基于ANSYS的中壓真空滅弧室內部磁場的仿真分析

孫 巍，劉 洋，張洪達，孫 晨，史宗謙

(1．黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱 150030;2．西安交通大學，西安 710049)

在真空滅弧室用縱向磁場來控制真空電弧的形態(tài)，能夠提高滅弧室的開斷性能。縱向磁場對抑制真空滅弧室內部大電流電弧的收縮、降低電弧電壓、防止觸頭表面的燒蝕以及提高弧后介質恢復強度等具有良好的效果［1］。然而，由于某些中壓真空滅弧室中電弧隨著電流不斷增大，仍然出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，造成了觸頭表面局部嚴重燒蝕，嚴重影響了電流的開斷和觸頭的電壽命。因此，為了研究滅弧室內部的磁場分布，提高中壓真空滅弧室的開斷性能，本文應用Pro/Engineer軟件建立了真空滅弧室內部磁場計算的仿真模型，設置了材料屬性和邊界條件，并采用ANSYS仿真軟件對真空滅弧室內部弧柱中心平面的縱向磁場分布進行了計算，指出了影響真空滅弧室內部磁場分布的因素。而且，在可拆卸真空滅弧室中進行了電弧特性實驗，獲取了不同開斷電流下的電弧特性，為今后中壓真空滅弧室的設計提供了參考依據(jù)。

1 磁場仿真模型的建立

本文運用有限元分析法計算中壓真空滅弧室內部的磁場分布，其原理:將所處理的對象劃分為有限個單元(包含若干個節(jié)點)，根據(jù)磁場偏微分方程求解一定邊界條件與初始條件下每個節(jié)點處的矢量磁勢，從而求解出磁場的其他物理量［2－3］。矢量磁勢為

式中:B為磁感應強度;A為矢量磁勢。

矢量磁勢式(1)滿足了高斯磁通定律和法拉第電磁感應定律，所以應用高斯電通定律和安培環(huán)路定律，就得到了磁場偏微分方程和拉普拉斯算子:

式中:B為磁感應強度;A為電流密度。

為了保證計算結果的準確性，本文應用Pro/Engineer軟件，按照1∶1的比例建立真空滅弧室內部溫度場計算的仿真模型。中壓真空滅弧室內部磁場的計算模型如圖1所示。

在圖1中，觸頭之間的開距按照額定值10 mm進行設定，觸頭片的直徑為79 mm，觸頭片的厚度5 mm，觸頭片上的徑向直槽的寬度為2 mm，長度為22 mm;觸頭座的高度為22 mm，杯壁厚度為9 mm，觸頭座的杯指與水平面的夾角為25°。

2 材料屬性和邊界條件的設置

建立模型后，對仿真模型的各個部分設置相應的材料屬性。其中，導電桿、觸頭座、母排和套接的材料均為純銅;觸頭支撐的材料為不銹鋼;觸頭片的材料為CuCr50;電弧的等效材料的電導率按照經驗公式進行計算，本文將其設置為 2800 S/m［4］，模型所用的材料屬性表如表1所示。

表1 模型材料屬性Tab.1 Properties of model material

由于沒有在觸頭座中加入鐵芯，因此計算模型中所有材料的相對磁導率為1。邊界條件的設置:輸入電流為交流電流，頻率為50 Hz，有效值為3150 A，分別選取2個導電桿的端面作為電流的輸入和輸出面。計算場域為模型的5倍，邊界磁勢為0。對于瞬態(tài)磁場:通入電流的時間為1/2工頻周期，即 0.01 s。

3 磁場仿真計算結果

磁場仿真計算所關注的區(qū)域是電弧模型，所以選擇弧柱中心平面，即與觸頭片平面平行、與兩觸頭片表面距離相等的平面。本文所給出的仿真計算結果均為弧柱中心平面縱向磁場的分布情況。其中，Bz表示縱向磁場，即沿z軸方向的軸向磁場。取坐標軸x方向為沿著陽極觸頭片開槽的方向，而y方向為與x方向正交的方向。

