两种不同铁芯结构纵磁真空灭弧室触头三维磁场对比分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)大连交通大学机械工程学院 作者:杨海军

  本文建立了两种不同铁芯结构的纵向磁场真空灭弧室触头三维模型,一种铁芯为带有断口的环状结构,另一种是由12 个柱状铁芯圆周方向排列的结构,采用有限元分析方法对两种结构的三维模型进行仿真计算,分析对比两种铁芯结构对电流峰值时刻纵向磁场和电流过零时剩余磁场以及磁场滞后时间的影响,计算的过程中考虑到了涡流的影响。从仿真结果中可以得到以下结论:1.电流峰值时环状铁芯结构产生的纵向磁场大于柱状铁芯结构,但柱状铁芯结构产生的纵向磁场比环状铁芯结构的均匀;2.电流过零时两种铁芯结构的剩余磁场分布相似,但环状铁芯结构的剩余纵向磁场大于柱状铁芯结构;3.柱状铁芯结构的磁场滞后时间要小于环状铁芯结构,电流过零时剩余磁场强的区域对应的磁场滞后时间也大。

  目前真空断路器凭借着优越的性能而在中压领域得到广泛普及,并且正在不断地向低压领域和高压领域进军,而真空灭弧室又被视为真空断路器的核心部件,因此真空灭弧室的研制和开发被学者们给予高度的重视。随着当今大气环境质量问题越来越引起人们的高度重视,真空断路器在未来完全替代SF6 断路器将成为发展的必然趋势。真空灭弧室对电弧的控制是通过电流流过触头时产生磁场来实现的,不同结构的触头可以产生不同方向的磁场。一种是产生横向磁场并施加在真空电弧上来驱使集聚型电弧在洛伦兹力的作用下在触头的表面以极高的速度旋转,减小阴极斑点和阳极斑点对电极表面的烧蚀时间;另一种是产生纵向磁场并施加在真空电弧上以减小电弧的电流密度,使真空电弧在大电流情况下仍然保持扩散形态。目前纵向磁场触头结构在开断大电流的真空灭弧室中应用十分普遍,他具有结构简单,制造及加工成本低,可靠性高等优点。

  最早期的纵磁触头结构可以产生均匀的纵向磁场,使真空电弧在电流较大的情况下仍然可以保持扩散形态,减少电弧集聚导致触头烧蚀的几率,但是随着开断电流的继续增大,触头产生的纵向磁场不能有效的控制真空电弧形态以至于触头表面仍然会出现较为严重的烧蚀情况。铁芯的加入大大的提高了纵向磁场的强度,使同样结构的触头可以产生更强的纵向磁场,从而有效的控制了真空电弧形态,提高了真空灭弧室的可靠性。然而铁芯的加入在提高纵向磁场强度的同时也带来了一些负面的影响,在电流过零时磁场不能迅速消退,即电流过零时带铁芯的触头结构较不带铁芯的触头结构剩余磁场较大,这将抑制了触头间隙中等离子体的快速散去,在恢复电压的作用下极易发生复燃导致触头不能成功开断。

  因此如何合理的设置铁芯以及如何合理的设计铁芯结构成为提高真空灭弧室可靠性的关键。针对杯状纵磁真空灭弧室触头,本文设计了两种不同结构的铁芯,一种是结构为环状的铁芯,为了减小涡流的影响,在环形铁芯上开一个间隙为1 mm 的断口;另一种结构为圆周方向布置的柱状铁芯,柱状铁芯相互不接触,因此可以更好的减小涡流的影响。采用有限元分析方法对比分析了两种不同结构铁芯对纵向磁场和剩余磁场以及磁场滞后时间的影响。

  触头结构模型

  文中仿真所采用的两种不同铁芯结构的触头模型如图1 所示,触头杯均有4 个杯指,为了防止触头片上产生涡流,对应的在触头片上开有四个周向均匀布置的径向直槽。触头外径尺寸为78 mm,壁厚11 mm,弧柱直径与触头外径尺寸相同,柱状铁芯12 个,仿真模型中触头开距为10 mm,杯座材料为无氧铜,支撑盘材料为不锈钢,触头片材料为CuCr50,铁芯材料为电工纯铁DT4,其电导率1.0×107S/m,电弧电导率2800 S/m,CuCr50 的电导率1.044×107 S/m。计算过程中触头流过交流电流,电流有效值为31.5 kA,频率为50 Hz。

两种不同铁芯结构纵磁真空灭弧室触头三维磁场对比分析

图1 触头结构模型

  4、结论

  文中采用有限元分析软件对两种不同铁芯结构的纵磁杯状真空灭弧室触头三维模型进行仿真,分析了瞬态情况下动、静触头表面和触头开距中心平面的纵向磁场分布情况以及磁场滞后时间,得出如下结论:

  (1)电流峰值时环状铁芯结构产生的纵向磁场大于柱状铁芯结构,但柱状铁芯结构产生的纵向磁场比环状铁芯结构的均匀,环状铁芯结构纵向磁场在动、静触头表面和触头开距中心平面处的分布出现四个突起,对应于触头片的开槽处,且槽的一侧比另一侧大,这是由于一侧涡流要强于另一侧。

  (2)电流过零时两种铁芯结构的剩余磁场分布相似,在槽与槽之间和中心区域处出现五个高峰,这是由于此区域涡流作用较强所导致的,环状铁芯结构的剩余纵向磁场大于柱状铁芯结构,原因是柱状铁芯结构抑制涡流的效果要优于环状铁芯结构。

  (3)柱状铁芯结构的磁场滞后时间要小于环状铁芯结构,电流过零时剩余磁场强的区域对应的磁场滞后时间也大,柱状铁芯结构与环状铁芯结构的最大磁场滞后时间分别为0.3168 ms 和0.3288 ms。

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