柱状铁芯结构纵磁触头三维磁场仿真分析

郭英杰，杨海军，康凯，董华军1,,3

(1.国家电网平高集团有限公司，河南 平顶山 467001； 2.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028； 3.大连理工大学 电气工程学院，辽宁 大连 116024)



柱状铁芯结构纵磁触头三维磁场仿真分析

郭英杰1，2，杨海军2，康凯2，董华军1,2,3

(1.国家电网平高集团有限公司，河南 平顶山 467001； 2.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028； 3.大连理工大学 电气工程学院，辽宁 大连 116024)

建立了形状为圆柱状形铁芯结构的杯状纵磁真空灭弧室触头三维模型，采用有限元分析方法对不同个数柱状铁芯下的磁场进行了仿真分析，计算得到了触头间隙中心平面处电流峰值时纵向磁场、电流过零时剩余磁场以及磁场滞后时间，并与无铁芯结构的杯状纵磁触头进行了对比.从仿真结果可得到以下结论：电流峰值时有铁芯结构比无铁芯结构的磁场大，有铁芯结构的磁场强度随铁芯个数增加依次增强；电流过零时带有12个铁芯的触头结构剩余磁场最小、磁场滞后时间也最小;电流峰值和电流过零时12个铁芯的触头结构磁场特性都是最佳的.

真空灭弧室;触头;三维磁场;仿真

0 引言

真空断路器凭借着优越的性能在中压领域得到广泛应用的同时也不断地向低压领域和高压领域渗透[1- 2].当今高压领域普遍采用SF6气体断路器，但SF6气体是一种极强的温室效应气体，《京都议定书》明确提出要限制其使用，真空断路器与其比较具有寿命长、易于维护、环境污染小以及可靠性高等优点，因此受到了国内外学者的高度关注，将来有望在高压领域替代SF6气体断路器[3].

真空灭弧室作为真空断路器的核心部件之一决定了真空断路器的开断能力，其利用电流流经触头产生的磁场来控制电弧，触头开槽方式的不同可产生不同方向的磁场，目前广泛使用的触头结构有横向磁场触头和纵向磁场触头.横向磁场触头结构产生与电弧轴向垂直的磁场，由于集聚型真空电弧在该磁场中受到洛伦兹力的作用而在触头的表面以极高的速度运动[4]，因此减小了阴极斑点和阳极斑点对电极表面的作用时间；纵向磁场触头结构能够产生与电弧轴向平行的磁场，该磁场施加在真空电弧上可降低电弧电流密度，减小弧压，使真空电弧在大电流情况下仍然保持扩散形态[5- 6].纵向磁场触头结构简单、可靠性高、制造方便、生产成本低，在开断大电流的真空断路器中使用的较多.纵向磁场触头结构主要有1/2匝线圈、1/3匝线圈以及杯状纵磁触头，目前得到广泛应用的是杯状纵磁触头结构.为了提高磁场强度和真空灭弧室的可靠性，常在触头杯中加入铁磁材料制成的铁芯，铁芯结构各不相同，铁磁材料的加入在增大了磁场的同时使电流过零时剩余磁场也增大了，这将不利于电流过零后触头间隙金属等离子体蒸气的散去，在恢复电压的作用下极易发生复燃致使触头不能成功开断，因此，好的铁芯结构应满足增大磁场同时尽量减小剩余磁场.

本文采用的是圆柱状铁芯结构，将铁芯固定在支撑盘上，每个铁芯互不相连，铁芯圆周方向布置，此种方法布置的铁芯可将铁芯中的涡流降到最低，减小了电流过零后的剩余磁场以及磁场滞后时间.为了分析铁芯个数对磁场的影响，本文分别对8、10、12个铁芯的触头结构进行仿真分析，并同无铁芯结构触头进行了对比.

1 触头结构模型

文中仿真所用的触头模型如图1所示，触头杯均有4个杯指，开槽角度17°，为了减小触头片上产生的涡流，在触头片上开有四个周向均匀布置的径向直槽.触头外径尺寸为78 mm，壁厚11 mm，弧柱直径与触头外径尺寸相同，铁芯个数分别为8、10、12，铁芯直径6 mm，仿真模型中触头开距取10 mm，杯座材料选无氧铜，支撑盘材料选不锈钢， 触头片材料选CuCr50，铁芯材料选电工纯铁DT4，其电导率1.0×107S/m[3]，电弧电导率2 800 S/m[7]， CuCr50的电导率1.044×107S/m[8].计算过程中触头流过的电流有效值为31.5 kA，频率为50 Hz.

