柱狀鐵芯結(jié)構(gòu)縱磁觸頭三維磁場(chǎng)仿真分析

郭英杰，楊海軍，康凱，董華軍1,,3

(1.國(guó)家電網(wǎng)平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001； 2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 3.大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

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柱狀鐵芯結(jié)構(gòu)縱磁觸頭三維磁場(chǎng)仿真分析

郭英杰1，2，楊海軍2，康凱2，董華軍1,2,3

(1.國(guó)家電網(wǎng)平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001； 2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 3.大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

建立了形狀為圓柱狀形鐵芯結(jié)構(gòu)的杯狀縱磁真空滅弧室觸頭三維模型，采用有限元分析方法對(duì)不同個(gè)數(shù)柱狀鐵芯下的磁場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，計(jì)算得到了觸頭間隙中心平面處電流峰值時(shí)縱向磁場(chǎng)、電流過零時(shí)剩余磁場(chǎng)以及磁場(chǎng)滯后時(shí)間，并與無鐵芯結(jié)構(gòu)的杯狀縱磁觸頭進(jìn)行了對(duì)比.從仿真結(jié)果可得到以下結(jié)論：電流峰值時(shí)有鐵芯結(jié)構(gòu)比無鐵芯結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)大，有鐵芯結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨鐵芯個(gè)數(shù)增加依次增強(qiáng)；電流過零時(shí)帶有12個(gè)鐵芯的觸頭結(jié)構(gòu)剩余磁場(chǎng)最小、磁場(chǎng)滯后時(shí)間也最小;電流峰值和電流過零時(shí)12個(gè)鐵芯的觸頭結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)特性都是最佳的.

真空滅弧室;觸頭;三維磁場(chǎng);仿真

0 引言

真空斷路器憑借著優(yōu)越的性能在中壓領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)也不斷地向低壓領(lǐng)域和高壓領(lǐng)域滲透[1- 2].當(dāng)今高壓領(lǐng)域普遍采用SF6氣體斷路器，但SF6氣體是一種極強(qiáng)的溫室效應(yīng)氣體，《京都議定書》明確提出要限制其使用，真空斷路器與其比較具有壽命長(zhǎng)、易于維護(hù)、環(huán)境污染小以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注，將來有望在高壓領(lǐng)域替代SF6氣體斷路器[3].

真空滅弧室作為真空斷路器的核心部件之一決定了真空斷路器的開斷能力，其利用電流流經(jīng)觸頭產(chǎn)生的磁場(chǎng)來控制電弧，觸頭開槽方式的不同可產(chǎn)生不同方向的磁場(chǎng)，目前廣泛使用的觸頭結(jié)構(gòu)有橫向磁場(chǎng)觸頭和縱向磁場(chǎng)觸頭.橫向磁場(chǎng)觸頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與電弧軸向垂直的磁場(chǎng)，由于集聚型真空電弧在該磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用而在觸頭的表面以極高的速度運(yùn)動(dòng)[4]，因此減小了陰極斑點(diǎn)和陽(yáng)極斑點(diǎn)對(duì)電極表面的作用時(shí)間；縱向磁場(chǎng)觸頭結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生與電弧軸向平行的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)施加在真空電弧上可降低電弧電流密度，減小弧壓，使真空電弧在大電流情況下仍然保持?jǐn)U散形態(tài)[5- 6].縱向磁場(chǎng)觸頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、制造方便、生產(chǎn)成本低，在開斷大電流的真空斷路器中使用的較多.縱向磁場(chǎng)觸頭結(jié)構(gòu)主要有1/2匝線圈、1/3匝線圈以及杯狀縱磁觸頭，目前得到廣泛應(yīng)用的是杯狀縱磁觸頭結(jié)構(gòu).為了提高磁場(chǎng)強(qiáng)度和真空滅弧室的可靠性，常在觸頭杯中加入鐵磁材料制成的鐵芯，鐵芯結(jié)構(gòu)各不相同，鐵磁材料的加入在增大了磁場(chǎng)的同時(shí)使電流過零時(shí)剩余磁場(chǎng)也增大了，這將不利于電流過零后觸頭間隙金屬等離子體蒸氣的散去，在恢復(fù)電壓的作用下極易發(fā)生復(fù)燃致使觸頭不能成功開斷，因此，好的鐵芯結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足增大磁場(chǎng)同時(shí)盡量減小剩余磁場(chǎng).

