油浸式有載分接開關的電弧溫度場特性仿真研究

李帥兵 李宗英 楊興祖 康永強 董海鷹

(蘭州交通大學新能源與動力工程學院 蘭州 730070)

1 引言

有載分接開關(On-load tap-changer，OLTC)在電力系統(tǒng)中承擔著調(diào)節(jié)無功功率、穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的重要作用，是有載調(diào)壓變壓器的關鍵組成部分與唯一可動的部件[1]。在“雙碳”背景下，隨著有載分接開關在高壓直流輸電變流變壓器、新能源場站升壓變壓器及傳統(tǒng)發(fā)電、配電變壓器中的大量使用，以及電力系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓日益精細化調(diào)控需求的不斷增加，有載分接開關動作頻率增加，電弧現(xiàn)象頻繁發(fā)生，在載流切換調(diào)壓過程中，容易發(fā)生開關觸頭磨損、燒蝕等現(xiàn)象，故障率升高，影響電網(wǎng)的安全運行。

為了研究電弧放電對電接觸材料的損傷機制，近十年來，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)在電弧放電方面進行了大量研究，主要從電流、滑動速度、法向接觸壓力等參數(shù)方面研究。文獻[2]在銷盤式摩擦磨損試驗機上研究了純碳帶在動態(tài)接觸力作用下的電弧放電。結果發(fā)現(xiàn)電弧放電是隨著動態(tài)接觸力的周期而周期性產(chǎn)生的。文獻[3]利用高速攝像機捕捉了電弧放電的動態(tài)變化。觀察結果表明，電弧放電能夠沿滑動方向移動。文獻[4]在銷盤式摩擦磨損試驗機上進行了不銹鋼對浸漬銅的金屬化碳的電流摩擦和磨損試驗，發(fā)現(xiàn)在摩擦磨損過程中存在電弧放電的現(xiàn)象。由于摩擦對的振動和高溫的作用，電弧的強度隨滑動速度和電流的增大而增大。文獻[5]研究強電流下滑板與接觸網(wǎng)導線的摩擦磨損特性，對比浸銅碳滑板和銅基粉末冶金滑板的摩擦磨損特性，發(fā)現(xiàn)兩種滑板的摩擦因數(shù)和磨耗率隨著電流的增大而增大，但載流相同時，浸銅碳滑板的磨耗率要大得多。文獻[6]利用試驗機在不同的接觸壓力、滑動速度和接觸電流下進行了大量的載流摩擦試驗，提出載流效率、摩擦變異系數(shù)和電流變異系數(shù)，試驗發(fā)現(xiàn)隨著接觸壓力的增加，磨損率曲線呈U 型變化。文獻[7]研究剛性接觸網(wǎng)/受電弓摩擦副的載流摩擦磨損性能，電弧能量隨著法向載荷的增大而減小，當法向載荷Fn>25 N 后，電弧能量趨于穩(wěn)定值。

近年來，仿真軟件發(fā)展迅速，有限元仿真軟件具有精度高、邊界適應性好等特點，能夠計算出瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的數(shù)據(jù)，為試驗提供了便利，針對電弧的有限元仿真也發(fā)展起來。文獻[8]針對真空斷路器中產(chǎn)生的大電流真空電弧，基于磁流體動力學(Magnetohydrodynamics，MHD)理論建立了電弧等離子體物理模型，并研究了在外界軸向磁場的作用下真空電弧的動態(tài)特性。文獻[9]以MHD 理論為基礎，考慮電弧的基本物理特性及電磁效應、熱效應和輻射效應，建立了靜態(tài)弓網(wǎng)電弧二維磁流體動力學模型，仿真計算了電弧的溫度場分布，得到了電弧弧柱和兩電極內(nèi)部的溫度分布特性。文獻[10-11]對弓網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)升降弓過程所產(chǎn)生的弓網(wǎng)電弧特性開展了研究，綜合電場、熱場和磁場的計算，建立了弓網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)升降弓時的弓網(wǎng)系統(tǒng)二維模型，仿真分析了不同弓網(wǎng)間隙和不同接觸網(wǎng)廓型情況下的電弧溫度場分布情況及弓網(wǎng)電弧穩(wěn)態(tài)燃燒特性。以上的電弧研究都是在空氣介質(zhì)中，對絕緣油中電弧放電特性和溫度分布的研究較少。

