董華軍 楊海軍 郭英杰 向 川 康 凱 郭方準(zhǔn)

(1.大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 大連 116028 2.大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 大連 116024 3.大連海事大學(xué)電氣工程學(xué)院 大連 116026)

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一種具有橫縱磁場(chǎng)的新型真空滅弧室觸頭三維磁場(chǎng)仿真

董華軍1，2楊海軍1郭英杰1向 川3康 凱1郭方準(zhǔn)1

(1.大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 大連 116028 2.大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 大連 116024 3.大連海事大學(xué)電氣工程學(xué)院 大連 116026)

對(duì)一種由螺旋槽橫磁觸頭和杯狀縱磁觸頭并聯(lián)組成的新型真空滅弧室觸頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了磁場(chǎng)仿真，該觸頭內(nèi)部的橫磁觸頭和環(huán)形觸頭片材料為CuCr50，外部的縱磁觸頭的杯座材料為不銹鋼。建立了三維觸頭結(jié)構(gòu)模型，采用有限元分析方法對(duì)電流處于峰值時(shí)和電流過(guò)零時(shí)動(dòng)、靜觸頭表面和觸頭間隙中心處的靜態(tài)磁場(chǎng)和瞬態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行仿真，瞬態(tài)磁場(chǎng)計(jì)算過(guò)程中考慮到了渦流的影響。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)觸頭產(chǎn)生的縱向磁場(chǎng)在動(dòng)、靜觸頭表面及觸頭間隙中心處分布較均勻且磁通密度滿足要求，有效磁通密度區(qū)域占觸頭表面積較大，電流過(guò)零后剩余磁場(chǎng)少，磁場(chǎng)滯后時(shí)間小，且導(dǎo)體電阻小。

真空滅弧室 觸頭結(jié)構(gòu) 三維磁場(chǎng) 仿真

0 引言

斷路器作為電力輸電系統(tǒng)中一個(gè)重要部件，對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行起到了控制和保護(hù)的雙重作用[1，2]，當(dāng)今真空斷路器憑借其優(yōu)越的性能在中壓領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3]。目前在高壓領(lǐng)域仍以SF6氣體斷路器為主，由于SF6氣體是極強(qiáng)的溫室效應(yīng)氣體，《京都議定書(shū)》中提出要限制其使用，因此在當(dāng)前形勢(shì)下研制大容量和高電壓等級(jí)的真空斷路器已得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[4-12]。

真空滅弧室是真空斷路器的核心部件，其開(kāi)斷故障電流的能力決定了真空斷路器的可靠性，觸頭又是真空滅弧室的關(guān)鍵部件，觸頭的結(jié)構(gòu)對(duì)真空滅弧室的開(kāi)斷性能起著決定性作用。利用電流流過(guò)觸頭產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)控制真空電弧的技術(shù)已得到廣泛使用[13]。產(chǎn)生的磁場(chǎng)主要分為兩種，一種是利用觸頭產(chǎn)生橫向磁場(chǎng)并施加在真空電弧上來(lái)驅(qū)使集聚型電弧在洛倫茲力的作用下在觸頭的表面高速移動(dòng)。典型的觸頭結(jié)構(gòu)是橫向磁場(chǎng)觸頭(有杯狀和螺旋槽兩種結(jié)構(gòu))[7，9，10]，該結(jié)構(gòu)利用觸頭盤(pán)產(chǎn)生橫向磁場(chǎng)，電流流通路徑為由陽(yáng)極導(dǎo)電桿流向陽(yáng)極觸頭，再經(jīng)陰極觸頭返回陰極導(dǎo)電桿，電流流通路徑短，導(dǎo)通電阻小，因此可獲得較大載流能力[14-17]。然而橫向磁場(chǎng)不能避免大故障電流集聚型電弧對(duì)觸頭表面的燒蝕，若觸頭表面燒蝕嚴(yán)重則在電流過(guò)零時(shí)刻觸頭間的金屬蒸氣濃度較高，在恢復(fù)電壓的作用下易復(fù)燃，導(dǎo)致電弧不能成功熄滅[4，5]。另一種是利用觸頭產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)并作用在真空電弧上，使電弧在大電流下仍保持?jǐn)U散型從而減小電弧能量，減輕對(duì)電極表面燒蝕的程度，該技術(shù)可提高觸頭的開(kāi)斷能力，典型的觸頭結(jié)構(gòu)主要有1/2匝線圈、1/3匝線圈以及杯狀縱磁觸頭[8，14]?？v向磁場(chǎng)觸頭主要是通過(guò)電流流經(jīng)觸頭杯座或線圈產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)，電流的流通路徑為由陽(yáng)極導(dǎo)電桿流向縱磁杯座或線圈，經(jīng)縱磁杯座或線圈流向陽(yáng)極縱磁觸頭盤(pán)，在陰極側(cè)經(jīng)過(guò)與陽(yáng)極相反的電流路徑流向陰極導(dǎo)電桿，電流流經(jīng)路徑較長(zhǎng)，觸頭閉合時(shí)導(dǎo)通電阻較大，熱損耗較大，因此采用縱向磁場(chǎng)控制技術(shù)的滅弧室結(jié)構(gòu)額定電流受到限制[17，18]。由于真空滅弧室觸頭的整個(gè)生命周期中大多數(shù)時(shí)間處于閉合狀態(tài)，因此在設(shè)計(jì)觸頭結(jié)構(gòu)時(shí)不但要提高開(kāi)斷能力，同時(shí)還應(yīng)考慮盡量增大其通流的能力，降低其回路電阻?？v向磁場(chǎng)控制電弧技術(shù)廣泛用于開(kāi)斷大電流的真空滅弧室中，但其結(jié)構(gòu)存在機(jī)械強(qiáng)度低、電流流通路徑長(zhǎng)、回路電阻大等缺點(diǎn)[6-8]。