本文采用的是圓柱狀鐵芯結(jié)構(gòu)，將鐵芯固定在支撐盤上，每個(gè)鐵芯互不相連，鐵芯圓周方向布置，此種方法布置的鐵芯可將鐵芯中的渦流降到最低，減小了電流過零后的剩余磁場(chǎng)以及磁場(chǎng)滯后時(shí)間.為了分析鐵芯個(gè)數(shù)對(duì)磁場(chǎng)的影響，本文分別對(duì)8、10、12個(gè)鐵芯的觸頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，并同無鐵芯結(jié)構(gòu)觸頭進(jìn)行了對(duì)比.

1 觸頭結(jié)構(gòu)模型

文中仿真所用的觸頭模型如圖1所示，觸頭杯均有4個(gè)杯指，開槽角度17°，為了減小觸頭片上產(chǎn)生的渦流，在觸頭片上開有四個(gè)周向均勻布置的徑向直槽.觸頭外徑尺寸為78 mm，壁厚11 mm，弧柱直徑與觸頭外徑尺寸相同，鐵芯個(gè)數(shù)分別為8、10、12，鐵芯直徑6 mm，仿真模型中觸頭開距取10 mm，杯座材料選無氧銅，支撐盤材料選不銹鋼， 觸頭片材料選CuCr50，鐵芯材料選電工純鐵DT4，其電導(dǎo)率1.0×107S/m[3]，電弧電導(dǎo)率2 800 S/m[7]， CuCr50的電導(dǎo)率1.044×107S/m[8].計(jì)算過程中觸頭流過的電流有效值為31.5 kA，頻率為50 Hz.

圖1 觸頭結(jié)構(gòu)模型

2 仿真結(jié)果分析

2.1 無鐵芯時(shí)磁場(chǎng)分布情況

無鐵芯觸頭結(jié)構(gòu)電流峰值時(shí)縱向磁場(chǎng)在觸頭間隙中心平面的分布如圖2所示，從圖中可看出縱向磁場(chǎng)分布出現(xiàn)四個(gè)突起，分別對(duì)應(yīng)出現(xiàn)在觸頭片開槽的位置，而且槽的一側(cè)大于另一側(cè)，這是由于渦流作用導(dǎo)致的結(jié)果，但是從整體來看除平面邊緣處磁場(chǎng)變化較大以外，中心區(qū)域大部分面積的磁場(chǎng)變化不是很大.在平面中心區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度略微小于突起處，邊緣處的磁場(chǎng)強(qiáng)度迅速減小，最大磁場(chǎng)強(qiáng)度值為0.311 7 T，最小磁場(chǎng)強(qiáng)度值為0.072 T.

圖2 無鐵芯結(jié)構(gòu)電流峰值時(shí)開距中心處磁場(chǎng)分布

無鐵芯觸頭結(jié)構(gòu)電流過零時(shí)縱向磁場(chǎng)在觸頭間隙中心平面的分布如圖3所示，從圖中可看出電流過零時(shí)剩余磁場(chǎng)在平面中心區(qū)域最大，邊緣處剩余磁場(chǎng)最小，剩余磁場(chǎng)分布出現(xiàn)一個(gè)類似于“十”形狀的突起，兩個(gè)突起之間的剩余磁場(chǎng)小，此處對(duì)應(yīng)觸頭片開槽的位置，中間區(qū)域剩磁大是由于沒有開槽，渦流影響大，開槽位置對(duì)應(yīng)處的剩磁小說明開槽有效的抑制了渦流，剩余磁場(chǎng)的最大值為0.103 2 T，最小值為0.014 T.

圖3 無鐵芯結(jié)構(gòu)電流過零時(shí)開距中心處磁場(chǎng)分布

2.2 加入鐵芯后磁場(chǎng)分布情況

圖4所示是加入8個(gè)柱狀鐵芯后電流過零時(shí)觸頭開距中心平面處縱向磁場(chǎng)分布情況，從圖中可看出在加入鐵芯的位置對(duì)應(yīng)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度要強(qiáng)于無鐵芯的位置，平面中心區(qū)域的磁場(chǎng)分布出現(xiàn)略微向下的凹陷，邊緣處磁場(chǎng)強(qiáng)度減小明顯，與無鐵芯結(jié)構(gòu)相比磁場(chǎng)強(qiáng)度稍微有所增加，最大磁場(chǎng)強(qiáng)度值為0.341 6 T，最小縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度值為0.061 7 T.