图1 触头结构模型

2 仿真结果分析

2.1 无铁芯时磁场分布情况

无铁芯触头结构电流峰值时纵向磁场在触头间隙中心平面的分布如图2所示，从图中可看出纵向磁场分布出现四个突起，分别对应出现在触头片开槽的位置，而且槽的一侧大于另一侧，这是由于涡流作用导致的结果，但是从整体来看除平面边缘处磁场变化较大以外，中心区域大部分面积的磁场变化不是很大.在平面中心区域磁场强度略微小于突起处，边缘处的磁场强度迅速减小，最大磁场强度值为0.311 7 T，最小磁场强度值为0.072 T.

图2 无铁芯结构电流峰值时开距中心处磁场分布

无铁芯触头结构电流过零时纵向磁场在触头间隙中心平面的分布如图3所示，从图中可看出电流过零时剩余磁场在平面中心区域最大，边缘处剩余磁场最小，剩余磁场分布出现一个类似于“十”形状的突起，两个突起之间的剩余磁场小，此处对应触头片开槽的位置，中间区域剩磁大是由于没有开槽，涡流影响大，开槽位置对应处的剩磁小说明开槽有效的抑制了涡流，剩余磁场的最大值为0.103 2 T，最小值为0.014 T.

图3 无铁芯结构电流过零时开距中心处磁场分布

2.2 加入铁芯后磁场分布情况

图4所示是加入8个柱状铁芯后电流过零时触头开距中心平面处纵向磁场分布情况，从图中可看出在加入铁芯的位置对应处的磁场强度要强于无铁芯的位置，平面中心区域的磁场分布出现略微向下的凹陷，边缘处磁场强度减小明显，与无铁芯结构相比磁场强度稍微有所增加，最大磁场强度值为0.341 6 T，最小纵向磁场强度值为0.061 7 T.

图4 带铁芯结构电流峰值时开距中心处磁场分布

加入8个柱状铁芯后电流过零时触头开距中心平面处纵向磁场分布情况如图5所示，从三维分布结果来看，加入8个铁芯之后的结构在电流过零时剩余磁场与无铁芯结构时的剩余磁场差别不大，由于涡流的影响在触头间隙平面中心区域处的剩余磁场值最大，最大值为0.103 6 T，其次是在对应于触头片上槽与槽之间的位置，在边缘处的剩余磁场值最小，最小值为0.021 3 T，由于铁芯的加入导致最小值比无铁芯时稍大一些.

图5 带铁芯结构电流过零时开距中心处磁场分布

2.3 铁芯个数对磁场的影响

为了更进一步了解铁芯个数对磁场分布的影响，本文对不同铁芯个数的结构分别进行了仿真分析，从图6可看出无铁芯结构触头电流峰值时该路径上纵向磁场强度最小，随着铁芯个数的增加磁场强度增加，在触头间隙中心平面的中心区域无铁芯、8铁芯和10铁芯三种结构的磁场强度值几乎无差别，12铁芯结构在该位置的磁场值明显大于其他三种结构，在铁芯对应的位置无铁芯、8铁芯和10铁芯三种结构随铁芯个数增加依次增加，但当铁芯个数为12个时，此处的磁场与10铁芯结构无较大差别，在触头边缘处有无铁芯时磁场强度变化不大，因此从图6中可以得出，12个铁芯结构的触头较为理想.

图6 沿触头片径向方向电流峰值时磁场强度分布

图7给出的是电流过零时不同触头结构在相同路径上剩余磁场强度分布结构，从图中可看出无铁芯结构与8铁芯结构在该路径上的剩磁分布差别不是很大，当铁芯个数增加到10个时在铁芯对应的位置剩余磁场稍微变大，当铁芯个数为12个时电流过零时的剩余磁场明显减小，整体都小于其他三种结构，剩余磁场越小越有利于电流过零时电弧的熄灭，因此从电流过零时剩余磁场的角度来看12个铁芯的结构优于其他三种结构.无论哪种触头结构剩余磁场的最大值都出现在中心区域.

