新型真空灭弧室1/2线圈纵磁结构设计与仿真

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　　为了提高真空断路器的开断性能，本文设计一种新型1/2 匝真空灭弧室线圈式纵向磁场触头结构，并对其纵向磁场分布特性进行分析。利用有限元方法建立三维结构模型并仿真，在电流分别处于峰值和电流过零时，得出静触头表面、开距中心平面和动触头表面上的纵向磁场分布以及纵向磁场的滞后时间；纵向磁场在触头表面与开距中间平面比较均匀，纵向磁场在静触头面的最大值为0.782 T，纵向磁场在动触头面的最大值为0.442 T，滞后时间为0.897 ms，导体电阻为28.25 μΩ；新型结构新型触头结构具有较强的纵向磁场，电流过零后的剩余磁场小、滞后时间短，且温升较小。
　　由于真空介质的优异绝缘与开断特性，真空断路器在电力系统中尤其是在中压领域得到广泛的应用[1~2]。真空灭弧室作为真空断路器的关键部件对真空断路器的性能指标起着十分关键的作用，而真空灭弧室触头间断口的磁场控制技术（特别是纵向磁场控制技术） 是提高真空灭弧室极限开断电流一项关键技术，它将关系到真空灭弧室开断电弧是否在较高的开断电流下仍然保持其扩散状态，这对真空灭弧室的分断性能具有十分重要的影响。因此，性能优良的真空灭弧室纵向磁场触头的结构设计备受研究者的关注[3]。
　　传统对称式[4~5]纵向磁场触头结构的动、静触头各具有一个(纵向磁场)线圈，该线圈不仅用于产生所需的纵向磁场外，还作为主回路的一部分承载主电路工作电流的任务。为了保证断路器触头闭合导通工作电流时的触头温升不超过其最高极限允许温升，线圈必须具有足够大的导电截面积，此外还必须具有一定的机械强度，以保证触头承受闭合过程的冲击。这就导致动触头的质量和体积的增加，这不利于动触头开断速度的提高。新型的纵向磁场触头的设计克服了以上的问题，有利于断路器的开断。
1、新型1/2 线圈结构的设计模型
9 _8 G4 [: G' r+ V; s　　本设计的基本理念是简化动触头的结构，提高断路器的开断速度，增大断路器的开断容量。同时又要保证灭弧室内产生的磁场均匀并且磁场强度满足断路器的设计要求。
! f1 V' e* K. v, q; W$ c　　图1 所示为新型纵向磁场触头结构模型示意图，图中显示的是一条电流路径。设计思想是：静触头具有两层线圈，并以串联方式相连接，而动触头侧没有任何线圈。由于静触头是固定不变的，因此静触头量的增加不会影响触头的开断速度，而动触头侧没有任何线圈，因此减小了动触头侧的质量，从而使得动触头能够快速的断开与闭合。因此, 灭弧室断口间的纵向磁场仅由静触头侧线圈产生。其中静触头面开有4 个槽，用来减小涡流，以保证电流过零后有较小的剩余磁场。可以看出，该新型纵向磁场触头结构的动触头结构大为简化，机械强度得以加强，质量减小，有利于提高触头开的断速度。
　　灭弧室内的电流路径如下：电流经静导电杆和拐臂流向两个串联的线圈，经过突起(线圈与触头之间的连接部分) 进入静触头，再经电弧流向动触头与动导电杆。
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图1 1/2 匝不对称式纵向磁场触头结构
6、结论
/ _# t  v4 ^) g: N$ G　　本文设计一种新型的1/2 线圈纵向磁场触头结构的真空灭弧室，并对其利用有限元方法进行三维仿真分析，分析结果如下：
　　（1）当电流为峰值时，纵向磁场在静触头、触头间隙中间平面和动触头表面的分布相近，分布较均匀且场强大部分占平面的面积较大；场强分布规律为：静触头表面大于触头间隙中间平面大于动触头表面；三种结果的三维分布都为平顶峰状，即平面中间的大部分区域纵向磁场分布均匀且场强大。
　　（2）在电流过零时，剩余磁场在中心部分较大，靠触头边缘剩余磁场迅速下降。纵向磁场的滞后时间在触头间隙中间平面沿X 轴路径的分布，也对应于纵向磁场的分布，可以看出成“几”字状分布，在平面中心滞后时间相对较大，靠近平面边缘滞后时间较小。同时，导体电阻值比较小，即温升较理想。
参考文献
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