為研究在絕緣油中的電弧放電特性，本文借助COMSOL Multiphysics 仿真軟件，建立有載分接開關的電弧放電模型，利用仿真的方法分析在絕緣油介質(zhì)中起弧前和起弧后的觸頭表面溫度分布特性，分析電弧對觸頭表面的影響，并探究影響電弧溫度分布的因素。

2 OLTC 觸頭溫度場仿真模型構建

在有載分接開關的運行過程中，分接開關的動觸頭和靜觸頭由接觸到分離，觸頭間隙會因電壓的升高發(fā)生擊穿，產(chǎn)生電弧。隨著觸頭的分離，隙間電弧逐漸冷卻，電弧被拉斷，不會發(fā)生熱擊穿，最終電弧熄滅。

觸頭分離過程中，電弧內(nèi)部各種粒子在熱場、流場、電磁場作用下發(fā)生強烈的質(zhì)量、動量和能量反應，將電磁場、熱場、流場構建為磁流體動力學方程組進行求解[12]。在電弧的燃弧過程中，產(chǎn)生大量熱量，使絕緣油碳化，絕緣性能下降。為此，建立有載分接開關的有限元仿真模型，模擬電弧對觸頭的損傷機理。

2.1 電弧仿真幾何模型及電極材料

為能夠真實模擬有載分接開關的運行過程，建立有載分接開關觸頭電弧的幾何模型如圖1a 所示，電弧的仿真幾何模型如圖1b 所示，動觸頭的半徑為10 mm，長度為20 mm，靜觸頭的幾何尺寸為10 mm×30 mm，動觸頭為陽極，靜觸頭為陰極，其中有載分接開關的開關觸頭運行在絕緣油介質(zhì)中。

圖1 電弧觸頭的幾何模型

一方面因為油浸式有載分接開關的觸頭材料大多為鎢銅合金，其中鎢的含量較少，大約為2%；另一方面為了更好地研究電弧對觸頭的損傷程度，使電弧對觸頭的損傷更加可視化，選用更易損傷的銅材料作為觸頭材料，來表征其他材料觸頭的電弧損傷機理，故動觸頭和靜觸頭的材料均為銅，材料參數(shù)包括相對磁導率、電導率、相對介電常數(shù)。具體的模型相關材料參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真模型的材料屬性

變壓器油的部分參數(shù)隨溫度的變化而變化，為此設定變壓器油的部分參數(shù)隨溫度變化的公式如表2 所示。

表2 變壓器油的參數(shù)

開關觸頭電弧模型的建立是基于磁流體動力學理論，包含流體動力學方程、電磁場方程。在觸頭電弧產(chǎn)生的區(qū)域被認為是局部熱力學平衡，電弧產(chǎn)生在絕緣油介質(zhì)中，其流動區(qū)域被認為處于層流狀態(tài)。不考慮電弧對電極熱傳導和熱輻射造成電極材料相變對電弧特性的影響；不考慮電極內(nèi)部焦耳熱對電弧特性的影響[13]。

(1) 流體動力學方程。流體動力學方程包含流體質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。

流體質(zhì)量守恒方程

動量守恒方程

能量守恒方程

式中，ρ為電弧密度；u為速度；p為壓強；I為單位矩陣；F為洛倫茲力；J為電流密度；B為磁感應強度；CP為恒壓熱容；T為溫度；k為導熱系數(shù)；Q為熱源項。

(2) 電磁場方程

式中，Qj.v為體積電流源；D為通量密度；Je為外源電流密度；H為磁矢量強度；A為磁矢量勢；σ為電導率；0μ為磁導率。

2.2 電弧模型邊界條件

為了實現(xiàn)準確電弧放電，貼合實際運行情況，必須對模型施加合理的邊界條件。有載分接開關的開關觸頭在切換過程所產(chǎn)生電弧特性的仿真邊界條件設置如下，需要對模型的耦合場進行定義。

(1) 溫度邊界條件。絕緣油的外部邊界AB、BC、CD、AD 的溫度值設置為293.15 K；動觸頭上表面EF、GH 和靜觸頭底部IJ 的溫度為293.15 K。

(2) 流體流動邊界。絕緣油邊界AD 設置為入口邊界，邊界BC 設置為壓力出口邊界，壓力為0 Pa；絕緣油區(qū)域受洛倫茲力影響。

(3) 電磁場邊界條件。動觸頭區(qū)域EFGH 設置為電流終端，靜觸頭的底部邊界IJ 設置為接地，初始電勢為0 V；動觸頭邊界為陽極，靜觸頭邊界為陰極。

(4) 動網(wǎng)格邊界條件。邊界EFGH 和曲線邊界EF 設置滑動速度v，方向為X軸的正方向；邊界KL、KI、IJ 和LJ 的坐標不變；絕緣油邊界AB、BC、CD、AD 的坐標均不變。

