12kV 真空滅弧室結構設計與優化

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

我國城市化的推進和能源結構的調整，對包括開關設備在內的諸多電力設備的環保性能提出了更高要求和更大挑戰[1-3]。真空開斷技術是實現開關設備環?；闹匾Ｕ现?，實現觸頭結構和整體結構的優化設計，這直接影響著真空滅弧室的電氣性能和機械性能，決定了真空斷路器的綜合性能[4-6]。

本文采用數值計算與實驗研究相結合的方法開展了高可靠性12kV 真空滅弧室的研制，著重計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度，并最終在“國家電器產品質量監督檢驗中心”通過了全套型式試驗。

2 結構設計

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）

本次仿真觸頭結構采用杯狀縱磁結構，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量定為6 條，杯座外徑R=61mm，杯座內徑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屬性見表1。其中，σ 為材料的電導率，μr為材料的相對磁導率，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。

經計算，觸頭表面的縱向磁通密度需滿足By≥178mT，由圖2 可知，當開槽角度為87°、92°、97°時，觸頭片中心區域對應的By最大值均小于178mT。在開槽角度為102°時，其中心區域By范圍的最小值165mT 與178mT 相差7.3%。在開槽角度為107°時，其中心區域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，其中心區域By范圍的By最小值180mT，滿足178mT 的要求。

4 試驗驗證

選開槽角度為107°的三維模型進行觸頭實體結構加工，并對電弧形態進行試驗研究。

圖3（a）為觸頭開斷初始階段，電弧呈現集聚態，觸頭的燒蝕嚴重，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，開距繼續增大，集聚型電弧轉換成擴散型電弧，對觸頭的燒蝕程度大大降低，當觸頭開距達到額定開距時，電弧熄滅。

在整個試驗過程中，電弧形態的變化符合理論上的形態變化，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算結果的正確性。

5 結論

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構進行了仿真分析，經計算，12kV 真空滅弧室的觸頭開槽角度最小應為107°。并進行觸頭結構實體配件的開斷試驗，結果表明模擬結果具有一定的可靠性，能夠為后續的12kV 真空滅弧室結構優化提供一定的理論基礎。

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