孫 巍，劉 洋，張洪達(dá)，孫 晨，史宗謙

(1．黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030;2．西安交通大學(xué)，西安 710049)

在真空滅弧室用縱向磁場(chǎng)來(lái)控制真空電弧的形態(tài)，能夠提高滅弧室的開(kāi)斷性能?？v向磁場(chǎng)對(duì)抑制真空滅弧室內(nèi)部大電流電弧的收縮、降低電弧電壓、防止觸頭表面的燒蝕以及提高弧后介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度等具有良好的效果［1］。然而，由于某些中壓真空滅弧室中電弧隨著電流不斷增大，仍然出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，造成了觸頭表面局部嚴(yán)重?zé)g，嚴(yán)重影響了電流的開(kāi)斷和觸頭的電壽命。因此，為了研究滅弧室內(nèi)部的磁場(chǎng)分布，提高中壓真空滅弧室的開(kāi)斷性能，本文應(yīng)用Pro/Engineer軟件建立了真空滅弧室內(nèi)部磁場(chǎng)計(jì)算的仿真模型，設(shè)置了材料屬性和邊界條件，并采用ANSYS仿真軟件對(duì)真空滅弧室內(nèi)部弧柱中心平面的縱向磁場(chǎng)分布進(jìn)行了計(jì)算，指出了影響真空滅弧室內(nèi)部磁場(chǎng)分布的因素。而且，在可拆卸真空滅弧室中進(jìn)行了電弧特性實(shí)驗(yàn)，獲取了不同開(kāi)斷電流下的電弧特性，為今后中壓真空滅弧室的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 磁場(chǎng)仿真模型的建立

本文運(yùn)用有限元分析法計(jì)算中壓真空滅弧室內(nèi)部的磁場(chǎng)分布，其原理:將所處理的對(duì)象劃分為有限個(gè)單元(包含若干個(gè)節(jié)點(diǎn))，根據(jù)磁場(chǎng)偏微分方程求解一定邊界條件與初始條件下每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的矢量磁勢(shì)，從而求解出磁場(chǎng)的其他物理量［2－3］。矢量磁勢(shì)為

式中:B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;A為矢量磁勢(shì)。

矢量磁勢(shì)式(1)滿足了高斯磁通定律和法拉第電磁感應(yīng)定律，所以應(yīng)用高斯電通定律和安培環(huán)路定律，就得到了磁場(chǎng)偏微分方程和拉普拉斯算子:

式中:B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;A為電流密度。

為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文應(yīng)用Pro/Engineer軟件，按照1∶1的比例建立真空滅弧室內(nèi)部溫度場(chǎng)計(jì)算的仿真模型。中壓真空滅弧室內(nèi)部磁場(chǎng)的計(jì)算模型如圖1所示。

在圖1中，觸頭之間的開(kāi)距按照額定值10 mm進(jìn)行設(shè)定，觸頭片的直徑為79 mm，觸頭片的厚度5 mm，觸頭片上的徑向直槽的寬度為2 mm，長(zhǎng)度為22 mm;觸頭座的高度為22 mm，杯壁厚度為9 mm，觸頭座的杯指與水平面的夾角為25°。

2 材料屬性和邊界條件的設(shè)置

建立模型后，對(duì)仿真模型的各個(gè)部分設(shè)置相應(yīng)的材料屬性。其中，導(dǎo)電桿、觸頭座、母排和套接的材料均為純銅;觸頭支撐的材料為不銹鋼;觸頭片的材料為CuCr50;電弧的等效材料的電導(dǎo)率按照經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，本文將其設(shè)置為 2800 S/m［4］，模型所用的材料屬性表如表1所示。

表1 模型材料屬性Tab.1 Properties of model material

由于沒(méi)有在觸頭座中加入鐵芯，因此計(jì)算模型中所有材料的相對(duì)磁導(dǎo)率為1。邊界條件的設(shè)置:輸入電流為交流電流，頻率為50 Hz，有效值為3150 A，分別選取2個(gè)導(dǎo)電桿的端面作為電流的輸入和輸出面。計(jì)算場(chǎng)域?yàn)槟Ｐ偷?倍，邊界磁勢(shì)為0。對(duì)于瞬態(tài)磁場(chǎng):通入電流的時(shí)間為1/2工頻周期，即 0.01 s。

