兩種不同鐵芯結構縱磁真空滅弧室觸頭三維磁場對比分析

　　本文建立了兩種不同鐵芯結構的縱向磁場真空滅弧室觸頭三維模型，一種鐵芯為帶有斷口的環(huán)狀結構，另一種是由12 個柱狀鐵芯圓周方向排列的結構，采用有限元分析方法對兩種結構的三維模型進行仿真計算，分析對比兩種鐵芯結構對電流峰值時刻縱向磁場和電流過零時剩余磁場以及磁場滯后時間的影響，計算的過程中考慮到了渦流的影響。從仿真結果中可以得到以下結論：1.電流峰值時環(huán)狀鐵芯結構產(chǎn)生的縱向磁場大于柱狀鐵芯結構，但柱狀鐵芯結構產(chǎn)生的縱向磁場比環(huán)狀鐵芯結構的均勻;2.電流過零時兩種鐵芯結構的剩余磁場分布相似，但環(huán)狀鐵芯結構的剩余縱向磁場大于柱狀鐵芯結構;3.柱狀鐵芯結構的磁場滯后時間要小于環(huán)狀鐵芯結構，電流過零時剩余磁場強的區(qū)域對應的磁場滯后時間也大。

　　目前真空斷路器憑借著優(yōu)越的性能而在中壓領域得到廣泛普及，并且正在不斷地向低壓領域和高壓領域進軍，而真空滅弧室又被視為真空斷路器的核心部件，因此真空滅弧室的研制和開發(fā)被學者們給予高度的重視。隨著當今大氣環(huán)境質量問題越來越引起人們的高度重視，真空斷路器在未來完全替代SF6 斷路器將成為發(fā)展的必然趨勢。真空滅弧室對電弧的控制是通過電流流過觸頭時產(chǎn)生磁場來實現(xiàn)的，不同結構的觸頭可以產(chǎn)生不同方向的磁場。一種是產(chǎn)生橫向磁場并施加在真空電弧上來驅使集聚型電弧在洛倫茲力的作用下在觸頭的表面以極高的速度旋轉，減小陰極斑點和陽極斑點對電極表面的燒蝕時間;另一種是產(chǎn)生縱向磁場并施加在真空電弧上以減小電弧的電流密度，使真空電弧在大電流情況下仍然保持擴散形態(tài)。目前縱向磁場觸頭結構在開斷大電流的真空滅弧室中應用十分普遍，他具有結構簡單，制造及加工成本低，可靠性高等優(yōu)點。

　　最早期的縱磁觸頭結構可以產(chǎn)生均勻的縱向磁場，使真空電弧在電流較大的情況下仍然可以保持擴散形態(tài)，減少電弧集聚導致觸頭燒蝕的幾率，但是隨著開斷電流的繼續(xù)增大，觸頭產(chǎn)生的縱向磁場不能有效的控制真空電弧形態(tài)以至于觸頭表面仍然會出現(xiàn)較為嚴重的燒蝕情況。鐵芯的加入大大的提高了縱向磁場的強度，使同樣結構的觸頭可以產(chǎn)生更強的縱向磁場，從而有效的控制了真空電弧形態(tài)，提高了真空滅弧室的可靠性。然而鐵芯的加入在提高縱向磁場強度的同時也帶來了一些負面的影響，在電流過零時磁場不能迅速消退，即電流過零時帶鐵芯的觸頭結構較不帶鐵芯的觸頭結構剩余磁場較大，這將抑制了觸頭間隙中等離子體的快速散去，在恢復電壓的作用下極易發(fā)生復燃導致觸頭不能成功開斷。

　　因此如何合理的設置鐵芯以及如何合理的設計鐵芯結構成為提高真空滅弧室可靠性的關鍵。針對杯狀縱磁真空滅弧室觸頭，本文設計了兩種不同結構的鐵芯，一種是結構為環(huán)狀的鐵芯，為了減小渦流的影響，在環(huán)形鐵芯上開一個間隙為1 mm 的斷口;另一種結構為圓周方向布置的柱狀鐵芯，柱狀鐵芯相互不接觸，因此可以更好的減小渦流的影響。采用有限元分析方法對比分析了兩種不同結構鐵芯對縱向磁場和剩余磁場以及磁場滯后時間的影響。

　　觸頭結構模型

　　文中仿真所采用的兩種不同鐵芯結構的觸頭模型如圖1 所示，觸頭杯均有4 個杯指，為了防止觸頭片上產(chǎn)生渦流，對應的在觸頭片上開有四個周向均勻布置的徑向直槽。觸頭外徑尺寸為78 mm，壁厚11 mm，弧柱直徑與觸頭外徑尺寸相同，柱狀鐵芯12 個，仿真模型中觸頭開距為10 mm，杯座材料為無氧銅，支撐盤材料為不銹鋼，觸頭片材料為CuCr50，鐵芯材料為電工純鐵DT4，其電導率1.0×10⁷S/m，電弧電導率2800 S/m，CuCr50 的電導率1.044×10⁷ S/m。計算過程中觸頭流過交流電流，電流有效值為31.5 kA，頻率為50 Hz。

圖1 觸頭結構模型

　　4、結論

　　文中采用有限元分析軟件對兩種不同鐵芯結構的縱磁杯狀真空滅弧室觸頭三維模型進行仿真，分析了瞬態(tài)情況下動、靜觸頭表面和觸頭開距中心平面的縱向磁場分布情況以及磁場滯后時間，得出如下結論：

　　(1)電流峰值時環(huán)狀鐵芯結構產(chǎn)生的縱向磁場大于柱狀鐵芯結構，但柱狀鐵芯結構產(chǎn)生的縱向磁場比環(huán)狀鐵芯結構的均勻，環(huán)狀鐵芯結構縱向磁場在動、靜觸頭表面和觸頭開距中心平面處的分布出現(xiàn)四個突起，對應于觸頭片的開槽處，且槽的一側比另一側大，這是由于一側渦流要強于另一側。

　　(2)電流過零時兩種鐵芯結構的剩余磁場分布相似，在槽與槽之間和中心區(qū)域處出現(xiàn)五個高峰，這是由于此區(qū)域渦流作用較強所導致的，環(huán)狀鐵芯結構的剩余縱向磁場大于柱狀鐵芯結構，原因是柱狀鐵芯結構抑制渦流的效果要優(yōu)于環(huán)狀鐵芯結構。

　　(3)柱狀鐵芯結構的磁場滯后時間要小于環(huán)狀鐵芯結構，電流過零時剩余磁場強的區(qū)域對應的磁場滯后時間也大，柱狀鐵芯結構與環(huán)狀鐵芯結構的最大磁場滯后時間分別為0.3168 ms 和0.3288 ms。