新型真空滅弧室1/2線圈縱磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真
為了提高真空斷路器的開斷性能，本文設(shè)計(jì)一種新型1/2 匝真空滅弧室線圈式縱向磁場觸頭結(jié)構(gòu)，并對其縱向磁場分布特性進(jìn)行分析。利用有限元方法建立三維結(jié)構(gòu)模型并仿真，在電流分別處于峰值和電流過零時(shí)，得出靜觸頭表面、開距中心平面和動觸頭表面上的縱向磁場分布以及縱向磁場的滯后時(shí)間；縱向磁場在觸頭表面與開距中間平面比較均勻，縱向磁場在靜觸頭面的最大值為0.782 T，縱向磁場在動觸頭面的最大值為0.442 T，滯后時(shí)間為0.897 ms，導(dǎo)體電阻為28.25 μΩ；新型結(jié)構(gòu)新型觸頭結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的縱向磁場，電流過零后的剩余磁場小、滯后時(shí)間短，且溫升較小。
由于真空介質(zhì)的優(yōu)異絕緣與開斷特性，真空斷路器在電力系統(tǒng)中尤其是在中壓領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1~2]。真空滅弧室作為真空斷路器的關(guān)鍵部件對真空斷路器的性能指標(biāo)起著十分關(guān)鍵的作用，而真空滅弧室觸頭間斷口的磁場控制技術(shù)（特別是縱向磁場控制技術(shù)） 是提高真空滅弧室極限開斷電流一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它將關(guān)系到真空滅弧室開斷電弧是否在較高的開斷電流下仍然保持其擴(kuò)散狀態(tài)，這對真空滅弧室的分?jǐn)嘈阅芫哂惺种匾挠绊�。因此，性能�?yōu)良的真空滅弧室縱向磁場觸頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)備受研究者的關(guān)注[3]。
傳統(tǒng)對稱式[4~5]縱向磁場觸頭結(jié)構(gòu)的動、靜觸頭各具有一個(gè)(縱向磁場)線圈，該線圈不僅用于產(chǎn)生所需的縱向磁場外，還作為主回路的一部分承載主電路工作電流的任務(wù)。為了保證斷路器觸頭閉合導(dǎo)通工作電流時(shí)的觸頭溫升不超過其最高極限允許溫升，線圈必須具有足夠大的導(dǎo)電截面積，此外還必須具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，以保證觸頭承受閉合過程的沖擊。這就導(dǎo)致動觸頭的質(zhì)量和體積的增加，這不利于動觸頭開斷速度的提高。新型的縱向磁場觸頭的設(shè)計(jì)克服了以上的問題，有利于斷路器的開斷。
1、新型1/2 線圈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模型
本設(shè)計(jì)的基本理念是簡化動觸頭的結(jié)構(gòu)，提高斷路器的開斷速度，增大斷路器的開斷容量。同時(shí)又要保證滅弧室內(nèi)產(chǎn)生的磁場均勻并且磁場強(qiáng)度滿足斷路器的設(shè)計(jì)要求。
圖1 所示為新型縱向磁場觸頭結(jié)構(gòu)模型示意圖，圖中顯示的是一條電流路徑。設(shè)計(jì)思想是：靜觸頭具有兩層線圈，并以串聯(lián)方式相連接，而動觸頭側(cè)沒有任何線圈。由于靜觸頭是固定不變的，因此靜觸頭量的增加不會影響觸頭的開斷速度，而動觸頭側(cè)沒有任何線圈，因此減小了動觸頭側(cè)的質(zhì)量，從而使得動觸頭能夠快速的斷開與閉合。因此, 滅弧室斷口間的縱向磁場僅由靜觸頭側(cè)線圈產(chǎn)生。其中靜觸頭面開有4 個(gè)槽，用來減小渦流，以保證電流過零后有較小的剩余磁場�？梢钥闯觯撔滦涂v向磁場觸頭結(jié)構(gòu)的動觸頭結(jié)構(gòu)大為簡化，機(jī)械強(qiáng)度得以加強(qiáng)，質(zhì)量減小，有利于提高觸頭開的斷速度。
滅弧室內(nèi)的電流路徑如下：電流經(jīng)靜導(dǎo)電桿和拐臂流向兩個(gè)串聯(lián)的線圈，經(jīng)過突起(線圈與觸頭之間的連接部分) 進(jìn)入靜觸頭，再經(jīng)電弧流向動觸頭與動導(dǎo)電桿。
圖1 1/2 匝不對稱式縱向磁場觸頭結(jié)構(gòu)
6、結(jié)論
本文設(shè)計(jì)一種新型的1/2 線圈縱向磁場觸頭結(jié)構(gòu)的真空滅弧室，并對其利用有限元方法進(jìn)行三維仿真分析，分析結(jié)果如下：
（1）當(dāng)電流為峰值時(shí)，縱向磁場在靜觸頭、觸頭間隙中間平面和動觸頭表面的分布相近，分布較均勻且場強(qiáng)大部分占平面的面積較大；場強(qiáng)分布規(guī)律為：靜觸頭表面大于觸頭間隙中間平面大于動觸頭表面；三種結(jié)果的三維分布都為平頂峰狀，即平面中間的大部分區(qū)域縱向磁場分布均勻且場強(qiáng)大。
�。�2）在電流過零時(shí)，剩余磁場在中心部分較大，靠觸頭邊緣剩余磁場迅速下降�？v向磁場的滯后時(shí)間在觸頭間隙中間平面沿X 軸路徑的分布，也對應(yīng)于縱向磁場的分布，可以看出成“幾”字狀分布，在平面中心滯后時(shí)間相對較大，靠近平面邊緣滯后時(shí)間較小。同時(shí)，導(dǎo)體電阻值比較小，即溫升較理想。
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