ANSYS在“电器学”课程教学中的应用

厦门理工学院电气工程与自动化学院 张 辑 庄巧斐 卓志强 薛 勇 蒋莲明

一、引言

“电器学”课程是电气信息类的一门专业课，该课程主要介绍了电器有关发热与电动力、电接触与电弧、电磁机构等理论基础，同时介绍了低压电器中的继电器、接触器、熔断器及低压断路器等的基本结构、工作原理、主要技术参数与要求，以及有关的设计选用方法，同时也介绍了高压电器中各种高压断路器、高压熔断器、隔开关、高压互感器等的基本结构、工作原理、主要的技术参考与要求。

结合课程设计或科研课题，参考相关文献，采用典型工程项目，运用ANSYS 软件 ，获得数值结果，形成可视化场分布图，让学生对电器学理论以及工程设计获得感性认识，并提高学生分析和设计电器产品的的能力。

电器学课堂教学环节的基本内容主要由三部分组成，第一部分为基本理论，包括电磁理论、发热理论、电动力理论、电弧电接触理论；第二部分为典型电器元件( 继电器、接触器、断路器) 的功能特征；第三部分为电器元件在电气自动化领域的实际应用。

在很多的高压开关设备中，主要部分基本是灭弧室，灭弧室的结构特性与安全稳定性，在一定程度上影响高压开关设备的工作能力。现在在国内的常用灭弧室的功能都是比较通用的，而国外的一些公司研究的三工位灭弧室具有更高的功能。所以对于具有合闸、隔离、接地用功能的三工位灭弧室的研发必然对中国电网有很大的影响。将真空灭弧室通过填封包封在环氧树脂壳体内，即形成固封极柱，它能够避免外力和外界环境对真空灭弧室的影响，增强了外绝缘强度，减少了装配工作量，最大限度地减少了装配过程出现的差错。在真空断路器故障类型中，绝缘事故最多。因此，以三工位灭弧室和固封极柱为例，运用ANSYS 来分析其电场分布，既能体现课程的电器理论，又能结合了电器设计的实践情况。

二、ANSYS 简介

图1 分析的基本过程

ANSYS 软件是一种有限元分析软件，可以进行电场、温度场、结构力学、接触分析，可以用它来求解一切物理场或结构问题。而应用最广泛的是有限元法，现已应用于结构静力学、结构动力学、热力学、多物理场耦合、电路理论学、电磁场学等。

ANSYS 的特点在于具有开放性和适应性特性，能更高效地完成工作。因此它被广泛应用于很多的工业领域：航空、汽车、医学、建筑、科技产品、机械、机电系统、运动器械等。

ANSYS Workbench 分析过程包括4个主要的步骤：初步确定、前处理、加载并求解、后处理。前面的初期处理确定为分析前的准备与确认工作，具体操作步骤为后三个步骤，如图1所示。

1.前处理

前处理指的是用建模软件来创建所需的三维实体模型。它包括建立或导入几何模型、定义材料属性、划分网格等几项内容。它自带实体建模功能，用户可以用它构造有限元模型或者直接导入由其他软件建立的模型。

2.加载并求解

ANSYS Workbench 中的加载指的是，对所需要分析的实体模型或节点单元施加所预定的各种外在条件，各种加载条件种类罗列如下。包括结构静力学分析（线性静力分析）、结构动力学分析（模态分析、频谱分析、随机振动分析）、热力学分析、接触分析、电磁场分析、疲劳分析、结构优化分析、复合材料分析、以及多物理场的耦合分析 。

（1）面载荷（包括线载荷）—作用在模型表面的分布载荷

（2）惯性载荷—由于结构体的惯性所引起的载荷

（3）体积载荷—作用区域位于体积上或场域内的载荷

（4）自由度DOF—定义节点的自由度（DOF）值

3.后处理

（1）通用后处理：用来观看整个模型的瞬时分析结果。

（2）时间历程后处理：用来观看不一样的时间间隔或载荷步骤上的模型的结果，通常应用于解决瞬态分析和动力分析过程。

（3）可以用多种颜色等值线、梯度、矢量、粒子流迹、立体切片、透明及半透明（可看到结构内部）等图形方式显示计算结果，也可以以图表、曲线形式显示或输出计算结果。

三、三工位灭弧室建模

1.灭弧室建模方法

三工位灭弧室就是集合闸、隔离、接地三种功能为一体的专用性灭弧室。根据三工位灭弧室CAD 二维图（如图2），通过一系列特征操作（如图3），得到每一部分零件的模型，再通过装配完成三工位灭弧室的三维立体模型（如图4）。

2.固封极柱

固封极柱就是将真空灭弧室和断路器相关的导电零件同时嵌入到环氧树脂这类容易固化的固体绝缘材料中形成极柱，使整个断路器极柱成为一个整体的部件，它能够避免外力和外界环境对真空灭弧室的影响，增强了外绝缘强度，减少了装配工作量，最大限度地减少了装配过程出现的差错。根据草图进行一系列特征操作，得出固封极柱的三维立体模型，如图5。

图2 三工位灭弧室CAD平面图

图3 操作步骤

图4 三工位灭弧室的三维立体模型

图5 固封极柱的三维立体模型

四、三工位灭弧室电场分析

1.麦克斯韦方程

麦克斯韦方程实际上由4 个定律组成，它们分别是安培定律、法拉第电磁定律，高斯定律和磁通连续性定律。

（1）安培环路定律

沿任何一条闭合路径的磁场中的磁感应强度的线积分在数值上相当于通过该闭合路径所围成的曲面的电流总和。

式中，J 为传导电流密度矢量（A/m2）为位移电流密度；D 为电通密度（C/m2）。

（2）法拉第电磁感应定律

沿着任何一条闭合回路中的感应电动势的线积分，正比于穿过该闭合回路的磁通量随时间的变化率。用积分表示为

（3）高斯电通定律

沿着任何一个闭合曲面的电位移的面积分等于这已闭合曲面所包围的电荷密度的体积分，用积分形式表示

（4）磁通连续性定律

穿过任何一个闭合曲面的电位移的面积分恒等于零

2.对模型进行电场分析

图6 电压梯度分布

其中不同颜色代表不同的电压值，红色的电压是最高的，蓝色的电压最低，从图6中，可以看到电压从固封连接排到外壳是逐步下降，是满足电压分布规律的。

五、结束语

本文基于电磁场，完成了10kV 组合开关的性能分析及优化，主要分介绍了三工位灭弧室和固封极柱的Solidworks 三维建模过程以及ANSYS Workbench 电场分析。以形象直观的电场分布图，加深学生对电器学理论知识的理解，提高了学生分析和解决问题的能力，加深学生对理论知识的理解实践，提高了学生的兴趣。实际教学情况表明，这种教学手段可以提高学生的学习兴趣，改善教学效果。

[1]夏天伟.电器学[D].机械工业出版社，2011

[2]王召斌，尚 尚，任万滨.基于建构主义学习理论的《电器学》课程教学方法研究[J].机电元件，2014

[3]李建基.真空断路器固封极柱的生产工艺与市场状况[J].电器工业，2008

[4]杜彦明，顾霓虹.国内配电开关设备现状及事故情况[J].电网技术，2002

[5]黄志新，刘成柱.ANSYS Workbench 14.0超级学习手册[M].北京:人们邮电出版社，2013