以判断出灭弧室内不同区域电击穿几率的大小。

这些结论对于辅助高压SF6断路器灭弧室的设计和优化有很大的作用。

同时也对辐射模型以及湍流模型进行了讨论。

喷口烧蚀效应通过增加独立的PTFE蒸汽质量守恒方程来考虑,从而构成了考虑喷口烧蚀效应的完备的控制方程组。

这一控制方程组构成了SF6断路器开断过程大电流阶段的计算机仿真的基本数学模型。

在已有的平台下，作者深入研究弧后电击穿评估时得到热态SF6及其替代或混合气体的准确临界击穿场强。

结果表明SF6气体的(E/N)cr随温度升高而跌落,其减小速度与SF6的分解速度有关;在1 500～2 500K范围内,SF6气体在0.8MPa 下的(E/N)cr明显高于0.4MPa下的(E/N)cr,而在其他温度下,二者的(E/N)cr非常接近。

同时,计算了SF6-CF4、SF6-CO2、SF6-O2、SF6-CH4、SF6-C2H6和SF6-CHF3在300K下的(E/N)cr,发现当x(SF6)超过10%以后,6种混合气体的(E/N)cr随x(SF6)近似线性变化,且6种纯气体中CF4和O2的(E/N)cr最大,而与SF6混合后,SF6-CF4和SF6-O2的(E/N)cr相当,仍高于其他混合气体。

此外,还引入了SF6与混合气体击穿场强的比值r,在一定范围内只要混合比例与压强适当,混合气体可得到与SF6相当的击穿场强。

三、结论在低压空气开关电弧的实验研究方面,以下问题尚需要进一步探讨:1、电弧与电极、栅片、产气材料之间的相互作用过程是目前空气开关电弧中的一个难点和热点问题。

主要是通过电弧的建模和仿真来了解其中的物理过程, 然而, 如何通过实验手段进一步认识该问题, 并为仿真提供必要的数据和依据, 需做进一步深入研究。

2、虽然人们对电弧的背后击穿现象和过零后的重燃现象进行了长期的研究, 但在灭弧室体积不断减小、分断电流不断提高的背景下, 如何通过小电流测试方法研制相应的测试设备, 以认识这些现象发生的机理, 是当前低压电器发展过程中所面临的一个重要问题。

3、磁测试技术作为一种新颖的、有较好应用前景的电弧研究手段, 尚需在测试精度、描述方法上做进一步研究。

断路器工作的可靠性直接影响到电力系统运行时的供电质量和供电可靠性，而操动机构在影响断路器开断性能方面占有重要的地位。

但是，已有研究均没有涉及到多连杆这一较为复杂的永磁机构。

而在国内自行研究和设计的真空断路器中，由于受断路器的结构布置及其他方面的要求，永磁机构需要通过多连杆传动，多连杆永磁操作机构的动态特性分析方法还需要深入研究。

六氟化硫气体由于具有优良的绝缘和灭弧性能，已被广泛应用于高压气体断路器中。

在断路器大容量小型化的发展过程中，一个突出的问题就是如何通过灭弧室的优化设计及其与操作机构的匹配，来提高弧后介质恢复强度、降低重燃概率对于。

弧后电击穿评估来说，获得热态气体的临界击穿场强与压力温度之间的定量关系是最根本的问题在探索替代或混合气体的灭弧特性时也面临同样的问题。

然而，关于热态气电击穿特性方面的实验和仿真研究相对较少，在实验测量方面，文献分别对气体在不同气压和温度下的击穿问题进行了实验研究但大多侧重于冷态的绝缘问题。

击穿场强由于缺少部分气体分解物的碰截面等参数而做了一定程度的简化，影响了结果的准确性。

另外，针对替代或混合气体绝缘特性方面的研究，大多以实验为主理论计算较为缺乏。

四、参考文献[1]利用电弧动态数学模型的低压断路器开断过程仿真分析_季良(2009-07-25 )[2]低压断路器电弧仿真试验和研究(2010-12-30 )[3]利用电弧动态数学模型的低压断路器开断过程仿真分析(2009-07-25 )[4]一种基于多体动力学分析的磁脱扣器动态特性的方法(2008-09-15 )[5]低压断路器操作机构的应力分析方法及应用(2007-06-30 )[6]MCCB分断过程的仿真与分析_李兴文(2009-04-15)[7]低压空气开关电弧现代测试技术的研究综述_李兴文(2008-01-15 )[8] SF_6替代气体灭弧性能的研究进展综述(2011-11-16 )[9] SF_6断路器开断能力数值预测方法研究综述(2012-03-16 )[10]SF_6断路器开断特性的数值仿真方法(2012-05-16 )[11]SF_6及其混合气体临界击穿场强计算与特性分析(2013-02-10)。