圖4 帶鐵芯結(jié)構(gòu)電流峰值時(shí)開距中心處磁場(chǎng)分布

加入8個(gè)柱狀鐵芯后電流過零時(shí)觸頭開距中心平面處縱向磁場(chǎng)分布情況如圖5所示，從三維分布結(jié)果來看，加入8個(gè)鐵芯之后的結(jié)構(gòu)在電流過零時(shí)剩余磁場(chǎng)與無鐵芯結(jié)構(gòu)時(shí)的剩余磁場(chǎng)差別不大，由于渦流的影響在觸頭間隙平面中心區(qū)域處的剩余磁場(chǎng)值最大，最大值為0.103 6 T，其次是在對(duì)應(yīng)于觸頭片上槽與槽之間的位置，在邊緣處的剩余磁場(chǎng)值最小，最小值為0.021 3 T，由于鐵芯的加入導(dǎo)致最小值比無鐵芯時(shí)稍大一些.

圖5 帶鐵芯結(jié)構(gòu)電流過零時(shí)開距中心處磁場(chǎng)分布

2.3 鐵芯個(gè)數(shù)對(duì)磁場(chǎng)的影響

為了更進(jìn)一步了解鐵芯個(gè)數(shù)對(duì)磁場(chǎng)分布的影響，本文對(duì)不同鐵芯個(gè)數(shù)的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了仿真分析，從圖6可看出無鐵芯結(jié)構(gòu)觸頭電流峰值時(shí)該路徑上縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度最小，隨著鐵芯個(gè)數(shù)的增加磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，在觸頭間隙中心平面的中心區(qū)域無鐵芯、8鐵芯和10鐵芯三種結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)強(qiáng)度值幾乎無差別，12鐵芯結(jié)構(gòu)在該位置的磁場(chǎng)值明顯大于其他三種結(jié)構(gòu)，在鐵芯對(duì)應(yīng)的位置無鐵芯、8鐵芯和10鐵芯三種結(jié)構(gòu)隨鐵芯個(gè)數(shù)增加依次增加，但當(dāng)鐵芯個(gè)數(shù)為12個(gè)時(shí)，此處的磁場(chǎng)與10鐵芯結(jié)構(gòu)無較大差別，在觸頭邊緣處有無鐵芯時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化不大，因此從圖6中可以得出，12個(gè)鐵芯結(jié)構(gòu)的觸頭較為理想.

圖6 沿觸頭片徑向方向電流峰值時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖7給出的是電流過零時(shí)不同觸頭結(jié)構(gòu)在相同路徑上剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度分布結(jié)構(gòu)，從圖中可看出無鐵芯結(jié)構(gòu)與8鐵芯結(jié)構(gòu)在該路徑上的剩磁分布差別不是很大，當(dāng)鐵芯個(gè)數(shù)增加到10個(gè)時(shí)在鐵芯對(duì)應(yīng)的位置剩余磁場(chǎng)稍微變大，當(dāng)鐵芯個(gè)數(shù)為12個(gè)時(shí)電流過零時(shí)的剩余磁場(chǎng)明顯減小，整體都小于其他三種結(jié)構(gòu)，剩余磁場(chǎng)越小越有利于電流過零時(shí)電弧的熄滅，因此從電流過零時(shí)剩余磁場(chǎng)的角度來看12個(gè)鐵芯的結(jié)構(gòu)優(yōu)于其他三種結(jié)構(gòu).無論哪種觸頭結(jié)構(gòu)剩余磁場(chǎng)的最大值都出現(xiàn)在中心區(qū)域.

圖7 沿觸頭片徑向方向電流過零時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布

2.4 磁場(chǎng)滯后時(shí)間分布

縱向磁場(chǎng)滯后時(shí)間可以根據(jù)磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的規(guī)律得出[9]，圖8所示為觸頭間隙中心平面沿徑向磁場(chǎng)滯后時(shí)間分布，從圖中可看出無鐵芯、8鐵芯和10鐵芯三種結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)滯后時(shí)間分布大體相同，觸頭邊緣處磁場(chǎng)滯后時(shí)間大，其次是觸頭間隙平面的中心區(qū)，磁場(chǎng)滯后時(shí)間大小依次為10鐵芯結(jié)構(gòu)最大，其次是無鐵芯結(jié)構(gòu)，8鐵芯結(jié)構(gòu)次之.12個(gè)鐵芯觸頭結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)滯后時(shí)間最小，在觸頭間隙中心平面的中心區(qū)域處的最大值為0.333 8 ms.磁場(chǎng)滯后時(shí)間越小越有利于電弧的成功熄滅，因此12個(gè)鐵芯的觸頭結(jié)構(gòu)優(yōu)于其他三種觸頭結(jié)構(gòu).

