12kV 真空滅弧室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

姚鋒娟 王茜 齊嬋

（天津平高智能電氣有限公司，天津 300300）

1 概述

我國城市化的推進(jìn)和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，對包括開關(guān)設(shè)備在內(nèi)的諸多電力設(shè)備的環(huán)保性能提出了更高要求和更大挑戰(zhàn)[1-3]。真空開斷技術(shù)是實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備環(huán)保化的重要保障之一，實(shí)現(xiàn)觸頭結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這直接影響著真空滅弧室的電氣性能和機(jī)械性能，決定了真空斷路器的綜合性能[4-6]。

本文采用數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法開展了高可靠性12kV 真空滅弧室的研制，著重計(jì)算了在不同開槽角度下，作用在觸頭表面及電流模型上的磁場強(qiáng)度，并最終在“國家電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心”通過了全套型式試驗(yàn)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

真空滅弧室三維模型如圖1 所示。

圖1 真空滅弧室三維模型（左）及剖面圖（右）

本次仿真觸頭結(jié)構(gòu)采用杯狀縱磁結(jié)構(gòu)，圓形觸頭片半徑取r=23.5mm，杯壁厚度為7mm，觸頭片開槽及觸頭杯座觸指數(shù)量定為6 條，杯座外徑R=61mm，杯座內(nèi)徑r=47mm，杯座開槽的軸向最小高度為15mm，杯座高度為19mm，模型杯壁開有6 匝斜槽，動觸頭與靜觸頭完全相同。電弧簡化為直徑等于觸頭直徑，厚度等于觸頭開距的圓柱體。

本三維模型中各部件材料的相關(guān)屬性見表1。其中，σ 為材料的電導(dǎo)率，μr為材料的相對磁導(dǎo)率，ρv為材料的體積電阻率。

表1 材料屬性

3 仿真模擬

分別建立開槽角度為87°、92°、97°、102°、107°和112°的真空滅弧室三維模型，加載電流為31.5kA 短路開斷電流。六種工況下觸頭片表面的磁通密度B 分布如圖2 所示。

經(jīng)計(jì)算，觸頭表面的縱向磁通密度需滿足By≥178mT，由圖2 可知，當(dāng)開槽角度為87°、92°、97°時(shí)，觸頭片中心區(qū)域?qū)?yīng)的By最大值均小于178mT。在開槽角度為102°時(shí)，其中心區(qū)域By范圍的最小值165mT 與178mT 相差7.3%。在開槽角度為107°時(shí)，其中心區(qū)域By范圍的By最小值174mT 與178mT 要求相差2.2%，基本滿足要求。在開槽角度為112°時(shí)，其中心區(qū)域By范圍的By最小值180mT，滿足178mT 的要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

選開槽角度為107°的三維模型進(jìn)行觸頭實(shí)體結(jié)構(gòu)加工，并對電弧形態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

圖3（a）為觸頭開斷初始階段，電弧呈現(xiàn)集聚態(tài)，觸頭的燒蝕嚴(yán)重，開斷性能和絕緣性能下降。

圖3（b）為觸頭開斷中間階段，開距逐漸增加，觸頭間形成集聚型電弧，電弧主要集中在中心位置。

圖3（c）為觸頭開斷末期階段，開距繼續(xù)增大，集聚型電弧轉(zhuǎn)換成擴(kuò)散型電弧，對觸頭的燒蝕程度大大降低，當(dāng)觸頭開距達(dá)到額定開距時(shí)，電弧熄滅。

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，電弧形態(tài)的變化符合理論上的形態(tài)變化，電弧能被縱向磁場有效控制，可以很好地完成開斷，具有較好的開斷能力，有效的反映了仿真計(jì)算結(jié)果的正確性。

5 結(jié)論

本文建立了12kV 真空滅弧室的三維模型，對真空滅弧室的觸頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，經(jīng)計(jì)算，12kV 真空滅弧室的觸頭開槽角度最小應(yīng)為107°。并進(jìn)行觸頭結(jié)構(gòu)實(shí)體配件的開斷試驗(yàn)，結(jié)果表明模擬結(jié)果具有一定的可靠性，能夠?yàn)楹罄m(xù)的12kV 真空滅弧室結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的理論基礎(chǔ)。

圖2 六種工況下觸頭片表面的磁通密度分布圖

圖3 不同階段電弧形態(tài)