CN103530481A - 基于虚拟样机技术的中压真空灭弧室内部磁场的真空灭弧室仿真方法及装置 - Google Patents

Abstract

基于虚拟样机技术的中压真空灭弧室内部磁场的真空灭弧室仿真方法及装置，涉及一种仿真方法及装置。为了解决采用目前的真空灭弧室内部磁场的仿真方法，在建立模型后，若连续更改仿真模型参数则影响了延长了灭弧室的设计周期的问题。它通过VC++6.0开发软件对Pro/Engineer软件进行功能拓展，建立了用于真空灭弧室内部磁场的仿真分析的虚拟样机，将仿真模型直接导入虚拟样机中，进行灭弧室内部磁场的仿真计算，并且根据仿真结果分析触头的开距、触头的形状和结构等因素对灭弧室内部磁场的影响，从而确定真空灭弧室的最优结构设置参数。它用于仿真真空灭弧室。

Description

基于虚拟样机技术的中压真空灭弧室内部磁场的真空灭弧室仿真方法及装置

技术领域

本发明涉及一种仿真方法及装置，特别涉及一种基于虚拟样机技术的中压真空灭弧室内部磁场的真空灭弧室仿真方法及装置。

背景技术

虚拟样机技术的优越性：随着经济贸易发展的全球化，缩短产品的开发周期、提高产品的质量、降低产品的成本、提高对市场反应的灵活性等方面已经是在激烈的市场竞争中取得胜利的必要条件。但是，传统中压断路器设计的步骤是：首先，对市场进行调研，从而确定初步的设计方案；然后，根据简单的经验公式完成产品的设计，并进行相关计算；最后，制作样机，并且进行试验验证，进而确定最终的设计方案。但是这种设计往往不能一次性达到产品最终的要求，当在验证实验中发现设计的缺陷时，设计者就必须要重新修改设计，并且制作新的样机。通过反复制作样机和实验验证，设计才能最终达到产品的要求，但是这个设计可能不是最佳的。所以，传统的设计方法存在着设计周期长、设计成本高，对市场反应不灵活等缺点。虚拟样机技术是一种以分析解决产品的性能和实现优化设计为目标的高新技术，它完美的克服了传统设计方法的种种弊端。依靠这一高新技术，设计人员可以首先利用三维图形技术在计算机中制作设计对象的三维虚拟样机，然后利用可视化仿真软件完成虚拟样机的各种物理性能的仿真分析，甚至可以在虚拟环境中进行在现实环境中难以或者根本无法进行的试验，快速分析各设计方案的优劣，最终获得最佳的设计方案。而且，这种技术可以将设计人员的想象与经验融合在设计中，给设计人员提供了极大的发挥空间。虚拟样机技术由于具有开发周期短、设计质量和设计效率高、对市场反应灵活等优势，所以被广泛地应用到了新产品的研发设计之中。

研究中压真空灭弧室内部磁场分布的重要性：近年来中压真空断路器得到了长足的发展，特别是在12kV等级已占绝对优势。而灭弧室内部磁场的分布决定了中压真空断路器的开断性能。在真空灭弧室的发展过程中，引入磁场来控制真空电弧的形态，在提高灭弧室的开断性能方面起到了重要作用。横向磁场的应用，曾经使真空灭弧室的开断能力得到了很大程度地提高。但是与横向磁场相比，纵向磁场对抑制真空灭弧室内部大电流电弧的收缩、降低电弧电压、防止触头表面的烧蚀以及提高弧后介质恢复强度等方面都具有良好的效果。相应的真空灭弧室的杯状纵磁触头结构对其内部稳态磁场和瞬态磁场的影响很大。目前的真空灭弧室内部磁场的仿真方法都是在仿真软件中建立模型，一旦由于设计需要而研究灭弧室的某些参数（如触头开距、触头形状及结构）对灭弧室内部磁场分布的影响，从而需要连续更改仿真模型参数，就只能不断重新建立模型，以致于影响了延长了灭弧室的设计周期的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前的真空灭弧室内部磁场的仿真方法都是采用在仿真软件中建立模型的方式，一旦由于设计需要而研究灭弧室的某些参数对灭弧室内部磁场分布的影响，从而需要连续更改仿真模型参数，就只能不断重新建立模型，以致于延长了灭弧室的设计周期的问题，本发明提供一种基于虚拟样机技术的中压真空灭弧室内部磁场的真空灭弧室仿真方法及装置。