圖8 觸頭間隙中心平面沿徑向磁場(chǎng)滯后時(shí)間分布

3 結(jié)論

本文利用有限元分析軟件對(duì)無鐵芯觸頭結(jié)構(gòu)以及3種不同鐵芯個(gè)數(shù)的觸頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算過程考慮了渦流的影響.對(duì)電流處于峰值和過零時(shí)觸頭間隙中心平面處的磁場(chǎng)以及電流過零后的磁場(chǎng)滯后時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比分析，得出結(jié)論如下：

(1)從圖2和圖4中可看出加入鐵芯后電流峰值時(shí)在鐵芯位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度變大且更加均勻，最大值有0.311 7 T增加到0.341 6 T，觸頭間隙中心平面處的磁場(chǎng)略微減小，該處出現(xiàn)的凹陷變深；從圖3和圖5中可看出加入鐵芯后電流過零時(shí)的剩余磁場(chǎng)要大于無鐵芯的結(jié)構(gòu)在槽與槽之間的位置處剩余磁場(chǎng)增大明顯；

(2)從圖6中可看出加入鐵芯后在觸頭間隙中心平面上沿觸頭徑向方向電流峰值時(shí)鐵芯對(duì)應(yīng)位置的縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度隨鐵芯個(gè)數(shù)增加依次增強(qiáng)，12個(gè)鐵芯的觸頭結(jié)構(gòu)在中心區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，其他三種結(jié)構(gòu)在該區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度值差別不大，在邊緣處各結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化不大；圖7中可看出無鐵芯、8鐵芯和10鐵芯觸頭結(jié)構(gòu)在電流過零時(shí)觸頭間隙中心平面上沿觸頭徑向方向的剩余磁場(chǎng)差別不大，當(dāng)鐵芯個(gè)數(shù)到達(dá)12個(gè)時(shí)剩余磁場(chǎng)明顯減小.綜上所述，12個(gè)鐵芯的觸頭結(jié)構(gòu)最佳；

(3)從圖8可看出無鐵芯、8鐵芯和10鐵芯觸頭結(jié)構(gòu)在電流過零時(shí)觸頭間隙中心平面上沿觸頭徑向方向的磁場(chǎng)滯后時(shí)間變化不是很明顯，12個(gè)鐵芯的觸頭結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)滯后時(shí)間明顯小于其他三種結(jié)構(gòu)，其最大值為0.333 8 ms.

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Analysis of 3-D Magnetic Field for Axial Magnetic Field Vacuum Interrupter Contact with Cylindrical Shaped Iron Core Structure

GUO Yingjie1，2,YANG Haijun2,KANG Kai2,DONG Huajun1,2,3

(1.State Grid Pinggao Group Com.,Ltd,Pingdingshan 467001,China; 2.School of Mechanical Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China； 3.School of Electrical Engineering，Dalian University of Technology Dalian 116024，China)

A three-dimensional model of the axial magnetic field (AMF) vacuum interrupter contact with cylindrical shaped iron core structure is built up with circumferentially arranged iron cores.The three-dimensional finite element models with different number of iron cores are simulated and analyzed.With the current at peak value and zero,the AMF distributions on the mid-gap plane between the moving and stationary contact surfaces are all calculated,as well as the lag time of AMF,and the results are compared with no iron cores case.The simulation results show that the AMF of the structure with iron cores is higher than no iron cores structure at current peak.With the increment of the number of iron cores,the AMF is larger;the residual magnetic field and the lag time of the contact structure with 12 iron cores are the smallest at current zero.The magnetic field distribution of the contact structure with 12 iron cores is the best at current peak and at current zero.

vacuum interrupters;contact;3-D magnetic field;simulation

1673- 9590(2016)03- 0040- 04

2015- 09- 25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51207016，51477023)；遼寧省教育廳高等學(xué)?？茖W(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(LJQ2014046)

郭英杰(1974-),男,高級(jí)工程師,博士研究生，主要從事開關(guān)電弧基礎(chǔ)理論的研究E-mail:huajundong4025@163.com.

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