2.3 網(wǎng)格劃分

COMSOL Multiphysics 中的網(wǎng)格尺寸屬性用來設定網(wǎng)格的大小，包括最大尺寸單元、最小尺寸單元、單元比例、曲率解析度和窄區(qū)解析度等，軟件中設置了包括極端細化、特別細化、粗化等九種不同的網(wǎng)格劃分形式，每種網(wǎng)格劃分方式對應于不同的參數(shù)設置[14]。在本文中，將幾何模型進行網(wǎng)絡劃分，網(wǎng)格單元數(shù)為48 072。為了保證網(wǎng)格的質(zhì)量，避免因為網(wǎng)格劃分粗糙導致幾何劃分出現(xiàn)錯誤或出現(xiàn)求解器不收斂的錯誤。對于絕緣油區(qū)域選擇“細化”的方式，并設置最小單元網(wǎng)格尺寸為0.15 mm；對于觸頭部分設置為自由三角形網(wǎng)絡，選擇“較細化”的方式，以滿足計算需求。

3 仿真結果及分析

為了分析油浸式有載分接開關運行中觸頭的電氣燒蝕狀況，本文建立有載分接開關觸頭電弧的仿真模型，采用動網(wǎng)格技術模擬實際的觸頭滑動，分別仿真了有載分接開關的滑動過程和起弧過程的觸頭表面溫度變化。

3.1 滑動過程中觸頭表面的溫度變化

載流摩擦過程中，接觸面溫度熱源來自3 個方面：摩擦熱、接觸電阻熱和電弧熱。在載流摩擦過程中，固定摩擦件和滑動摩擦件之間的接觸屬于滑動電接觸，摩擦副之間的接觸區(qū)域，是由一些離散的微小接觸點所構成，這些接觸點不僅支撐載荷，而且承受著脈沖電流[15]。這些微小的接觸點實際的接觸面積只有幾平方毫米，甚至更小，但在這些微小的區(qū)域間會傳遞巨大的能量，摩擦副通過這些微小接觸點實現(xiàn)電流的傳遞。在起弧前，摩擦副的接觸面流過電流，因接觸電阻的存在，會產(chǎn)生接觸電阻熱；在洛倫茲力的作用下，相對滑動會產(chǎn)生滑動摩擦熱。

在有載分接開關滑動過程中，起弧前的開關觸頭表面的溫度主要來自電阻熱和摩擦熱。為了研究滑動速度對觸頭的影響，控制觸頭間的接觸壓力為1 N，通入5 A 的電流，設置動觸頭的速度為20 mm/s，觸頭表面的溫度變化如圖2 所示。

圖2 滑動過程中觸頭溫度分布

由圖2 可知，動觸頭表面的溫度隨著時間的增長而增大，在固定的距離內(nèi)，溫度從接觸點向周圍擴散，其最高溫度出現(xiàn)在接觸點處，形成一個高溫區(qū)。其原因是隨著運行時間的增加，觸頭接觸面之間相互摩擦，摩擦力做功轉(zhuǎn)化為熱能，因接觸電阻的存在，焦耳熱也會隨時間增長而增加，最終在電阻熱和摩擦熱的逐漸積累下，造成接觸面的溫度上升。

在摩擦熱和電阻熱的作用下，有載分接開關的開關觸頭表面溫度升高，進而使開關觸頭的表面氧化；另外由于電應力和力學應力，最終導致材料軟化、黏著和剝落，觸頭表面出現(xiàn)劃痕，粗糙度增大，進而使磨損率增大。

3.2 滑動過程中不同速度下觸頭表面的溫度變化

有載分接開關的開關觸頭尺寸有限，在忽略電弧熱的情況下，在一定的距離之內(nèi)滑動，其觸頭表面溫度受滑動速度的影響很大，為探究在不同的滑動速度下滑動觸頭表面的溫度變化，設置滑動速度分別為20 mm/s、40 mm/s、60 mm/s 和80 mm/s，在不同速度下，動觸頭接觸點的溫度變化趨勢如圖3 所示。

