基于Ansoft的隔離開關(guān)觸頭電動力分析及優(yōu)化

周 陽，鐘積科，樂洪有

(武漢長海電氣科技開發(fā)有限公司，武漢430064)

基于Ansoft的隔離開關(guān)觸頭電動力分析及優(yōu)化

周 陽，鐘積科，樂洪有

(武漢長海電氣科技開發(fā)有限公司，武漢430064)

隔離開關(guān)是輸變電系統(tǒng)的一個重要元件，需具備較強的短路電流耐受能力。本文對某型隔離開關(guān)進行了三維有限元分析，計算了在短路試驗電流下各觸指的承載電流及受到的電動力，分析了產(chǎn)生電動力的原因，根據(jù)仿真結(jié)果對該型隔離開關(guān)進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過試驗驗證了仿真計算與優(yōu)化方案的正確性。

隔離開關(guān) 有限元分析 電動力

0 引言

隔離開關(guān)是輸變電系統(tǒng)的一個重要元件，其主要作用是在需要檢修的部分和其它帶電部分之間形成足夠大的明顯可見的空氣絕緣間隔以保證檢修工作時的安全。由于其沒有滅弧室，不能開斷負荷電流和短路電流，需在斷路器斷開后才能動作。因此隔離開關(guān)需具備足夠的動穩(wěn)定性以保證在短路電流下不因觸頭斥開熔焊而發(fā)生損毀。

某型隔離開關(guān)的觸頭結(jié)構(gòu)三維模型如圖1所示。其靜觸頭采用兩邊對稱的多觸指結(jié)構(gòu)，動觸頭采用可在豎直平面轉(zhuǎn)動的刀臂結(jié)構(gòu)。動靜觸頭間、靜觸頭與母排間均采用弧面接觸，在靜觸指與其背后的靠板間裝有預(yù)壓縮的彈簧以提供接觸壓力。

該型隔離開關(guān)試驗樣機在進行短時耐受電流試驗時，在135 kA電流下出現(xiàn)了嚴重的噴弧現(xiàn)象，觸頭部分被嚴重破壞。本文將對其結(jié)構(gòu)進行基于Ansoft的仿真計算分析并尋求合適的優(yōu)化方案。

圖1 隔離開關(guān)觸頭模型

1 計算方法

在大電流流過觸頭時，在觸頭回路將產(chǎn)生強大的電動力，根據(jù)觸頭的不同結(jié)構(gòu)，該電動力可能是吸力也可能是斥力；觸頭中的電流還會在周圍產(chǎn)生磁場，在磁場的作用下觸頭周圍的導(dǎo)磁體也會對觸頭產(chǎn)生作用力；同時由于動靜觸頭間的實際接觸面積很小，在接觸區(qū)域附近還會發(fā)生電流線收縮，使得流經(jīng)動靜觸頭的電流反向而產(chǎn)生電動斥力，即HOLM力。當(dāng)觸頭間總斥力大于觸頭間吸力與觸頭彈簧提供的預(yù)壓緊力，動靜觸頭便會斥開，引起噴弧現(xiàn)象，損害觸頭結(jié)構(gòu)。

對于觸頭間的電動力，如果將兩觸頭的結(jié)構(gòu)簡化為兩相等平行有限長載流導(dǎo)體的話，可根據(jù)比奧-沙伐定律采用公式（1）進行計算[1]

其中I為流經(jīng)觸頭的電流，l為觸頭長度，d為觸頭之間的距離。

而對于HOLM力一般采用公式（2）進行計算

其中r為導(dǎo)電斑點半徑，R為觸頭等效半徑，ξ為觸頭表面情況，F(xiàn)k為觸頭預(yù)壓縮力。

但是對于實際開關(guān)，其觸頭一般結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且觸頭周圍磁場相互疊加影響，直接采用公式（1）計算電動力時的誤差過大。而無論是通過試驗驗證還是通過有限元分析都證實了采用公式（2）對HOLM力計算的準確性[2]。因此本文先采用三維有限元法對隔離開關(guān)進行單獨的電動力分析，在得到電動力的計算結(jié)果后再以迭代的計算方式通過公式（2）求得觸頭間的HOLM力，并將電動力、HOLM力以及彈簧力疊加計算以驗證觸頭是否會被斥開。