图7 沿触头片径向方向电流过零时磁场强度分布

2.4 磁场滞后时间分布

纵向磁场滞后时间可以根据磁场随时间变化的规律得出[9]，图8所示为触头间隙中心平面沿径向磁场滞后时间分布，从图中可看出无铁芯、8铁芯和10铁芯三种结构的磁场滞后时间分布大体相同，触头边缘处磁场滞后时间大，其次是触头间隙平面的中心区，磁场滞后时间大小依次为10铁芯结构最大，其次是无铁芯结构，8铁芯结构次之.12个铁芯触头结构磁场滞后时间最小，在触头间隙中心平面的中心区域处的最大值为0.333 8 ms.磁场滞后时间越小越有利于电弧的成功熄灭，因此12个铁芯的触头结构优于其他三种触头结构.

图8 触头间隙中心平面沿径向磁场滞后时间分布

3 结论

本文利用有限元分析软件对无铁芯触头结构以及3种不同铁芯个数的触头结构进行了仿真计算，计算过程考虑了涡流的影响.对电流处于峰值和过零时触头间隙中心平面处的磁场以及电流过零后的磁场滞后时间进行了对比分析，得出结论如下：

(1)从图2和图4中可看出加入铁芯后电流峰值时在铁芯位置处的磁场强度变大且更加均匀，最大值有0.311 7 T增加到0.341 6 T，触头间隙中心平面处的磁场略微减小，该处出现的凹陷变深；从图3和图5中可看出加入铁芯后电流过零时的剩余磁场要大于无铁芯的结构在槽与槽之间的位置处剩余磁场增大明显；

(2)从图6中可看出加入铁芯后在触头间隙中心平面上沿触头径向方向电流峰值时铁芯对应位置的纵向磁场强度随铁芯个数增加依次增强，12个铁芯的触头结构在中心区域的磁场强度最大，其他三种结构在该区域磁场强度值差别不大，在边缘处各结构的磁场强度变化不大；图7中可看出无铁芯、8铁芯和10铁芯触头结构在电流过零时触头间隙中心平面上沿触头径向方向的剩余磁场差别不大，当铁芯个数到达12个时剩余磁场明显减小.综上所述，12个铁芯的触头结构最佳；

(3)从图8可看出无铁芯、8铁芯和10铁芯触头结构在电流过零时触头间隙中心平面上沿触头径向方向的磁场滞后时间变化不是很明显，12个铁芯的触头结构磁场滞后时间明显小于其他三种结构，其最大值为0.333 8 ms.

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Analysis of 3-D Magnetic Field for Axial Magnetic Field Vacuum Interrupter Contact with Cylindrical Shaped Iron Core Structure

GUO Yingjie1，2,YANG Haijun2,KANG Kai2,DONG Huajun1,2,3

(1.State Grid Pinggao Group Com.,Ltd,Pingdingshan 467001,China; 2.School of Mechanical Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China； 3.School of Electrical Engineering，Dalian University of Technology Dalian 116024，China)

A three-dimensional model of the axial magnetic field (AMF) vacuum interrupter contact with cylindrical shaped iron core structure is built up with circumferentially arranged iron cores.The three-dimensional finite element models with different number of iron cores are simulated and analyzed.With the current at peak value and zero,the AMF distributions on the mid-gap plane between the moving and stationary contact surfaces are all calculated,as well as the lag time of AMF,and the results are compared with no iron cores case.The simulation results show that the AMF of the structure with iron cores is higher than no iron cores structure at current peak.With the increment of the number of iron cores,the AMF is larger;the residual magnetic field and the lag time of the contact structure with 12 iron cores are the smallest at current zero.The magnetic field distribution of the contact structure with 12 iron cores is the best at current peak and at current zero.

vacuum interrupters;contact;3-D magnetic field;simulation

1673- 9590(2016)03- 0040- 04

2015- 09- 25

国家自然科学基金资助项目(51207016，51477023)；辽宁省教育厅高等学校科学研究计划资助项目(LJQ2014046)

郭英杰(1974-),男,高级工程师,博士研究生，主要从事开关电弧基础理论的研究E-mail:huajundong4025@163.com.

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