3.1 穩(wěn)態(tài)磁場仿真計算結果

杯狀縱磁觸頭能夠在觸頭間隙產生分布比較均勻的縱向磁場。文獻［6－7］對縱向磁場的空間分布和滯后時間作了細致的分析研究。在此基礎上，本文將磁場仿真計算模型導入ANSYS有限元分析軟件，然后按照材料屬性和邊界條件進行計算，得到了真空滅弧室內部弧柱中心平面的縱向磁場分布，如圖2所示。

圖2 觸頭中心平面的縱向磁場分布Fig.2 Longitudinal magnetic field contact head center plane

從圖2中可以看出，杯狀縱磁觸頭中心平面的縱向磁場最大有效值為12.35 mT，杯狀縱磁觸頭在電弧中心平面產生“圓臺形”(即“鐘形”)的縱向磁場分布，圓臺頂部對應于觸頭的6個槽有6個略微突起的峰。觸頭中心平面的中心處縱向磁場強度較大，最大有效值達到12.35 mT，但是此區(qū)域的縱向磁場分布比較均勻，觸頭邊緣處的縱向磁場強度較小，可以忽略不計。

渦流效應會引起滯后，當滯后時間t大于一定值后，電弧會集中燒蝕陽極表面，致使陽極溫度升高，從而對真空斷路器的開斷性能造成影響。因此，對滯后時間t的研究尤為重要。為了得到電弧中心平面縱向磁場的滯后時間，首先應按電弧中心平面縱向磁場的磁感應強度隨時間變化的表達式進行計算，然后由其實部和虛部確認縱向磁場滯后于電流的相位角，進而計算出縱向磁場的滯后時間t。電弧中心平面沿x軸徑向的縱向磁場實部和虛部的分布曲線如圖3所示。電弧中心平面沿x軸徑向的縱向磁場滯后時間分布曲線如圖4所示。

圖3 電弧中心平面沿x軸徑向的縱向磁場實部和虛部的分布Fig.3 Distribution of arc center plane along x axis radial axial magnetic field of the real and imaginary part

圖4 電弧中心平面沿x軸徑向的縱向磁場滯后時間分布Fig.4 Longitudinal magnetic field lag time distribution of arc center plane along the x axis radial

從圖3中可以得出:電弧中心平面最大磁感應強度的有效值為12.35 mT，相位滯后0.32 rad，電弧中心平面上的縱向磁場的磁感應強度隨時間變化的表達式為

式中:B為磁感應強度，mT。

從圖4中可以看出，在電弧中心平面的中心處縱向磁場的滯后時間最長，最長滯后時間為1.01ms，在電弧邊緣處縱向磁場的滯后時間最短。

3.2 瞬態(tài)磁場仿真計算結果

通過對中壓真空滅弧室內部穩(wěn)態(tài)磁場的計算，得到了在長期工作時間內滅弧室內部縱向磁場隨時間變化的規(guī)律。但是，這并不能準確反映出在特定的較短時間內縱向磁場的變化規(guī)律，還需要進行瞬態(tài)磁場的仿真計算。所以，本文具體分析在1/2工頻電流周期(0.01 s)的特定時間內，中壓真空滅弧室內部縱向磁場的分布情況。

對磁場仿真模型施加1/2周期有效值為3150 A的工頻交流電流，分別得到在輸入電流峰值時刻和過零時刻中壓真空滅弧室內部電弧中心平面的縱向磁場分布。輸入電流峰值時刻，真空滅弧室內部電弧中心平面的縱向磁場分布如圖5所示。電流峰值和過零時刻，真空滅弧室內部電弧中心平面沿x軸徑向縱向磁場的分布曲線如圖6所示。

圖5 電流峰值時刻電弧中心平面的縱向磁場分布圖Fig.5 Longitudinal magnetic field distribution of arc center plane at peak current