目前科研人員已開(kāi)始研究在不削減縱向磁通密度的同時(shí)減少觸頭體電阻，常采用的方法是增大觸頭橫截面積和線圈厚度，但這將會(huì)增加觸頭質(zhì)量同時(shí)使縱向磁場(chǎng)區(qū)域變窄。基于此，本文采用了一種新型觸頭結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可克服上述缺點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)在于增加了通流的橫截面積，縮短了電流的流通路徑，導(dǎo)電回路電阻小，觸頭表面利用率明顯大于傳統(tǒng)觸頭，在不增大觸頭直徑的前提下有效降低導(dǎo)電回路電阻及溫升，提高了真空斷路器的額定載流能力。

1 新型TMF-AMF同軸雙觸頭結(jié)構(gòu)

新型TMF-AMF同軸雙觸頭結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示[17]。內(nèi)部螺旋槽橫磁觸頭材料為CuCr50，外部杯狀縱磁觸頭由不銹鋼杯座和CuCr50環(huán)形觸頭片組成。該設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)兩觸頭接觸時(shí)電流流經(jīng)內(nèi)部螺旋槽觸頭，此時(shí)觸頭體電阻較小，具有導(dǎo)通大額定電流能力；當(dāng)觸頭斷開(kāi)后電流流經(jīng)不銹鋼杯狀觸頭，產(chǎn)生較強(qiáng)的縱向磁場(chǎng)，具有開(kāi)斷大的短路電流能力。同時(shí)在對(duì)每個(gè)觸頭進(jìn)行設(shè)計(jì)及選擇材料時(shí)會(huì)有很大的靈活性。本文中仿真時(shí)電弧模型假設(shè)成直徑與觸頭直徑相同、高度與觸頭最大開(kāi)距相同的圓柱體[8-11，16]。觸頭模型部分參數(shù)如表1所示。

表1 觸頭模型參數(shù)Tab.1 Contact model parameter

圖1 TMF-AMF同軸雙觸頭結(jié)構(gòu)Fig.1 New TMF-AMF double-contact system

與普通的縱磁觸頭結(jié)構(gòu)相比，新型TMF-AMF同軸雙觸頭結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①觸頭處于關(guān)合狀態(tài)時(shí)電流流通路徑短，觸頭體電阻較小(電流流經(jīng)內(nèi)部螺旋槽觸頭)；②其開(kāi)斷能力與一般的縱磁觸頭結(jié)構(gòu)差別不大(由外部杯狀觸頭產(chǎn)生縱向磁場(chǎng))；③杯座采用不銹鋼材質(zhì)，觸頭的機(jī)械強(qiáng)度大大增強(qiáng)；④同一般的縱磁觸頭結(jié)構(gòu)相比，杯壁厚度明顯減小，觸頭質(zhì)量輕；⑤由于杯壁厚度減小，杯座內(nèi)徑增大，因此增大了縱向磁場(chǎng)的有效區(qū)域范圍，增加了觸頭表面的利用率。