圖3 不同速度下接觸點的溫度變化

由于接觸電阻的存在，觸頭表面的溫度受電阻熱的影響較大。由圖3 可知，無論速度多大，隨著滑動時間的增長，觸頭表面溫度總體呈現(xiàn)上升的趨勢；同時，在電弧發(fā)生前，隨著速度的增大，其觸頭表面溫度下降，溫度變化趨勢減緩。這是因為在固定的距離內(nèi)，隨著速度增大，電能轉(zhuǎn)化為熱能的時間降低，所積累的熱量總量降低。在這個過程中，摩擦力做功轉(zhuǎn)化的熱能對結果影響不大，對觸頭表面溫度產(chǎn)生影響的主要因素是電阻熱。

3.3 不同時刻的電弧溫度分布

電弧在燃燒過程中，電場、磁場和熱場相互作用，共同影響。電弧等離子體的物性參數(shù)包括密度、比熱容、熱導率和電導率等。當電弧電流一定時，電弧周圍電場和磁場相互感應。一方面，電弧電場作用下產(chǎn)生的焦耳熱會影響電弧的熱場，且電弧焦耳熱的值與電弧的電導率相關；另一方面，電弧熱傳導和熱輻射過程會造成電弧熱能的耗散，影響電弧熱場[13]。

有載分接開關的開關觸頭在滑動過程中，不可避免地會產(chǎn)生電弧，在電弧的產(chǎn)生過程中，不同時刻其電弧的溫度分布也會有所不同，電弧溫度的大小與電弧能量密切相關，電弧溫度的大小在一定程度上能反映電弧的能量大小以及電弧對觸頭表面的損傷程度。通過分析電弧的溫度分布，可觀察到電弧從起弧階段到燃弧階段的變化。其變化情況如圖4 所示，其中滑動速度為20 mm/s。

圖4 不同時刻的電弧溫度分布

圖4 所示是起弧的過程，可以看出，在電弧的產(chǎn)生過程中電弧的溫度不斷上升，其產(chǎn)生時間短，能量高。隨著電弧的產(chǎn)生，觸頭之間距離增大，電弧的半徑也隨之減?。浑娀》€(wěn)定燃燒時，電弧中心位置的溫度會很高。觸頭間隙距離達到一定值時，電弧等離子體不斷向動觸頭表面收縮，最終將會導致電弧的熄弧。同時，由于電弧高溫區(qū)域不斷向動觸頭表面靠近，動觸頭表面的電氣磨損情況會更加嚴重，導致電弧燒蝕事故的發(fā)生[16-17]。

在滑動速度為20 mm/s 下，動觸頭表面的溫度隨觸頭間隙距離的變化如圖5 所示?？梢钥闯鲩g隙距離大約在16 mm 時，觸頭表面的溫度達到最高溫度，隨后溫度開始下降。這是因為隨著觸頭間的距離拉大，電弧經(jīng)歷了從產(chǎn)生到熄滅的過程，其中在燃弧階段，電弧能量及溫度達到了最高；此后，電弧熱量散失程度加劇，電弧溫度降低，溫度的降低導致帶電粒子復合而消失[18]，電弧弧柱的半徑逐漸收縮，電弧被拉斷，最終電弧熄滅。在這個過程中，動、靜觸頭傳導的熱量相對較少，絕大部分由弧柱直接散向動觸頭上部，導致動觸頭上部設備燒損程度較大[19]。

圖5 動觸頭表面溫度隨間隙距離的變化

3.4 不同電流下的電弧溫度分布

電弧能量的主要來源是電流產(chǎn)生的焦耳熱，因此，電弧溫度與電弧電流的大小有密切關系[20]。為研究電弧電流對電弧溫度分布以及電弧電流對觸頭表面溫度分布的影響，更好地觀察電流變化對電弧溫度的影響，在實際的基礎上將仿真中的電流適當放大。通過設置電弧電流為10 A、15 A、20 A、25 A，仿真求解時間為10 ms，進行有限元仿真分析，得到不同電弧電流下動觸頭的表面溫度變化，如圖6所示。

圖6 不同電弧電流下動觸頭表面溫度變化

從圖6 中的結果發(fā)現(xiàn)，動觸頭表面的溫度隨著電流的增大而增大，在整個電弧產(chǎn)生和熄滅階段，電流從10 A 增加到25 A，其表面溫度從1.9×103K上升到2.1×104K，溫度變化明顯。電弧的不同階段中，其電導率和熱導率等參數(shù)也在不停變化著?？梢钥闯?，隨著電流的增大，輸入到有載分接開關的開關觸頭中的電弧能量也在增加，使電弧的溫度變化劇烈[21-24]。