3 磁場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果

磁場(chǎng)仿真計(jì)算所關(guān)注的區(qū)域是電弧模型，所以選擇弧柱中心平面，即與觸頭片平面平行、與兩觸頭片表面距離相等的平面。本文所給出的仿真計(jì)算結(jié)果均為弧柱中心平面縱向磁場(chǎng)的分布情況。其中，Bz表示縱向磁場(chǎng)，即沿z軸方向的軸向磁場(chǎng)。取坐標(biāo)軸x方向?yàn)檠刂?yáng)極觸頭片開(kāi)槽的方向，而y方向?yàn)榕cx方向正交的方向。

3.1 穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果

杯狀縱磁觸頭能夠在觸頭間隙產(chǎn)生分布比較均勻的縱向磁場(chǎng)。文獻(xiàn)［6－7］對(duì)縱向磁場(chǎng)的空間分布和滯后時(shí)間作了細(xì)致的分析研究。在此基礎(chǔ)上，本文將磁場(chǎng)仿真計(jì)算模型導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件，然后按照材料屬性和邊界條件進(jìn)行計(jì)算，得到了真空滅弧室內(nèi)部弧柱中心平面的縱向磁場(chǎng)分布，如圖2所示。

圖2 觸頭中心平面的縱向磁場(chǎng)分布Fig.2 Longitudinal magnetic field contact head center plane

從圖2中可以看出，杯狀縱磁觸頭中心平面的縱向磁場(chǎng)最大有效值為12.35 mT，杯狀縱磁觸頭在電弧中心平面產(chǎn)生“圓臺(tái)形”(即“鐘形”)的縱向磁場(chǎng)分布，圓臺(tái)頂部對(duì)應(yīng)于觸頭的6個(gè)槽有6個(gè)略微突起的峰。觸頭中心平面的中心處縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，最大有效值達(dá)到12.35 mT，但是此區(qū)域的縱向磁場(chǎng)分布比較均勻，觸頭邊緣處的縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度較小，可以忽略不計(jì)。

渦流效應(yīng)會(huì)引起滯后，當(dāng)滯后時(shí)間t大于一定值后，電弧會(huì)集中燒蝕陽(yáng)極表面，致使陽(yáng)極溫度升高，從而對(duì)真空斷路器的開(kāi)斷性能造成影響。因此，對(duì)滯后時(shí)間t的研究尤為重要。為了得到電弧中心平面縱向磁場(chǎng)的滯后時(shí)間，首先應(yīng)按電弧中心平面縱向磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算，然后由其實(shí)部和虛部確認(rèn)縱向磁場(chǎng)滯后于電流的相位角，進(jìn)而計(jì)算出縱向磁場(chǎng)的滯后時(shí)間t。電弧中心平面沿x軸徑向的縱向磁場(chǎng)實(shí)部和虛部的分布曲線如圖3所示。電弧中心平面沿x軸徑向的縱向磁場(chǎng)滯后時(shí)間分布曲線如圖4所示。

圖3 電弧中心平面沿x軸徑向的縱向磁場(chǎng)實(shí)部和虛部的分布Fig.3 Distribution of arc center plane along x axis radial axial magnetic field of the real and imaginary part

圖4 電弧中心平面沿x軸徑向的縱向磁場(chǎng)滯后時(shí)間分布Fig.4 Longitudinal magnetic field lag time distribution of arc center plane along the x axis radial

從圖3中可以得出:電弧中心平面最大磁感應(yīng)強(qiáng)度的有效值為12.35 mT，相位滯后0.32 rad，電弧中心平面上的縱向磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的表達(dá)式為

式中:B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，mT。

從圖4中可以看出，在電弧中心平面的中心處縱向磁場(chǎng)的滯后時(shí)間最長(zhǎng)，最長(zhǎng)滯后時(shí)間為1.01ms，在電弧邊緣處縱向磁場(chǎng)的滯后時(shí)間最短。

3.2 瞬態(tài)磁場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)中壓真空滅弧室內(nèi)部穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)的計(jì)算，得到了在長(zhǎng)期工作時(shí)間內(nèi)滅弧室內(nèi)部縱向磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的規(guī)律。但是，這并不能準(zhǔn)確反映出在特定的較短時(shí)間內(nèi)縱向磁場(chǎng)的變化規(guī)律，還需要進(jìn)行瞬態(tài)磁場(chǎng)的仿真計(jì)算。所以，本文具體分析在1/2工頻電流周期(0.01 s)的特定時(shí)間內(nèi)，中壓真空滅弧室內(nèi)部縱向磁場(chǎng)的分布情況。