2 三維靜態(tài)磁場(chǎng)仿真結(jié)果分析

本文中瞬態(tài)仿真采用的電流有效值為50 kA，最大值為70.7 kA，為了驗(yàn)證新型觸頭開(kāi)斷大電流的能力，本文中靜態(tài)磁場(chǎng)仿真時(shí)采用的開(kāi)斷電流值取80 kA。保證電弧擴(kuò)散所需的臨界磁場(chǎng)值計(jì)算公式[20]

Bcrit=3.2(IP-9)

(1)

式中，Bcrit為臨界磁場(chǎng)值，mT；Ip為電流最大值，kA。由式(1)計(jì)算得到，當(dāng)電流為80 kA時(shí)，臨界縱向磁場(chǎng)Bcrit=227.2 mT，此時(shí)只需磁通密度大于該值則可保證電弧是擴(kuò)散型真空電弧。為了論證新型觸頭結(jié)構(gòu)的合理性，本文對(duì)一種與新型觸頭結(jié)構(gòu)尺寸相同的普通縱向磁場(chǎng)觸頭進(jìn)行了三維靜態(tài)磁場(chǎng)仿真，并將結(jié)果與新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析。

靜觸頭片上縱向磁場(chǎng)三維分布及沿徑向方向的二維分布如圖2所示。仿真結(jié)果表明，在靜觸頭表面中心區(qū)域的縱向磁場(chǎng)分布出現(xiàn)一個(gè)向下的凹陷，從三維分布圖中可看出類似一個(gè)“火山口”形狀，這是由于內(nèi)部的橫磁觸頭在軸向也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的軸向分量。最大的縱向磁通密度值為0.359 T，出現(xiàn)在環(huán)形觸頭片的開(kāi)槽處。從圖2b中可看出新型觸頭縱向磁通密度值較大區(qū)域占觸頭表面的大部分位置，滿足條件的區(qū)域占整個(gè)觸頭表面的74.4%，整體上縱向磁通密度大于同尺寸的普通縱向磁場(chǎng)觸頭，普通縱磁觸頭滿足最小磁場(chǎng)要求的區(qū)域占觸頭表面的58.9%。

圖2 縱向磁場(chǎng)在靜觸頭片表面分布Fig.2 AMF distribution on the static contact surface

觸頭間隙中心平面處縱向磁場(chǎng)三維分布及徑向方向二維分布如圖3所示。仿真結(jié)果表明，在觸頭間隙中心平面的中心處縱向磁通密度分布出現(xiàn)一個(gè)略向下的凹陷，除此區(qū)域外縱向磁通密度值變化不大，最大數(shù)值出現(xiàn)在外部環(huán)狀觸頭片區(qū)域內(nèi)，最大縱向磁通密度值為0.315 T。從圖3b中可看出新型觸頭結(jié)構(gòu)縱向磁通密度值較大區(qū)域占觸頭表面的大部分位置，滿足最小磁通密度值要求的區(qū)域占整個(gè)觸頭表面的73.5%，普通縱磁觸頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁通密度整體低于新型結(jié)構(gòu)，其滿足臨界磁場(chǎng)值要求的面積占觸頭表面的58.6%。

圖3 縱向磁場(chǎng)在觸頭間隙中心處分布Fig.3 AMF distribution on the mid-gap of the contacts

動(dòng)觸頭片上縱向磁場(chǎng)三維分布及徑向二維分布如圖4所示。仿真結(jié)果表明，縱向磁場(chǎng)在動(dòng)觸頭片表面中心區(qū)域出現(xiàn)4個(gè)向上突起的高峰，這同樣是由于內(nèi)部的橫向磁場(chǎng)觸頭在軸向也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的軸向分量。最大的縱向磁通密度值為0.391 T，出現(xiàn)在內(nèi)部螺旋槽觸頭的開(kāi)槽處。從圖4b中可看出新型觸頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的縱向磁通密度值較大區(qū)域占觸頭表面的大部分位置，除觸頭中心處外，其余位置的磁通密度分布情況較均勻，滿足最小縱向磁通密度值要求的區(qū)域占整個(gè)觸頭表面的74.2%，而普通縱磁觸頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁通密度整體小于新型結(jié)構(gòu)，且滿足臨界磁場(chǎng)值的觸頭面積為61.6%。