電弧的整個過程可以分為3 個階段：起弧階段、燃弧階段、熄弧階段[25-28]。在觸頭間隙距離16 mm左右之后，溫度開始下降，這時電弧進入熄弧階段，間隙距離越大，電弧逐漸被拉斷，然后在絕緣油的作用下，電弧等離子體與外界的環(huán)境的接觸面積增大，向絕緣油中輻射的熱量和傳導的熱量均會增加，電弧的溫度和觸頭表面的溫度迅速下降，系統(tǒng)中輸入的能量不足以維持電弧的穩(wěn)定燃燒，最終導致電弧熄滅[10]。

3.5 不同滑動速度下的電弧溫度分布

運行速度的大小對載流摩擦性能有一系列復雜影響。隨著速度增加，摩擦副間的振動沖擊加劇，導致產(chǎn)生離線電弧的概率增大[29]。動靜觸頭在分開時會使絕緣油介質(zhì)產(chǎn)生電弧，隨著觸頭的移動，弧柱逐漸拉長、彎曲變形，并最終熄滅。在這個過程中，觸頭間隙或者觸頭附近會出現(xiàn)重擊穿放電的現(xiàn)象，滑動速度的變化影響著重擊穿出現(xiàn)的概率。電弧侵蝕對有載分接開關的開關觸頭損壞嚴重。為探究滑動速度對電弧溫度分布的影響，設定不同的滑動速度為20 mm/s、50 mm/s、70 mm/s、100 mm/s，取電弧電流為5 A，因電弧產(chǎn)生的時間極短，僅僅只有幾毫秒，為此設定在8 ms 的時間內(nèi)觀察電弧的溫度分布情況，獲得在不同滑動速度下電弧的溫度分布情況，如圖7 所示。

圖7 不同滑動速度下電弧溫度分布

從圖7 可以發(fā)現(xiàn)，電弧溫度向著動觸頭的上部蔓延，由此將會導致動觸頭上部表面的損傷程度嚴重；隨著滑動速度的增大，電弧的弧柱半徑略微減小，變化幅度較小，電弧的溫度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，呈“N”字形變化。在50～70 mm/s 存在一個速度值，使電弧達到一個最高的溫度。

為進一步探究滑動速度對電弧溫度分布的影響，在20～100 mm/s 進一步細分速度值，測量動觸頭表面的溫度變化，觸頭表面溫度隨滑動速度的變化如圖8 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，滑動速度從20～55 mm/s變化時，觸頭表面溫度一直在上升，55～90 mm/s之間，觸頭表面溫度開始下降，在90 mm/s 之后溫度又開始上升。由此可知，在滑動速度為55 mm/s時，存在一個相對的最高溫度，滑動速度為90 mm/s時，觸頭表面溫度最低，考慮到有載分接開關觸頭的運行效率和性能，與其他速度相比，此速度是最優(yōu)的滑動速度。在此速度下，觸頭表面的溫度值最低，電弧對觸頭表面的侵蝕程度最輕。

圖8 不同速度下觸頭表面溫度變化

進一步探究圖8 中溫度變化的原因發(fā)現(xiàn)，在滑動速度55 mm/s 之前，隨著速度的增加，觸頭表面溫度隨之升高，這是因為速度的提高，使觸頭之間的振蕩加劇，產(chǎn)生離線電弧的概率增加，電弧的放電能量增加，觸頭表面溫度升高；在滑動速度55 mm/s 之后，由于觸頭尺寸的限制，有載分接開關的觸頭滑動過程中，滑動速度越快，其產(chǎn)生電弧存在的時間越短，電弧迅速被拉斷，進而造成電弧的傳熱時間短，在一定的時間內(nèi)，電弧向外傳遞的熱量不斷減少，電弧的最高溫度隨滑動速度的提高而不斷下降。之后，速度繼續(xù)提高，觸頭間的振動更加劇烈，電弧的發(fā)生頻率增大[30-31]。在觸頭滑動時，接觸的時間越短，電弧產(chǎn)生的頻率更頻繁，溫度呈上升趨勢。