對(duì)磁場(chǎng)仿真模型施加1/2周期有效值為3150 A的工頻交流電流，分別得到在輸入電流峰值時(shí)刻和過(guò)零時(shí)刻中壓真空滅弧室內(nèi)部電弧中心平面的縱向磁場(chǎng)分布。輸入電流峰值時(shí)刻，真空滅弧室內(nèi)部電弧中心平面的縱向磁場(chǎng)分布如圖5所示。電流峰值和過(guò)零時(shí)刻，真空滅弧室內(nèi)部電弧中心平面沿x軸徑向縱向磁場(chǎng)的分布曲線如圖6所示。

圖5 電流峰值時(shí)刻電弧中心平面的縱向磁場(chǎng)分布圖Fig.5 Longitudinal magnetic field distribution of arc center plane at peak current

圖6 電流峰值和過(guò)零時(shí)刻電弧中心平面沿x軸徑向縱向磁場(chǎng)的分布Fig．6 Longitudinal magnetic field distribution of arc center plane along the x axis radial at current peak and zero crossing time

從圖5和圖6中可以看出:1)在輸入電流的峰值時(shí)刻，電弧中心平面的縱向磁場(chǎng)呈“鐘”形分布，電弧中心平面的中心區(qū)域縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，最大有效值達(dá)到17.9 mT，但是此區(qū)域的縱向磁場(chǎng)分布比較均勻，電極邊緣處的磁感應(yīng)強(qiáng)度較小，可以忽略不計(jì)。2)在輸入電流的過(guò)零時(shí)刻，電弧中心平面仍然存在最大值為5.9 mT的剩余磁場(chǎng)，這部分縱向磁場(chǎng)是由渦流作用產(chǎn)生的。其中，剩余磁場(chǎng)越小，越有利于電流過(guò)零時(shí)絕緣介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)，從而越有利于電流的成功開(kāi)斷。

3.3 真空滅弧室內(nèi)部縱向磁場(chǎng)分布影響因素的分析

3.3.1 觸頭支撐對(duì)磁場(chǎng)分布的影響

在以往的仿真計(jì)算中，中壓真空滅弧室的觸頭內(nèi)部是有觸頭支撐的，為了研究觸頭支撐對(duì)電弧中心平面縱向磁場(chǎng)分布的影響，在其他計(jì)算條件不變的情況下，分別對(duì)觸頭座中有無(wú)觸頭支撐進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，在電流峰值時(shí)刻，兩種情況下的電弧中心平面沿x軸徑向的縱向磁場(chǎng)分布曲線如圖7所示。

圖7 沿x軸徑向的縱向磁場(chǎng)分布曲線Fig.7 Axial magnetic field distribution along the x axis radial

從圖7可以看出，當(dāng)去掉觸頭支撐后，電弧中心平面的磁感應(yīng)強(qiáng)度略微增大。這是因?yàn)橛|頭支撐的材料為不銹鋼，不銹鋼的電導(dǎo)率雖小于銅，但仍會(huì)起到一定的分流作用。

3.3.2動(dòng)、靜觸頭的位置對(duì)縱向磁場(chǎng)分布的影響

為了研究動(dòng)、靜觸頭的放置位置對(duì)電弧中心平面縱向磁場(chǎng)分布的影響，在其他計(jì)算條件不變的情況下，分別對(duì)動(dòng)、靜觸頭處于錯(cuò)開(kāi)30°與錯(cuò)開(kāi)0°的兩種位置進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。在電流峰值時(shí)刻，動(dòng)、靜觸頭處于錯(cuò)開(kāi)30°時(shí)，電弧中心平面的縱向磁場(chǎng)分布如圖8所示。在電流峰值時(shí)刻，動(dòng)、靜觸頭處于錯(cuò)開(kāi)0°時(shí)，電弧中心平面的縱向磁場(chǎng)分布如圖9所示。

從圖8和圖9中可以看出，當(dāng)動(dòng)、靜觸頭錯(cuò)開(kāi)0°時(shí)，電弧中心平面有6個(gè)比較明顯的峰;當(dāng)動(dòng)、靜觸頭錯(cuò)開(kāi)30°時(shí)，電弧中心平面的縱向磁場(chǎng)分布更加均勻。這是因?yàn)樵谟|頭片的開(kāi)槽區(qū)域的渦流比較小，導(dǎo)致在觸頭片的開(kāi)槽區(qū)域的縱向磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度的較大所致。