圖4 縱向磁場(chǎng)在動(dòng)觸頭片表面分布Fig.4 AMF distribution on the moving contact surface

從以上結(jié)果中可看出動(dòng)、靜觸頭表面以及間隙中心處的磁通密度大于臨界磁場(chǎng)值的區(qū)域所占比例最小為73.5%，而同尺寸的普通縱磁觸頭在上述3個(gè)平面處有效區(qū)域最大的為61.6%，由此可看出新型觸頭結(jié)構(gòu)的觸頭表面利用率高，磁場(chǎng)有效區(qū)域范圍廣，磁場(chǎng)在該3個(gè)平面上的分布較均勻，由此可得出該觸頭可有效控制真空電弧。新型觸頭結(jié)構(gòu)動(dòng)、靜觸頭表面中心區(qū)域磁場(chǎng)分布不同是由于電流在動(dòng)、靜橫磁觸頭中電流方向相同，因此內(nèi)部橫磁觸頭上產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)在動(dòng)、靜觸頭上有差別，在動(dòng)觸頭一側(cè)增強(qiáng)，在靜觸頭一側(cè)磁場(chǎng)減弱。

3 三維瞬態(tài)磁場(chǎng)仿真結(jié)果分析

3.1 電流峰值時(shí)縱向磁場(chǎng)分布

當(dāng)電流處于峰值時(shí)縱向磁場(chǎng)在動(dòng)觸頭片上分布情況如圖5所示。仿真結(jié)果表明，電流處于峰值時(shí)動(dòng)觸頭片上的縱向磁場(chǎng)分布和靜態(tài)縱向磁場(chǎng)的分布非常接近，同樣由于螺旋槽橫磁觸頭在軸向有一個(gè)很強(qiáng)的軸向分量導(dǎo)致觸頭中心處出現(xiàn)4個(gè)峰值，最大的縱向磁通密度值為0.332 T，對(duì)應(yīng)出現(xiàn)在內(nèi)部螺旋槽觸頭的開(kāi)槽處。除此處外觸頭表面的縱向磁場(chǎng)分布較為均勻，且有效縱向磁場(chǎng)所占觸頭的面積也很大。

圖5 電流峰值縱向磁場(chǎng)在動(dòng)觸頭片上分布Fig.5 AMF distribution on the moving contact surface at peak current

電流處于峰值時(shí)觸頭間隙中心平面處縱向磁場(chǎng)的分布如圖6所示。仿真結(jié)果表明，電流處于峰值時(shí)縱向磁場(chǎng)和靜態(tài)縱向磁場(chǎng)在觸頭間隙中心平面分布情況相差不大，在觸頭間隙中心區(qū)域的中心處的縱向磁通密度出現(xiàn)一個(gè)略向下的凹陷，除此處區(qū)域外縱向磁通密度值變化不大，最大數(shù)值對(duì)應(yīng)出現(xiàn)在外部觸頭區(qū)域內(nèi)，最大縱向磁通密度值為0.279 T。縱向磁場(chǎng)在接近觸頭邊緣的地方強(qiáng)度值減小明顯。從圖6中可看出觸頭表面的大部分區(qū)域被有效縱向磁場(chǎng)所覆蓋。

圖6 電流處于峰值時(shí)觸頭間隙中心處縱向磁場(chǎng)的分布Fig.6 AMF distribution on the mid-gap of the contacts at peak current

圖7 電流峰值縱向磁場(chǎng)在靜觸頭片上分布Fig.7 AMF distribution on the static contact surface at peak current

電流處于峰值時(shí)縱向磁場(chǎng)在靜觸頭片上的分布情況如圖7所示。仿真結(jié)果表明，靜觸頭表面上電流處于峰值時(shí)縱向磁場(chǎng)和靜態(tài)縱向磁場(chǎng)的強(qiáng)度值變化不大，從圖7中可看出磁通密度分布類似于一個(gè)“火山口”形狀，觸頭中心處出現(xiàn)向下的凹陷，這是由于螺旋槽橫向磁場(chǎng)觸頭在軸向有一個(gè)很強(qiáng)的軸向分量。縱向磁場(chǎng)最強(qiáng)的地方在外部觸頭區(qū)域，最大的縱向磁通密度值為0.279 T，最大值出現(xiàn)在環(huán)形觸頭片的開(kāi)槽處。從圖7中可看出縱向磁通密度值較大區(qū)域所占觸頭的面積較大。