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2 電動力的計算

為了更加準確的計算電動力，在仿真前將靜觸頭與動觸頭板和進出線排的接觸面全部改為平面接觸，使得觸頭接觸部位盡量不存在電流線的收縮以排除HOLM力的干擾。簡化后的觸頭模型和整體模型分別如圖2、圖3所示。

圖2 簡化后的觸指

根據(jù)實際試驗要求，在動觸頭板端面加載135 kA直流電流，并根據(jù)實際樣機情況將左右靠板及前后擋板材料設(shè)置為#45鋼，其它部件材料設(shè)置為銅，并采用自適應(yīng)剖分網(wǎng)格。計算區(qū)域選擇5倍于工作區(qū)域。

首先對各觸指的承載電流進行計算分析。圖4為整體模型的電流密度分布，圖5為觸指截面的電流密度分布。

圖3 仿真模型

圖4 模型電流密度分布圖

圖5 各觸指截面電流密度分布圖

從觸指截面電流密度分布可以看出每個觸指上承載的電流不相等，為了對更為準確的計算HLOM力，對每個觸頭截面電流密度進行積分以得到每個觸指實際承載電流，結(jié)果如表1所示。

表1 各觸指承載電流

從表1可見，外側(cè)兩個觸指要比內(nèi)側(cè)兩個觸指承載電流大3.5 kA左右，而動觸頭板兩側(cè)的觸指承載電流情況基本相同，因此后文將僅對一側(cè)的觸指進行力的分析。表2為1～4號觸指受到的電動力情況（以朝向動觸頭板為正方向）。

表2 各觸指所受電動力

3 HOLM力計算

在得到每個觸指上的承載電流及電動力后可以根據(jù)公式（2）來計算觸指上的HOLM斥力大小，在計算觸頭等效接觸半徑的時候，F(xiàn)k由（3）式確定

其中F1為觸頭預(yù)壓彈簧所提供的彈簧力，根據(jù)實際情況確定為260N，F(xiàn)2為前文所計算的電動力，F(xiàn)為HOLM力。并采用迭代法進行計算以尋求更準確的計算結(jié)果[3]，最終結(jié)果如表3所示（以朝向動觸頭板方向為正方向）。

表3 各觸指所受HOLM力

表3中的4號觸指在該條件下式（2）、（3）無實數(shù)解，說明在該條件下動靜觸頭已斥開。

4 計算結(jié)果分析及優(yōu)化方案

根據(jù)仿真結(jié)果和試驗結(jié)果對觸頭斥開的原因進行分析：觸頭之間的吸力來源于動觸頭板兩側(cè)觸頭上承載的同向電流所產(chǎn)生的電動力。斥力的來源主要有三方面，一是在動觸頭板和靜觸頭接觸的區(qū)域附近，電流線會存在強烈的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后電流線方向與觸指電流方向趨于相反，使動觸頭板與靜觸指之間產(chǎn)生強大的電動斥力，且越靠近4、8號觸頭，偏轉(zhuǎn)越強烈，電動斥力越大，如圖6所示；二是由于靜觸頭后的左右側(cè)靠板均為鐵磁性材料#45鋼，靜觸指中的電流會產(chǎn)生強磁場，并在磁場的作用下受到朝向靠板方向的吸力；三是來源于動靜觸頭間的HOLM力。當(dāng)吸力與彈簧預(yù)緊力的合力不足以抵抗斥力時，觸頭便會斥開。

根據(jù)前文分析，可從以下幾個方面來降低該型隔離開關(guān)的觸頭斥力以增強短耐能力：1）將觸頭周圍的蓋板材料改為非導(dǎo)磁材料；2）減少動觸頭板電流線的偏轉(zhuǎn)；3）降低觸頭間的HOLM力；由于第三點的改進主要依靠觸頭形狀結(jié)構(gòu)的更改，試驗驗證較為復(fù)雜，因此本文僅針對前兩點優(yōu)化方向進行仿真驗證。