本发明的基于虚拟样机技术的中压真空灭弧室内部磁场的真空灭弧室仿真方法，

它包括如下步骤：

用于运用Pro/Engineer软件建立待仿真的真空灭弧室的模型的步骤；

所述真空灭弧室的模型包括真空灭弧室整体结构的模型、真空灭弧室静端组件模型、真空灭弧室动端组件模型和真空灭弧室屏蔽罩模型；

用于采用Pro/Engineer软件和VC++6.0开发软件建立真空灭弧室模型的内部磁场的仿真分析的虚拟样机的步骤，

用于将待仿真的真空灭弧室的结构设置参数同时导入到所述虚拟样机中，进行真空灭弧室内部磁场的仿真计算，得到真空灭弧室内部磁场的仿真分布结果的步骤；

用于改变虚拟样机中待仿真的真空灭弧室触头的开距、触头的形状和结构，结合获得的相应的真空灭弧室内部磁场，确定待仿真的真空灭弧室的最优结构设置参数的步骤。

本发明的优点在于：本发明通过VC++6.0开发软件对Pro/Engineer软件进行了二次开发，建立了用于真空灭弧室内部磁场的仿真分析的虚拟样机，将仿真模型直接导入虚拟样机中，进行灭弧室内部磁场的仿真计算，并且根据仿真结果分析触头的开距、触头的形状和结构等因素对灭弧室内部磁场的影响，从而确定真空灭弧室的最优结构设置参数。与现有的仿真方法对比，利用本发明的装置及方法结合能使中压真空灭弧室内部磁场分布的仿真过程更加简单、快捷，从而大大缩短了灭弧室的设计周期，提高了仿真分析的效率。

附图说明

图1为采用本发明的方法在电流峰值时刻两种情况下沿x轴径向的纵向磁场分布曲线。

图2为采用本发明的方法在电流峰值时刻杯指与水平面夹角为25°和27°时的电弧中心平面沿x轴径向的纵向磁场分布曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的基于虚拟样机技术的中压真空灭弧室内部磁场的真空灭弧室仿真方法，它包括如下步骤：

用于运用Pro/Engineer软件建立待仿真的真空灭弧室的模型的步骤；

所述真空灭弧室的模型包括真空灭弧室整体结构的模型、真空灭弧室静端组件模型、真空灭弧室动端组件模型和真空灭弧室屏蔽罩模型；

用于采用Pro/Engineer软件和VC++6.0开发软件建立真空灭弧室模型的内部磁场的仿真分析的虚拟样机的步骤，

用于将待仿真的真空灭弧室的结构设置参数同时导入到所述虚拟样机中，进行真空灭弧室内部磁场的仿真计算，得到真空灭弧室内部磁场的仿真分布结果的步骤；

用于改变虚拟样机中待仿真的真空灭弧室触头的开距触头的形状和结构，结合获得的相应的真空灭弧室内部磁场，确定待仿真的真空灭弧室的最优结构设置参数的步骤。

将上述的仿真模型的建立、模型参数的设置、模型的导入、仿真计算、模型参数的重新设置等步骤统一起来的过程即为中压真空灭弧室的虚拟样机技术的实现过程。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于虚拟样机技术的中压真空灭弧室内部磁场的真空灭弧室仿真方法的进一步限定，所述用于采用Pro/Engineer软件和VC++6.0开发软件建立真空灭弧室模型的内部磁场的仿真分析的虚拟样机的步骤为：

采用VC++6.0开发软件对Pro/Engineer软件功能拓展的步骤；

采用拓展功能后的Pro/Engineer软件实现如下步骤：

获取建立真空灭弧室模型中的对象指针的步骤；根据对象指针获取相应对象的数据的步骤；

显示获取相应对象的数据的步骤；

输入重新设置对象指针的数据的步骤；

根据输入的对象指针的数据更新真空灭弧室模型中相关变量和相应对象的数据的步骤；

保存更新后的真空灭弧室模型的步骤。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于虚拟样机技术的中压真空灭弧室内部磁场的真空灭弧室仿真方法的进一步限定，所述中压真空灭弧室为12kV/3150A/40kA真空灭弧室。