4 OLTC 觸頭溫度場特性試驗驗證

由于電弧等離子體燃燒時溫度極高且產(chǎn)生時間短，通過試驗的手段來測試電弧的溫度分布非常困難。本文基于實驗室現(xiàn)有的有載分接開關的載流摩擦試驗裝置，驗證了仿真模型的正確性及有效性，試驗裝置如圖9 所示。該試驗裝置利用伺服電機和滾軸絲桿來驅(qū)動觸頭的滑動，模擬觸頭的切換過程，通過變壓器控制臺來調(diào)節(jié)電壓，電壓可調(diào)范圍為0～100 kV，水泥電阻的阻值為50 Ω，HJ20K-60智能運動控制器調(diào)節(jié)滑動速度。示波器測量電壓和電流信號，動觸頭的半徑為10 mm，長度為20 mm,靜觸頭的幾何尺寸為10 mm×30 mm。其觸頭間的接觸如圖10 所示，油箱的直徑為500 mm，高度為300 mm，厚度為3 mm，內(nèi)壁粘貼絕緣紙，變壓器油選用25 號礦物油。

圖9 有載分接開關的載流摩擦裝置

圖10 觸頭電弧的電壓和電流

通過控制器設置不同的滑動速度(20 ～100 mm/s)，當滑動過程中電弧產(chǎn)生時，用示波器同步測量出此時的電壓和電流信號，每組數(shù)值進行12次試驗，求取平均值，得到此時的電弧能量大小。在一定程度上，電弧能量的大小和變化能夠反映電弧溫度的大小和變化。通過智能運動控制器設定滑動速度在20 mm/s，一次觸頭間的滑動過程中，其電弧電流和電壓變化如圖10 所示。觸頭在滑動過程中，由于觸頭間的振蕩與沖擊作用，使觸頭間發(fā)生短暫的離線，出現(xiàn)電弧放電的情況。

通過電壓電流的數(shù)值計算得到接觸電阻隨滑動速度的變化，如圖11 所示。其中滑動速度為15～30 mm/s 時，接觸電阻增大，其原因是在這個速度段，電壓變化幅度大于電流的變化幅度，電壓占據(jù)主導地位；在滑動速度為30～90 mm/s 時，接觸電阻值下降，在起弧中電流慢慢占據(jù)主導地位，電弧的產(chǎn)生靠電流來維持。

圖11 接觸電阻隨滑動速度的變化曲線

在電弧變化的2 ms 內(nèi)，試驗的電弧電壓從起弧至達到最大值，電壓變化了28 V。同一試驗電壓下進行電弧仿真，在2 ms 內(nèi)電弧的電壓變化了30 V。在滑動速度相同時，試驗電弧電壓和仿真電弧電壓的變化基本一致，其對比如圖12 所示。

圖12 試驗與仿真電弧電壓對比

造成這一結果的差異在于仿真中變壓器油的電導率是理想數(shù)值且數(shù)值很小、導電性能差；實際中使用的變壓器油有一定的含水量，其電導率數(shù)值較大，導電性能較好，使電弧更易發(fā)生，從而電壓變化更大。圖13 給出了實際試驗中電弧能量隨滑動速度變化以及仿真得到的不同速度下觸頭表面溫度變化曲線，可以看出二者趨勢基本相同。這表明搭建的仿真模型在偏差允許的范圍內(nèi)與實際試驗情況相符，雖然在邊界條件設置時進行了一些假設，但總體上模型是合理有效的。

圖13 不同速度下電弧能量和溫度的變化

5 結論

本文通過仿真和試驗對有載分接開關滑動觸頭的電弧溫度場特性進行了分析，通過對滑動觸頭在起弧前和起弧后的表面溫度以及電弧溫度分布分析，得到以下結論。

(1) 在起弧前，觸頭表面的溫度主要來自電阻熱和摩擦熱，最高溫度出現(xiàn)在接觸點處；同時，因為觸頭尺寸的限制，隨著滑動速度的提高，觸頭表面積累的熱量減少，造成溫度逐漸下降。

(2) 在起弧的過程中，電弧的溫度快速升高，觸頭間隙逐漸增大，不斷拉動電弧，電弧的高溫區(qū)域不斷向動觸頭表面靠近，使動觸頭表面燒蝕嚴重。隨著電弧的產(chǎn)生和熄滅，觸頭表面的溫度也隨之先上升后下降。

(3) 在滑動速度為55 mm/s 時，觸頭之間的溫度達到一個相對最高點，隨后開始下降；在滑動速度90 mm/s 處，溫度達到最低，此后開始上升，在此過程中存在一個相對最優(yōu)的滑動速度90 mm/s，該速度下電弧對觸頭的燒蝕最小。

本文研究結論有助于進一步明確有載分接開關觸頭的電氣燒蝕機理，并有利于探索有載分接開關觸頭最優(yōu)滑動速度的設計，對延長開關觸頭的使用壽命具有重要意義。