3.2 電流過(guò)零時(shí)縱向磁場(chǎng)分布

電流過(guò)零時(shí)動(dòng)觸頭片上縱向磁場(chǎng)分布情況如圖8所示。仿真結(jié)果表明，電流過(guò)零時(shí)，縱向磁場(chǎng)主要集中在觸頭的中心區(qū)域，且分布較均勻，從圖8中可看出類似一個(gè)“平頂帳篷”形狀，觸頭邊緣處剩余磁場(chǎng)幾乎為零，對(duì)應(yīng)外部觸頭的環(huán)形觸頭片開(kāi)槽處出現(xiàn)凹陷，剩余縱向磁場(chǎng)最大值為0.043 T。

圖8 電流過(guò)零時(shí)縱向磁場(chǎng)在動(dòng)觸頭片上分布Fig.8 AMF distribution on the moving contact surface at current zero

電流過(guò)零時(shí)刻觸頭間隙中心平面處的縱向磁場(chǎng)分布情況如圖9所示。仿真結(jié)果表明，電流過(guò)零時(shí)，縱向磁場(chǎng)在觸頭間隙中心處強(qiáng)度值較小，且主要集中在觸頭中心部位，縱向磁場(chǎng)分布較均勻，從圖9中可看出類似一個(gè)“平頂帳篷”形狀，其余大部分觸頭表面磁通密度值接近于零，縱向磁通密度最大值為0.033 T。

圖9 電流過(guò)零時(shí)縱向磁場(chǎng)在觸頭間隙中心分布Fig.9 AMF distribution on the mid-gap of the contacts at current zero

電流過(guò)零時(shí)靜觸頭片上縱向磁通密度分布如圖10所示。仿真結(jié)果表明，電流過(guò)零時(shí)，靜觸頭表面的縱向磁通密度值較小，從圖10中可看出縱向磁場(chǎng)分布情況與電流過(guò)零時(shí)觸頭間隙中心平面上的縱向磁場(chǎng)的分布情況相似，縱向磁場(chǎng)主要分布在觸頭中心處，且分布非常均勻。觸頭其余部分磁通密度值接近于零，磁通密度最大值為0.035 T。

圖10 電流過(guò)零時(shí)縱向磁場(chǎng)在靜觸頭片上分布Fig.10 AMF distribution on the static contact surface at current zero

從以上結(jié)果中可得出瞬態(tài)磁場(chǎng)下，電流處于峰值時(shí)，動(dòng)、靜觸頭表面及間隙中心處的磁場(chǎng)分布情況與靜態(tài)磁場(chǎng)分布情況比較相似，磁場(chǎng)均勻地分布在3個(gè)平面上，有效磁場(chǎng)占的面積廣，磁場(chǎng)的最大值位于動(dòng)觸頭表面上，其次是靜觸頭表面，在觸頭間隙中心平面處最小。在電流過(guò)零時(shí)，剩余縱向磁場(chǎng)主要集中在觸頭中心區(qū)域，且分布較均勻，其余區(qū)域剩余縱向磁通密度值接近于零，有利于真空電弧的熄滅。

4 縱向磁場(chǎng)滯后時(shí)間分布

據(jù)縱向磁場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律可得到縱向磁場(chǎng)滯后時(shí)間[21]。觸頭間隙中間平面沿x軸方向的磁場(chǎng)滯后時(shí)間如圖11所示。從圖中可知，電流過(guò)零時(shí)觸頭間隙中心平面磁場(chǎng)大的地方磁場(chǎng)滯后時(shí)間也較大，總體來(lái)看磁場(chǎng)滯后時(shí)間分布類似于一個(gè)開(kāi)口向下的拋物線，滯后時(shí)間最大值為0.407 ms，磁場(chǎng)滯后時(shí)間在觸頭邊緣處為負(fù)值，即電流在沒(méi)有過(guò)零時(shí)磁場(chǎng)先達(dá)到零值，這是由于兩個(gè)環(huán)形觸頭片開(kāi)槽方向不同，在觸頭片上同樣會(huì)產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)，動(dòng)靜觸頭片產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互疊加使觸頭邊緣處磁場(chǎng)在電流過(guò)零前先達(dá)到零值。不同路徑磁場(chǎng)滯后時(shí)間分布也不完全相同，本文給出的是典型路徑上的分布情況。