本实施方式针对某种12kV/3150A/40kA真空灭弧室样品进行了外观测绘，在完成了灭弧室的解剖之后，对其内部进行了测绘，并且采用Pro/Engineer软件对该真空灭弧室进行了建模：

（1）真空灭弧室整体模型的建立

真空灭弧室的整体结构是真空断路器的最重要的部件。它主要由静触头、动触头、屏蔽罩、波纹管和外壳等零件组成。

（2）真空灭弧室静端组件模型和动端组件模型的建立

真空灭弧室静端组件模型分别由静导电杆、静端触头、静端套接、端部屏蔽罩以及静端法兰组成。

真空灭弧室动端组件模型分别由动导电杆、动端触头、动端套接、波纹管以及端部屏蔽罩组成。其中，触头部分是真空灭弧室内最为重要的元件，它决定了真空灭弧室的开断能力和电气寿命，就接触方式而言，目前真空断路器的触头系统都是对接式的。

本实施方式所述的真空灭弧室样品的触头主要由触头片、触头座、触头支撑三部分组成。

（3）真空灭弧室屏蔽罩模型的建立

在触头周围设置屏蔽罩，其主要作用为以下四点：防止由于绝缘外壳被电弧生成物污染而引起的绝缘强度的降低；有利于电弧熄灭后介质强度的迅速恢复；可以使灭弧室内部的电压均匀分布。

Pro/Engineer软件虽然具有强大的三维造型功能，但是由于它是通用的设计软件,所以没有对某种特定的产品提供专门的开发模块，使得之前的设计资源不能被充分的利用。因此，为了提高设计效率，对Pro/Engineer软件的功能进行拓展，从而达到能够提供特定产品的专用模块的目的，就必须进行Pro/Engineer软件的二次开发。

Pro/Engineer软件自带的Pro/Toolkit个性化开发工具包（应用程序接口）提供了强大的二次开发功能,由于它提供了大量的C语言库函数，所以外部应用程序能够安全有效地访问Pro/Engineer软件的应用程序与数据库，从而完成了C语言程序与Pro/Engineer软件的无缝连接。而且，Pro/Toolkit还封装了许多Pro/Engineer软件底层的库函数与头文件,用户可以借助第三方编译环境对其进行调试。因此，本专利采用VC++6.0开发软件对Pro/Engineer软件进行二次开发。

（1）三维参数化设计的基本原理

参数化设计的基本原理是：将程序控制与三维模型结合起来，从而得到所需的三维实体模型。具体的过程为：首先，建立某种产品的三维模型；然后，根据零件具体的设计要求设置可以控制模型大小和形状的设计参数；最后，对零件的设计参数进行编程，从而实现设计参数的检索、修改以及新三维模型的再生的功能，并且提供人机交互界面。

（2）参数化建模的步骤

参数化建模主要分为三个步骤：创建模型、创建参数和关系式和产品模型的参数化驱动。首先，根据模型的特征，在Pro/Engineer软件中创建模型的主体，根据模型尺寸草绘图形。其次，在Pro/Engineer软件的辅助设计工具中创立参数和关系式。最后，在Pro/Engineer软件的辅助设计工具中进行模型的参数化驱动。在启动Pro/Engineer软件平台后,用户需要注册应用程序，同时装载产品的三维模型，调用辅助工具。由于人机界面中参数名的含义十分明确,所以很容易在界面中修改相关的参数值,然后单击“确定”按钮，生成新的三维模型。

（3）程序的实现

本发明采用同步模式对Pro/Engineer软件进行开发，将参数化应用程序通过动态链接库集成到Pro/Engineer软件的应用系统中。首先，在VC++6.0开发软件中设计人机交互界面；然后，软件向导自动生成MFC/DLL框架程序，并对应用程序进行初始化；最后，在已经生成的框架中设置编译环境以及完成CPP程序的编写，编译程序，并且完成可以被Pro/Engineer软件调用的DAT文件的编写。

1）界面的设计

具有人机交互功能的可视化界面的设计是在VC++6.0开发软件提供的对话框编辑器中完成的。具体操作过程分为三步，分别为:插入对话框资源、在对话框中添加控件、设置对话框与所添加控件的相关属性。对话框可以通过菜单进行调用，也可以根据需要动态调节对话框的尺寸和结构，从而将不同的内容显示出来。菜单由Pro/Toolkit提供的相关函数进行设计，集成在Pro/Engineer软件的菜单条中。