圖6 電流峰值和過零時刻電弧中心平面沿x軸徑向縱向磁場的分布Fig．6 Longitudinal magnetic field distribution of arc center plane along the x axis radial at current peak and zero crossing time

從圖5和圖6中可以看出:1)在輸入電流的峰值時刻，電弧中心平面的縱向磁場呈“鐘”形分布，電弧中心平面的中心區(qū)域縱向磁場強度較大，最大有效值達到17.9 mT，但是此區(qū)域的縱向磁場分布比較均勻，電極邊緣處的磁感應強度較小，可以忽略不計。2)在輸入電流的過零時刻，電弧中心平面仍然存在最大值為5.9 mT的剩余磁場，這部分縱向磁場是由渦流作用產生的。其中，剩余磁場越小，越有利于電流過零時絕緣介質強度的恢復，從而越有利于電流的成功開斷。

3.3 真空滅弧室內部縱向磁場分布影響因素的分析

3.3.1 觸頭支撐對磁場分布的影響

在以往的仿真計算中，中壓真空滅弧室的觸頭內部是有觸頭支撐的，為了研究觸頭支撐對電弧中心平面縱向磁場分布的影響，在其他計算條件不變的情況下，分別對觸頭座中有無觸頭支撐進行對比計算，在電流峰值時刻，兩種情況下的電弧中心平面沿x軸徑向的縱向磁場分布曲線如圖7所示。

圖7 沿x軸徑向的縱向磁場分布曲線Fig.7 Axial magnetic field distribution along the x axis radial

從圖7可以看出，當去掉觸頭支撐后，電弧中心平面的磁感應強度略微增大。這是因為觸頭支撐的材料為不銹鋼，不銹鋼的電導率雖小于銅，但仍會起到一定的分流作用。

3.3.2動、靜觸頭的位置對縱向磁場分布的影響

為了研究動、靜觸頭的放置位置對電弧中心平面縱向磁場分布的影響，在其他計算條件不變的情況下，分別對動、靜觸頭處于錯開30°與錯開0°的兩種位置進行對比計算。在電流峰值時刻，動、靜觸頭處于錯開30°時，電弧中心平面的縱向磁場分布如圖8所示。在電流峰值時刻，動、靜觸頭處于錯開0°時，電弧中心平面的縱向磁場分布如圖9所示。

從圖8和圖9中可以看出，當動、靜觸頭錯開0°時，電弧中心平面有6個比較明顯的峰;當動、靜觸頭錯開30°時，電弧中心平面的縱向磁場分布更加均勻。這是因為在觸頭片的開槽區(qū)域的渦流比較小，導致在觸頭片的開槽區(qū)域的縱向磁場感應強度的較大所致。

圖8 動、靜觸頭處于錯開30°時電弧中心平面的縱向磁場分布圖Fig.8 Longitudinal magnetic field distribution of arc center plane at dynamic，static contact in a staggered 30°

圖9 動、靜觸頭處于錯開0°時電弧中心平面的縱向磁場分布圖Fig.9 Longitudinal magnetic field distribution of arc center plane at dynamic，static contact in a staggered 0°

3.3.3 觸頭的杯指與水平面的夾角對磁場分布的影響

在以往的仿真中，真空滅弧室內部的觸頭的杯指與水平面的夾角為25°，為了研究觸頭的杯指與水平面夾角對電弧中心平面縱向磁場分布的影響，在其他計算條件不變的情況下，分別改變觸頭的杯指與水平面的夾角，進行對比計算。在電流峰值時刻，杯指與水平面夾角為25°和27°時電流峰值時刻，兩種情況下的電弧中心平面沿x軸徑向的縱向磁場分布曲線，如圖10所示。

從圖10中可以看出，觸頭的杯指與水平面的夾角越小，電弧中心平面的縱向磁感應強度越大。這是因為觸頭的杯指與水平面的夾角小時，杯中電流的水平分量要大于杯指與水平面的夾角大時的情形，從而導致電弧中心平面的縱向磁場強度上升。