圖6 動觸頭板電流線偏轉(zhuǎn)

優(yōu)化方案一：為消除觸頭后面蓋板對觸頭的吸力，將左右靠板的材料改為黃銅，其余部分材料不變。其仿真結(jié)果如表4所示（以朝向動觸頭板方向為正方向）。

表4 優(yōu)化方案一仿真結(jié)果

優(yōu)化方案二：為減少偏轉(zhuǎn)電流線的長度，將觸頭高度降低30 mm（動觸頭板高度2/5左右），模型其它部分不變。其仿真結(jié)果如表5所示（以朝向動觸頭板方向為正方向）。

表5 優(yōu)化方案二仿真結(jié)果

從優(yōu)化后的結(jié)果來看，無論是方案一還是方案二均可有效的減少觸頭斥力，在135 kA的電流下觸指仍保持較強的吸力。其中單獨改變靠板材料比單獨降低觸頭高度能帶來更好的效果，且在實際操作中更容易實現(xiàn)，因此本文將根據(jù)優(yōu)化方案一對隔離開關(guān)進行改進。

5 試驗結(jié)果

對采用了優(yōu)化方案一的新樣機再次進行135 kA電流下的短時電流耐受試驗。試驗結(jié)果表明，改進后的隔離開關(guān)在135 kA的短時耐受電流下未出現(xiàn)噴弧現(xiàn)象，靜觸頭與動觸頭均未出現(xiàn)明顯的燒蝕，相比優(yōu)化之前的試驗結(jié)果有了顯著的提升，基本達到了仿真預(yù)期，證實了仿真計算及優(yōu)化方案的正確性。圖7為優(yōu)化前后的觸頭燒蝕情況對比。

圖7 優(yōu)化前后試驗結(jié)果對比

6 總結(jié)

本文通過對某型隔離開關(guān)觸頭結(jié)構(gòu)仿真計算分析及試驗驗證，得到了以下結(jié)論：

1）通過基于Ansoft三維電磁耦合場的仿真計算，從理論上證實了該型隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)不具備135 kA電流短時耐受能力；

2）對觸頭在試驗電流下所受的電動力及HOLM力進行了計算，并通過分析計算結(jié)果為優(yōu)化設(shè)計提供了理論指導(dǎo)，確定了隔離開關(guān)的優(yōu)化方案；

3）對優(yōu)化方案進行了仿真計算和試驗驗證，驗證了該方案的正確性。

[1] 許志紅. 電器理論基礎(chǔ)[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社, 2014.

[2] 黃蔚偈, 蘭太壽, 劉向軍. 基于ANSYS有限元法的接觸系統(tǒng)電動力分析[J]. 電氣開關(guān), 2013(4)： 18-21.

[3] 萬祥軍, 季慧玉, 陳正馨,等. 萬能式斷路器觸頭系統(tǒng)電動力仿真與試驗研究[J]. 低壓電器, 2012(16)：1-4.

[4] DL/T 593-2006, 高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標準的共用技術(shù)要求[S].

[5] 李興文, 陳德桂, 劉洪武, 等. 觸頭間電動斥力的三維有限元分析[J]. 高壓電器, 2004, 40(1)： 53-55.

Ansoft-based Analysis and Optimization Electrodynamic Force of Contact System for Disconnector

Zhou Yang, Zhong Jike, Yue Hongyou

（Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co., Ltd., Wuhan 430064, China）

The disconnector is an important component in power transmission system, which should have the strong ability of to bear short circuit current. Based on the finite element method, the electrodynamic force of the contacts of a disconnector in test current is calculated, and the reason is also analyzed. The structure is optimized based on simulation results, and the validity is verified by the experiments.

disconnector; finite element analysis; electrodynamic force

TM564

A

1003-4862（2016）12-0033-04

2016-07-19

周陽（1993-），男，研究生。研究方向：直流斷路器。