圖11 觸頭間隙中間平面沿x軸方向的磁場(chǎng)滯后時(shí)間分布Fig.11 AMF lag time radial distribution profile at the mid-gap of the contacts

5 新型觸頭電流分布及導(dǎo)體電阻計(jì)算

為了分析電流在新型觸頭結(jié)構(gòu)中流動(dòng)情況，本文對(duì)觸頭處于關(guān)合狀態(tài)和完全斷開(kāi)狀態(tài)下(觸頭最大開(kāi)距為10 mm)電流分布進(jìn)行了仿真分析，電流密度在觸頭表面沿徑向方向分布情況如圖12所示，從圖中可清晰地看出當(dāng)觸頭處于關(guān)合狀態(tài)時(shí)電流密度在觸頭中心區(qū)域(螺旋槽橫磁觸頭位置)分布集中，該位置處電流密度最大值約為4.704×108A/m2，平均電流密度值約為9.896×107A/m2，在與不銹鋼杯座相連的環(huán)狀觸頭片區(qū)域電流密度較小，該位置處最大電流密度值約為1.811×106A/m2，平均電流密度值約為5.589×105A/m2，計(jì)算結(jié)果表明觸頭關(guān)合狀態(tài)時(shí)電流主要流過(guò)內(nèi)部螺旋槽觸頭，這是因?yàn)镃uCr50的電導(dǎo)率約為不銹鋼的十幾倍，且不銹鋼杯座的電流流通路徑長(zhǎng)于內(nèi)部材料為CuCr50的螺旋槽橫磁觸頭；當(dāng)觸頭處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，電流密度在整個(gè)觸頭表面分布較均勻，內(nèi)部螺旋槽觸頭表面上最大電流密度約為2.139×107A/m2，平均電流密度約為1.142×107A/m2，外部與不銹鋼杯座相連的環(huán)狀觸頭片上電流密度最大值約為1.603×107A/m2，平均電流密度值約為1.006×107A/m2，計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)觸頭斷開(kāi)時(shí)電流同時(shí)流過(guò)內(nèi)部螺旋槽觸頭和外部杯狀縱磁觸頭，這是因?yàn)楫?dāng)觸頭斷開(kāi)時(shí)，觸頭間隙處充滿了電弧等離子體，電弧電導(dǎo)率約為2 800 S/m，遠(yuǎn)小于CuCr50和不銹鋼。

圖12 電流密度分布Fig.12 Current density distribution

觸頭體電阻是指觸頭處于關(guān)合狀態(tài)下動(dòng)靜觸頭的杯座、觸頭片以及導(dǎo)電桿等部件的整體電阻，當(dāng)觸頭處于關(guān)合狀態(tài)時(shí)電阻越低觸頭產(chǎn)生的熱量就越小，這對(duì)有效控制斷路器的溫升有一定好處，尤其是在大容量真空斷路器中低電阻很有必要。觸頭體電阻可通過(guò)式(2)得到

P=I2R

(2)

式中，P為觸頭處于關(guān)合狀態(tài)時(shí)電流峰值時(shí)刻觸頭整體的損耗，W；I為電流最大值，A；R為導(dǎo)體電阻，Ω。

本文中瞬態(tài)仿真采用的電流有效值為50 kA，最大值為70.7 kA，通過(guò)仿真計(jì)算得到電流為最大值時(shí)觸頭整體產(chǎn)生的損耗值為55 570.51 W，由式(2)計(jì)算得到觸頭體電阻為11.12 μΩ。文獻(xiàn)[11]中的縱磁觸頭體電阻為28.25 μΩ，文獻(xiàn)[16]中的縱磁觸頭體電阻為16.88 μΩ，可見(jiàn)本文采用的新型觸頭結(jié)構(gòu)具有回路電阻小的優(yōu)點(diǎn)，這是由于觸頭關(guān)合時(shí)電流主要流過(guò)內(nèi)部螺旋槽橫磁觸頭，電流流通路徑短。

6 結(jié)論

本文利用有限元分析軟件對(duì)一種具有橫縱磁場(chǎng)的新型真空滅弧室觸頭三維模型進(jìn)行仿真，分析了三維靜態(tài)磁場(chǎng)、瞬態(tài)磁場(chǎng)、磁場(chǎng)滯后時(shí)間以及觸頭體電阻，得到如下結(jié)論：