圖8 動(dòng)、靜觸頭處于錯(cuò)開(kāi)30°時(shí)電弧中心平面的縱向磁場(chǎng)分布圖Fig.8 Longitudinal magnetic field distribution of arc center plane at dynamic，static contact in a staggered 30°

圖9 動(dòng)、靜觸頭處于錯(cuò)開(kāi)0°時(shí)電弧中心平面的縱向磁場(chǎng)分布圖Fig.9 Longitudinal magnetic field distribution of arc center plane at dynamic，static contact in a staggered 0°

3.3.3 觸頭的杯指與水平面的夾角對(duì)磁場(chǎng)分布的影響

在以往的仿真中，真空滅弧室內(nèi)部的觸頭的杯指與水平面的夾角為25°，為了研究觸頭的杯指與水平面夾角對(duì)電弧中心平面縱向磁場(chǎng)分布的影響，在其他計(jì)算條件不變的情況下，分別改變觸頭的杯指與水平面的夾角，進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。在電流峰值時(shí)刻，杯指與水平面夾角為25°和27°時(shí)電流峰值時(shí)刻，兩種情況下的電弧中心平面沿x軸徑向的縱向磁場(chǎng)分布曲線，如圖10所示。

從圖10中可以看出，觸頭的杯指與水平面的夾角越小，電弧中心平面的縱向磁感應(yīng)強(qiáng)度越大。這是因?yàn)橛|頭的杯指與水平面的夾角小時(shí)，杯中電流的水平分量要大于杯指與水平面的夾角大時(shí)的情形，從而導(dǎo)致電弧中心平面的縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度上升。

圖10 縱向磁場(chǎng)分布曲線Fig.10 Longitudinal magnetic field distribution curve

4 真空電弧特性實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置及主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

電弧特性實(shí)驗(yàn)的主線路如圖11所示。實(shí)驗(yàn)在可拆卸式真空滅弧室內(nèi)部進(jìn)行，滅弧室內(nèi)部的氣壓為4×10－4～7×10－4Pa。實(shí)驗(yàn)電流由單頻 LC 振蕩回路提供，頻率為50 Hz。實(shí)驗(yàn)電極的位置:上面的觸頭為陽(yáng)極，下面的觸頭為陰極。

圖11 電弧特性實(shí)驗(yàn)的主線路圖Fig.11 Main line circuit of arc characteristics experiment

實(shí)驗(yàn)采用火花觸發(fā)的方式產(chǎn)生電弧，用高速攝影儀拍攝電弧的形態(tài)。電弧的電壓和電流分別通過(guò)高壓探頭和分流器進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)電極開(kāi)距為10 mm。實(shí)驗(yàn)電流的有效值分別為5 kA、10 kA、15 kA、20 kA和25 kA。為了保證實(shí)驗(yàn)電極表面的清潔，在加載實(shí)驗(yàn)電流前，先對(duì)電極進(jìn)行小電流電弧老煉處理。

4.2 不同開(kāi)斷電流下的電弧特性對(duì)比

為了對(duì)比不同開(kāi)斷電流等級(jí)下電弧特性，不改變其他因素，在開(kāi)斷電流有效值分別為5 kA、10 kA、15 kA、20 kA和25 kA的條件下對(duì)滅弧室樣品中的觸頭進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)。獲得了如圖12所示的t=5 ms(電流峰值時(shí)刻)和t=10 ms(電流過(guò)零時(shí)刻)時(shí)不同電流等級(jí)下觸頭間的電弧形態(tài)圖像。

圖12 不同電流等級(jí)下觸頭間的電弧形態(tài)Fig.12 Arc form of contact lead under different current grades

