摘　要：可视化仿真技术是综合计算机图象学、图象处理、计算机辅助设计、人机交互技术等多个领域的一个崭新的技术领域。本文研究了这种新技术在低压电器中的应用。根据低压断路器开断时电弧的物理过程，建立了以磁流体动力学MHD为基础的电弧模型及以热击穿为主的背后击穿物理模型。把这种仿真算法和三维可视化技术结合起来，对低压断路器开断过程中的电弧运动进行了可视化仿真研究。

关键词：断路器　可视化　仿真

1　概述

可视化仿真是90年代崭新的技术领域。它是涉及计算机图象学、图形处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域的一个崭新的技术领域。在工程设计领域，可视化仿真或科学计算可视化被定义为对科学计算或仿真计算所获得的数据进行可视化加工或三维图形和动画显示，并可通过交互的改变参数来视察计算结果的全貌及其变化。由于科学计算可视化对各门学科和工程技术的发展有极其重要的意义及实用价值，因而这种技术在它一开始出现就得到人们的极大重视。

实现科学计算的可视化具有多方面的重要意义。它可以大大加快数据的处理速度，使庞大的数据得到有效的利用；能把不能或不易观察到的工程现象变为使人们能发现并理解被设计和被研究对象所产生的物理机理，从而提出改进设计的具体措施；可以实现对计算过程的引导和控制，通过图形交互手段可方便快速的改变设计和计算的原始数据和条件，并通过三维图形或动画来显示和观察改变原始数据对设计和研究对象基本特性的影响，来达到对象优化设计的目的。 来源:输配电设备网

低压电器的灭弧室一般由器壁 形成一个小室，电弧开断过程在灭弧室内进行，并且时间很短，很难用肉眼进行观察，特别是要定量地掌握和了解灭弧室内如电弧温度、离子浓度、气体压力，气流速度等物理参数变化，则难度更大。近年来，由于磁流体动力学（MHD）数值分析的进展，使人们依靠电弧的物理数学模型来模拟低压电器开断过程成为可能，如果把这种仿真算法和三维可视化技术结合起来，则可使灭弧室内电弧的开断过程在计算机屏幕上显示出来，让人们观察到电弧在灭弧室内运动情况，以及温度，流场等分布和变化情况，这对今后低压电器灭弧室的设计有重大意义。

目前图形及计算机技术得到极大的发展，使在微机上进行三维空间可视化仿真成为可能。本文以磁流体动力学为基础，综合流场、电磁场、温度场等计算，建立低压断路器开断电弧的动态数学模型。在Windows98平台上用Visual C++语言编制，利用基于Windows98的三维图形模块，形成了友好的人机界面，对开断中电弧的运动在三维空间进行显示，对温度，气流等参数以图形可视化方式表示，实现了低压断路器开断的可视化仿真软件系统。

2　低压断路器开断电弧的数学模型

断路器中的开断电弧满足下列方程。质量连续性方程

动量守恒方程

:质量力；

v：速度；

P：压力；

能量方程

ρ：密度；h:焓；T：温度（K）；t:时间（s）;K：热传导系数；s：热源项

在每一层每个单元的电流密度是：

其中G是电导，电导率由这一层元i,k的温度决定。

电弧辐射所发射出的能量是：

QR=A.ε.K.（T4-T40）

A：表面积；ε：辐射率；K：玻尔兹曼辐射常数；T：温度；T0：周围温度；

磁场中的电弧等离子体受到磁场力的驱动：

电弧等离子体在磁场中运动时，产生感应电流，受到磁场对它的作用力，与流体运动的方向相反，阻止流体的运动。

3　电弧开断过程可视化仿真

可视化被定义为对科学计算或仿真计算所获得的数据进行可视化加工或三维图形和动画显示。本文研制的低压断路器开断的三维可视化仿真软件，系在Windows98平台上用Visual C++语言编制，利用基于系统的三维图形模块，在三维空间以动画方式显示的开断过程中电弧的运动情况，并绘出仿真计算的开断电压电流波形。