为了简化计算，应用于磁场仿真分析的虚拟样机中只包括“触头座”、“触头片”、“触头支撑”、“静导电杆”和“动导电杆”，所以在参数化建模时只建立触头座”、“触头片”、“触头支撑”、“静导电杆”和“动导电杆”的参数化模型。“仿真模型”菜单栏中共分为“磁场仿真模型”一级子菜单，在一级子菜单中又分为“静导电杆”、“动导电杆”、“触头座”等选项。单击菜单栏中“仿真模型”，然后在所示的下拉菜单中选择“触头座”选项,弹出“触头座”参数化设计界面对话框。用户可以根据需要在对话框中输入各个尺寸参数,点击“确定”按钮后在Pro/Engineer软件环境中得到所要的“触头座”三维模型。2）应用程序的创建及其初始化

应用程序的创建及其初始化主要包括以下三个方面的内容：首先，按照Pro/Toolkit应用程序在Pro/Engineer软件环境中运行的要求，设计初始化接口程序user_initialize()函数和终止程序user_terminate()函数；其次，根据设计功能的需求，设计Pro/Toolkit应用程序的主体部分，这里包括一个或多个CPP程序，从而完成应用程序所需要达到的预定功能；最后，完成对话框资源文件(.res)和菜单信息文件(message.txt)的编写。

3）CPP程序的开发流程

采用面向对象C++语言编写CPP程序，并且充分利用了MFC(Microsoft FundationClasses)所提供的所有类库，从而降低了程序的复杂程度。程序的开发流程为：首先，获取三维模型中的对象指针；然后，显示并设置对象的相关参数信息，更新模型；最后，检验模型是否满足设计要求，如果满足，则完成设计并保存模型。

完成CPP程序的编写之后，编译程序，生成DLL文件。并将DLL文件的信息与菜单文件的信息写入DAT文件，在Pro/Engineer软件的辅助工具中调用DAT文件，进入参数化界面，在人机交互的界面中就可以完成对模型的修改。以“触头座”模型为例，将“触头座”模型的杯指与水平面的夹角由25°修改为30°。

真空灭弧室内部纵向磁场分布影响因素的分析：

（1）触头支撑对磁场分布的影响

在之前的仿真计算中，中压真空灭弧室的触头内部是有触头支撑的，为了研究触头支撑对电弧中心平面纵向磁场分布的影响，在其他计算条件不变的情况下，分别对触头座中有无触头支撑进行对比计算。图1为：在电流峰值时刻，两种情况下的电弧中心平面沿x轴径向的纵向磁场分布曲线.

从图1中可以看出：当去掉触头支撑后，电弧中心平面的磁感应强度略微增大。这是因为：触头支撑的材料为不锈钢，不锈钢的电导率虽小于铜，但仍会起到一定的分流作用。

（2）触头的杯指与水平面的夹角对磁场分布的影响：

触头的杯指与水平面的夹角决定了电流的方向，从而对电弧中心平面纵向磁场的分布造成一定影响。在之前的仿真中，真空灭弧室内部的触头的杯指与水平面的夹角为25°，为了研究触头的杯指与水平面夹角对电弧中心平面纵向磁场分布的影响，在其他计算条件不变的情况下，分别改变触头的杯指与水平面的夹角，使其变为27°，进行对比计算。利用本实施方式获取电流峰值时刻两种情况下的电弧中心平面沿x轴径向的纵向磁场分布曲线。所述分布曲线为杯指与水平面夹角为25°和27°时电流峰值时刻电弧中心平面纵向磁场分布曲线，如图2，从图2中可以看出：触头的杯指与水平面的夹角越小，电弧中心平面的纵向磁感应强度越大。这是因为：当触头的杯指与水平面的夹角小时，杯中电流的水平分量要大于杯指与水平面的夹角大时的情形，从而导致电弧中心平面的纵向磁场强度上升。