圖10 縱向磁場分布曲線Fig.10 Longitudinal magnetic field distribution curve

4 真空電弧特性實驗

4.1 實驗裝置及主要實驗設備

電弧特性實驗的主線路如圖11所示。實驗在可拆卸式真空滅弧室內部進行，滅弧室內部的氣壓為4×10－4～7×10－4Pa。實驗電流由單頻 LC 振蕩回路提供，頻率為50 Hz。實驗電極的位置:上面的觸頭為陽極，下面的觸頭為陰極。

圖11 電弧特性實驗的主線路圖Fig.11 Main line circuit of arc characteristics experiment

實驗采用火花觸發(fā)的方式產生電弧，用高速攝影儀拍攝電弧的形態(tài)。電弧的電壓和電流分別通過高壓探頭和分流器進行測量，實驗電極開距為10 mm。實驗電流的有效值分別為5 kA、10 kA、15 kA、20 kA和25 kA。為了保證實驗電極表面的清潔，在加載實驗電流前，先對電極進行小電流電弧老煉處理。

4.2 不同開斷電流下的電弧特性對比

為了對比不同開斷電流等級下電弧特性，不改變其他因素，在開斷電流有效值分別為5 kA、10 kA、15 kA、20 kA和25 kA的條件下對滅弧室樣品中的觸頭進行一系列實驗。獲得了如圖12所示的t=5 ms(電流峰值時刻)和t=10 ms(電流過零時刻)時不同電流等級下觸頭間的電弧形態(tài)圖像。

圖12 不同電流等級下觸頭間的電弧形態(tài)Fig.12 Arc form of contact lead under different current grades

從圖12中可以看出，隨著電弧電流的逐步增大，弧柱區(qū)由暗變亮，觸頭之間陰極斑點的密度也相應的增大，并且沿徑向方向，從弧柱中心區(qū)域到弧柱外緣，陰極斑點密度的梯度隨電流的增大而增大。當電弧電流I=5 kA時，在電流峰值時刻，弧柱區(qū)很暗，只有陰極表面有比較明亮的陰極斑點分布;在電流過零時刻，陰極表面基本沒有陰極斑點的分布。當電弧電流I=10 kA時，在電流峰值時刻，弧柱區(qū)比較暗，陰極表面分布著明亮的陰極斑點;在電流過零時刻，陰極表面分布著比較暗淡的陰極斑點。當電弧電流I=15 kA時，在電流峰值時刻，弧柱區(qū)變得明亮，而且最明亮的區(qū)域靠近陰極表面，電弧在接近陽極位置有明顯的收縮;在電流過零時刻，陰極表面分布著比較明亮的陰極斑點。當電弧電流增大到I=20 kA時，這樣的分布更加明顯，陰極斑點密度的最大值出現(xiàn)在陰極中心區(qū)域，而且越靠近陽極，陰極斑點的密度越小，電弧收縮更加明顯。當電弧電流I=25 kA時，在電流峰值時刻，弧柱區(qū)最明亮，而且最明亮的區(qū)域靠近陰極表面，電弧在接近陽極位置有非常明顯的收縮;在電流過零時刻，陰極表面分布著明亮的陰極斑點。

5 結論

1)在穩(wěn)態(tài)情況下，在觸頭中心平面產生“鐘形”分布的縱向磁場，縱向磁場的最長滯后時間為1.01 ms。

2)在1/2工頻電流周期內，在電流峰值時刻，觸頭中心平面的縱向磁場呈“鐘形”分布;在電流過零時刻，存在最大值5.9 mT的剩余縱向磁場。

3)在觸頭中加入觸頭支撐時，由于其分流作用，電弧中心平面的磁感應強度略微減小;動、靜觸頭錯開30°時，電弧中心平面的縱向磁場分布更加均勻;在一定范圍內減小觸頭的杯指與水平面的夾角，電弧中心平面的縱向磁感應強度增大。

4)隨著電弧電流的逐步增大，弧柱區(qū)由暗變亮，極間陰極斑點的密度也相應的增大。

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