在低压断路器开断过程的仿真中，需要计算断路器模型所在的回路的电流，计算电弧的耦合场，从而掌握和了解灭弧室内如电弧温度、离子浓度、气体压力，气流速度等物理参数变化。模拟计算的电压电流波形图如图1所示，电弧电压逐渐上升，当电弧进入栅片时，电压迅速上升到一个较高的值，电流得到限制，然后出现了背后击穿，电弧电压跌落。计算结果与实验基本符合。在0.85ms时灭弧室内温度分布及流场如图2所示。

图1　模拟计算的断路器开断电压电流波形

图2　t=0.85ms时计算得灭弧室内温度分布及流场

本可视化系统的实现基于数据库技术。随着自动化、集成化、智能化程度的不断提高，系统中的数据管理复杂。要求数据管理系统能支持应用程度之间数据的传递与共享，工程数据类型复杂，不仅有矢量、动态数组、常常要求处理有复杂结构的工程数据对象。工程对象在不同设计阶段，可能有不同的定义模式，因此就能根据实际需要，修改和扩充定义模式。要求有适应于工程特点的数据管理。因此采用了在Visual C++的MFC中提供的强大的数据库CDao类。MFC中基于DAO的数据类比基于ODBC的数据类功能更强大。基于DAO的数据类通过Microsoft Jet database engine来取得数据。它支持数据定义语言（DDL）的操作，比如创建数据库，在数据库中加入新的表或是在表中定义新的域。

三维图形可分为线框，表面及实体模型造型。实体模型是一种高级技术，现在已经有多个商品化的系统。它特别适合研究复杂机构的干涉和碰撞的检查、物体质量特性的计算，以及物体的逼真显示等情况。因此目前已经成为CAD系统中主要的几何造型手段。

Microsoft提出了在Windows98&NT以及X-Windows平台上通用的三维图形规范。但这套三维图形规范是面向底层操作的，只提供了对点、线、面的操作，这对于电器的可视化仿真CAD系统的研制是远远不够的。本可视化仿真系统需要实体显示，在系统中经常要进行三维绘图，因此用面向对象的编程技术，制作了适用于本系统的类库。

CGL Wnd类从MFC的视窗CWnd类继承，主要对绘图设备进行三维绘图所需要的初始化。

class CGLWnd:public CWnd

｛……

public:

void Init（）;对三维显示设备进行初始化

protected:

afx-msg void OnMouseMove（UINT nFlags,CPoint point）；响应鼠标事件

……｝;

CMcb类用于将断路器作为一个对象封装，其以下的成员函数负责可视化的显示。三维的计算对象法线矢量，材料的光亮度，决定光照强度，绘制有阴暗的实体表示。

void DrawT（）;断路器温度场分布的绘制；void DrawFlow（）;气流场的绘制；

void DrawI（）;断路器开断电流波形的绘制；void DrawU（）;开断电压波形的绘制；

void DrawArc（）;断路器开断中电弧的三维绘制；void Draw3D（）;断路器的三维绘制；

低压断路器开断时的三维仿真如图3所示，在0.14ms时电弧刚刚产生，当0.9ms时电弧已经充分发展，并且前进至灭弧栅片入口处；2.7ms时电弧又退出了灭弧室，背后击穿现象产生，电弧电压跌落。之后，电弧在灭弧室内较稳定的燃烧，直至熄灭。整个开断燃弧时间是4.8ms。

图3　低压断路器开断时电弧运动的三维仿真

4　结　论

本文讨论了可视化仿真系统，是综合计算机图象学、图象处理、计算机辅助设计、人机交互技术等多个领域的一个崭新的技术领域。指出了可视化仿真技术应用于低压电器产品设计中的重要意义。Visual C++实现了在Windows98平台上的低压断路器可视化仿真系统，基于磁流体动力学（MHD）建立电弧的物理数学模型模拟了低压电器开断过程，将这种仿真算法和三维可视化技术结合起来，使灭弧室内电弧的开断过程在计算机屏幕上显示出来，观察到电弧在灭弧室内运动情况，以及温度，流场等分布和变化情况。在低压电器产品设计中应用这种技术，可以大幅度提高低压电器的技术水平，促进我国低压电器的发展。-->