從圖12中可以看出，隨著電弧電流的逐步增大，弧柱區(qū)由暗變亮，觸頭之間陰極斑點(diǎn)的密度也相應(yīng)的增大，并且沿徑向方向，從弧柱中心區(qū)域到弧柱外緣，陰極斑點(diǎn)密度的梯度隨電流的增大而增大。當(dāng)電弧電流I=5 kA時(shí)，在電流峰值時(shí)刻，弧柱區(qū)很暗，只有陰極表面有比較明亮的陰極斑點(diǎn)分布;在電流過(guò)零時(shí)刻，陰極表面基本沒(méi)有陰極斑點(diǎn)的分布。當(dāng)電弧電流I=10 kA時(shí)，在電流峰值時(shí)刻，弧柱區(qū)比較暗，陰極表面分布著明亮的陰極斑點(diǎn);在電流過(guò)零時(shí)刻，陰極表面分布著比較暗淡的陰極斑點(diǎn)。當(dāng)電弧電流I=15 kA時(shí)，在電流峰值時(shí)刻，弧柱區(qū)變得明亮，而且最明亮的區(qū)域靠近陰極表面，電弧在接近陽(yáng)極位置有明顯的收縮;在電流過(guò)零時(shí)刻，陰極表面分布著比較明亮的陰極斑點(diǎn)。當(dāng)電弧電流增大到I=20 kA時(shí)，這樣的分布更加明顯，陰極斑點(diǎn)密度的最大值出現(xiàn)在陰極中心區(qū)域，而且越靠近陽(yáng)極，陰極斑點(diǎn)的密度越小，電弧收縮更加明顯。當(dāng)電弧電流I=25 kA時(shí)，在電流峰值時(shí)刻，弧柱區(qū)最明亮，而且最明亮的區(qū)域靠近陰極表面，電弧在接近陽(yáng)極位置有非常明顯的收縮;在電流過(guò)零時(shí)刻，陰極表面分布著明亮的陰極斑點(diǎn)。

5 結(jié)論

1)在穩(wěn)態(tài)情況下，在觸頭中心平面產(chǎn)生“鐘形”分布的縱向磁場(chǎng)，縱向磁場(chǎng)的最長(zhǎng)滯后時(shí)間為1.01 ms。

2)在1/2工頻電流周期內(nèi)，在電流峰值時(shí)刻，觸頭中心平面的縱向磁場(chǎng)呈“鐘形”分布;在電流過(guò)零時(shí)刻，存在最大值5.9 mT的剩余縱向磁場(chǎng)。

3)在觸頭中加入觸頭支撐時(shí)，由于其分流作用，電弧中心平面的磁感應(yīng)強(qiáng)度略微減小;動(dòng)、靜觸頭錯(cuò)開(kāi)30°時(shí)，電弧中心平面的縱向磁場(chǎng)分布更加均勻;在一定范圍內(nèi)減小觸頭的杯指與水平面的夾角，電弧中心平面的縱向磁感應(yīng)強(qiáng)度增大。

4)隨著電弧電流的逐步增大，弧柱區(qū)由暗變亮，極間陰極斑點(diǎn)的密度也相應(yīng)的增大。

［1］王季梅．真空開(kāi)關(guān)［M］．北京:機(jī)械出版社，1983．WANG Jimei．Vacuum switch［M］．Beijing:China Machine Press，1983．

［2］馬信山，張濟(jì)事，王平．電磁場(chǎng)基礎(chǔ)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，1995．MA Xinshan，ZHANG Jishi，WANG Ping．Fundamentals of electromagnetic fields［M］．Beijing:Tsinghua University Press，1995．

［3］呂英華．計(jì)算電磁學(xué)的數(shù)值方法［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2006．LYU Yinghua．Numerical method for electromagnetism calculation［M］．Beijing:Tsinghua University Press，2006．

［4］ FENSKI B，LINDMAYER M．Vacuum interrupters with axial field contacts 3-d finite element simulation and switching experiments［J］．IEEE Trans． Dielectrics Insulation， 1997，4(4):407-412．

［5］梁淑華，范志康，胡銳．CuCr50觸頭材料優(yōu)化熱處理工藝研究［J］．金屬熱處理學(xué)報(bào)，2000(3):66-70．LIANG Shuhua，F(xiàn)AN Zhikang，HU Rui．Investigation on the optimum heat treatment process of CuCr50 contact materials［J］．Transactions of Metal Heat Treatment，2000(3):66-70．

［6］ K NITTA，K WATANABE，K KAGENAGA，et al．Three-dimensional Magnetic Field Analysis of Electrodes for VCBs［J］．IEEE Trans．Power Delivery，1997，12(4):1520-1525．

［7］ STOVING P N，BESTEL E F．Finite Element Analysis of AMF Vacuum Contacts［A］．IEEE EMBED Equation．3 Int．Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum［C］，Eindhoven，1998:522-529．