1)靜態(tài)磁場(chǎng)下，動(dòng)觸頭表面上縱向磁通密度在內(nèi)部螺旋槽觸頭處出現(xiàn)4個(gè)峰值，其余部分磁通密度較均勻；觸頭間隙中心平面縱向磁通密度分布很均勻，只是在中心部位略出現(xiàn)凹陷，在觸頭邊緣磁場(chǎng)下降較快；縱向磁場(chǎng)在靜觸頭表面上分布形狀呈一個(gè)“火山口”形狀，觸頭中心區(qū)域凹陷較深，觸頭邊緣處磁場(chǎng)降低較明顯，其他位置縱向磁場(chǎng)分布較為均勻。觸頭表面的利用率高。

2)瞬態(tài)磁場(chǎng)下，電流峰值時(shí)刻觸頭表面及觸頭間隙中心平面處的縱向磁通密度分布情況與靜態(tài)磁場(chǎng)下的分布情況較相似；電流過(guò)零時(shí)，剩余縱向磁場(chǎng)主要集中在觸頭中心區(qū)域，且分布較均勻，從圖8～圖10中可看出分布呈“平頂帳篷”形狀，其余區(qū)域剩余縱向磁通密度值接近于零，縱向磁場(chǎng)的最大值出現(xiàn)在動(dòng)觸頭表面上，其次是靜觸頭表面，在觸頭間隙中心平面處最小。

3)縱向磁場(chǎng)滯后時(shí)間分布與電流過(guò)零時(shí)剩余縱向磁場(chǎng)的分布相對(duì)應(yīng)，剩余縱向磁場(chǎng)大的地方滯后時(shí)間也較大，磁場(chǎng)滯后時(shí)間分布類似于一個(gè)開(kāi)口向下的拋物線，滯后時(shí)間最大值為0.407 ms。在觸頭邊緣處由于觸頭片上產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互疊加而出現(xiàn)磁場(chǎng)提前過(guò)零現(xiàn)象。

4)觸頭關(guān)合時(shí)電流主要流過(guò)內(nèi)部螺旋槽橫磁觸頭，觸頭斷開(kāi)時(shí)電流同時(shí)流過(guò)內(nèi)部螺旋槽橫磁觸頭和外部不銹鋼杯座縱磁觸頭；通過(guò)計(jì)算得到該新型觸頭體電阻為11.12 μΩ，較小的體電阻有利于控制真空斷路器的溫升問(wèn)題。

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3-D Magnetic Field Simulation of a New-type Contact with TMF-AMF for Vacuum Interrupters

DongHuajun1，2YangHaijun1GuoYingjie1XiangChuan3KangKai1GuoFangzhun1

(1.School of Mechanical Engineering Dalian Jiaotong University Dalian 116028 China 2.School of Electrical Engineering Dalian University of Technology Dalian 116024 China 3.School of Electrical Engineering Dalian Maritime University Dalian 116026 China)

In this paper，a new-type contact for vacuum interrupters is adopted for simulation，which consists of two coaxially arranged contacts，i.e.a screw-slotted transverse magnetic field (TMF) contact and a cup-shaped coil axial magnetic field (AMF) contact.The contact parts interacting with the arc for both TMF and AMF are made of CuCr50，and the stainless-steel cup used for the AMF contact can enhance the mechanical strength.A relevant 3-D contact model was built up.And the static field and the transient magnetic field concerning the eddy current effect were simulated by the 3-D finite element method (FEM).With the current at peak value and zero，the AMF distributions on the stationary and moving contact surfaces and on the mid-gap plane between the two surfaces as well as the lag time of AMF are all calculated.The simulation results show that the magnetic distribution is rather uniform on the contact surface，the mid-gap plane is with enough AMF strength，the effective AMF area is larger than that of the conventional AMF contacts，the AMF lag time is short，and the residual field and the resistance after current zero-crossing are small.

Vacuum interrupters，contact structure，3-D magnetic field，simulation

國(guó)家自然科學(xué)基金(51207016，51477023)，遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才(LJQ2014046)和中國(guó)博士后基金(2012M521400)資助項(xiàng)目。

2014-11-06 改稿日期2015-01-11

TM561

董華軍 男，1978年生，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檎婵臻_(kāi)關(guān)基礎(chǔ)理論。(通信作者)

楊海軍 男，1989年生，碩士研究生，研究方向?yàn)檎婵臻_(kāi)關(guān)基礎(chǔ)理論。