具体实施方式四：本实施方式为基于虚拟样机技术的中压真空灭弧室内部磁场的真空灭弧室仿真装置，它包括如下装置：

用于运用Pro/Engineer软件建立待仿真的真空灭弧室的模型的装置；

所述真空灭弧室的模型包括真空灭弧室整体结构的模型、真空灭弧室静端组件模型、真空灭弧室动端组件模型和真空灭弧室屏蔽罩模型；

用于采用Pro/Engineer软件和VC++6.0开发软件建立真空灭弧室模型的内部磁场的仿真分析的虚拟样机的装置；

用于将待仿真的真空灭弧室的结构设置参数同时导入到所述虚拟样机中，进行真空灭弧室内部磁场的仿真计算，得到真空灭弧室内部磁场的仿真分布结果的装置；

用于改变虚拟样机中待仿真的真空灭弧室触头的开距、触头的形状和结构，结合获得的相应的真空灭弧室内部磁场，确定待仿真的真空灭弧室的最优结构设置参数的装置。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的基于虚拟样机技术的中压真空灭弧室内部磁场的真空灭弧室仿真装置的进一步限定，所述中压真空灭弧室为12kV/3150A/40kA真空灭弧室。

Claims (5)

1.基于虚拟样机技术的中压真空灭弧室内部磁场的真空灭弧室仿真方法，其特征在于，它包括如下步骤：

用于运用Pro/Engineer软件建立待仿真的真空灭弧室的模型的步骤；

所述真空灭弧室的模型包括真空灭弧室整体结构的模型、真空灭弧室静端组件模型、真空灭弧室动端组件模型和真空灭弧室屏蔽罩模型；

用于采用Pro/Engineer软件和VC++6.0开发软件建立真空灭弧室模型的内部磁场的仿真分析的虚拟样机的步骤，

用于将待仿真的真空灭弧室的结构设置参数同时导入到所述虚拟样机中，进行真空灭弧室内部磁场的仿真计算，得到真空灭弧室内部磁场的仿真分布结果的步骤；

用于改变虚拟样机中待仿真的真空灭弧室触头的开距、触头形状和结构，结合获得的相应的真空灭弧室内部磁场，确定待仿真的真空灭弧室的最优结构设置参数的步骤。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟样机技术的中压真空灭弧室内部磁场的真空灭弧室仿真方法，其特征在于，所述用于采用Pro/Engineer软件和VC++6.0开发软件建立真空灭弧室模型的内部磁场的仿真分析的虚拟样机的步骤为：

采用VC++6.0开发软件对Pro/Engineer软件功能拓展的步骤；

采用拓展功能后的Pro/Engineer软件实现如下步骤：

获取建立真空灭弧室模型中的对象指针的步骤；根据对象指针获取相应对象的数据的步骤；

显示获取相应对象的数据的步骤；

输入重新设置对象指针的数据的步骤；

根据输入的对象指针的数据更新真空灭弧室模型中相关变量和相应对象的数据的步骤；

保存更新后的真空灭弧室模型的步骤。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟样机技术的中压真空灭弧室内部磁场的真空灭弧室仿真方法，所述中压真空灭弧室为12kV/3150A/40kA真空灭弧室。

4.基于虚拟样机技术的中压真空灭弧室内部磁场的真空灭弧室仿真装置，其特征在于，它包括如下装置：

用于运用Pro/Engineer软件建立待仿真的真空灭弧室的模型的装置；

所述真空灭弧室的模型包括真空灭弧室整体结构的模型、真空灭弧室静端组件模型、真空灭弧室动端组件模型和真空灭弧室屏蔽罩模型；

用于采用Pro/Engineer软件和VC++6.0开发软件建立真空灭弧室模型的内部磁场的仿真分析的虚拟样机的装置，

用于将待仿真的真空灭弧室的结构设置参数同时导入到所述虚拟样机中，进行真空灭弧室内部磁场的仿真计算，得到真空灭弧室内部磁场的仿真分布结果的装置；

用于改变虚拟样机中待仿真的真空灭弧室触头的开距、触头的形状和结构，结合获得的相应的真空灭弧室内部磁场，确定待仿真的真空灭弧室的最优结构设置参数的装置。

5.根据权利要求4所述的基于虚拟样机技术的中压真空灭弧室内部磁场的真空灭弧室仿真装置，

所述中压真空灭弧室为12kV/3150A/40kA真空灭弧室。

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