基于正交实验新型真空灭弧室触头磁场仿真与参数优化设计

通过触头结构设计实现真空电弧有效调控是提高真空开关开断性能的重要措施之一。为提高真空灭弧室触头开断性能,该文采用SolidWorks建立了一种新型带铁心真空灭弧室3D模型,并利用三维有限元法,对触头片的开槽长度、开槽角度、工艺孔直径以及铁心个数四个参数进行单因素及正交仿真实验,选取上述四个因素作为优化对象,将电流峰值时纵向磁感应强度最大、滞后时间最小和导体电阻最低作为优化目标,得到触头参数与磁场特性的回归方程。通过对电流峰值时触头间隙中心平面纵向磁感应强度、电流过零时磁场滞后时间以及导体电阻进行多目标优化分析,得到了最优的磁场特性。结果表明,当开槽长度为25mm、开槽角度为25°、工艺孔直径为15mm、铁心个数为14时,触头的磁场特性最好。     

126kV真空灭弧室2/3匝纵磁触头磁场分析及优化

为了得到126 kV真空灭弧室2/3匝线圈型纵磁触头的优化设计参数,文中采用实验设计—磁场有限元计算—统计分析相结合的方法,对触头间纵向磁场特性进行了单因素分析和正交回归分析。选取触头开距、单匝线圈高度、线圈宽度和触头片槽长4个设计参数作为优化对象,以电流峰值时纵向磁感应强度最大、磁场滞后时间最小和导体电阻值最低作为优化目标,得到了磁场特性与触头结构参数之间的回归方程以及对纵向磁场产生显著影响的设计因素。基于上述分析,对电流峰值时纵向磁感应强度、磁场滞后时间和导体电阻进行多目标优化,当触头开距为20 mm,线圈宽度为20 mm,单匝线圈高度为15 mm,触头片槽长为30 mm时,纵向磁场特性最优。优化后,电流峰值时的纵向磁感应强度增至0.565 T,磁场滞后时间缩短为0.729 ms,导体电阻减小为19.885μΩ。     

五种纵向磁场真空灭弧室触头磁场特性分析比较

用三维有限元法研究了线圈、杯状,两极和四极及双线圈五种纵磁真空灭弧室触头的纵向磁感应强度分布、触头片上涡流分布和纵向磁场滞后时间.研究表明:(1)电流峰值时纵向磁场由强到弱依次排列为:线圈式触头、两极式结构、双线圈式触头、杯状和四极式触头;(2) 电流过零时剩余磁场由弱到强依次为:四极式触头、两极式触头、杯状触头、双线圈式触头和线圈式触头; (3)纵向磁场较强处滞后时间由小到大依次为:两极式触头、四极式触头、线圈式触头、双线圈式触头和杯状纵磁触头.     

线圈式纵向磁场真空灭弧室磁场特性

分析了1/2、1/3和1/4匝纵向磁场真空灭弧室触头设计参数对纵向磁感应强度分布、触头片上涡流分布、纵向磁场滞后时间以及导体电阻值的影响。研究表明:增加触头直径、线圈高度或触头开距会减弱纵向磁感应强度,线圈厚度及触头材料采用CuCr50或CuCr25对其影响不大;减小触头直径、增加开距可使纵向磁场滞后时间减小。触头片上开槽数以及触头材料会对滞后时间产生影响;增加触头直径、线圈高度、线圈厚度、都可以减小导体电阻,而触头片上开槽数以及触头材料也会对导体电阻产生影响。由于设计参数的变化对纵向磁感应强度分布、触头片上涡流分布、纵向磁场滞后时间以及导体电阻值会产生不同的影响,因此设计者应综合考虑各种参数的影响,得到综合性能优的结果。     

252 kV真空灭弧室纵磁触头磁场分析及优化

真空灭弧室的触头对真空断路器短路电流开断能力和额定电流导通能力有重要的影响。该文采用三维有限元方法对用于252 kV真空灭弧室的单匝线圈纵磁触头的磁场特性进行了单因素分析和正交回归分析,包括电流峰值时纵向磁感应强度、电流过零时纵向磁感应强度和导体电阻值,得到了磁场特性和触头设计参数之间的回归方程,并且找出了影响磁场特性的显著因素。理想的纵向磁场特性应当是电流峰值时纵向磁感应强度强,电流过零时纵向磁感应强度弱,以及导体电阻值小。将基于实验设计的优化、有限元分析和统计分析结合在一起,可以达到这种理想的纵向磁场特性。采用这种方法,得到了一种252 kV纵向磁场触头的优化设计参数。     

基于响应曲面法的马蹄铁型纵磁触头真空灭弧室磁场特性分析及优化

为提高马蹄铁型纵磁触头真空灭弧室的磁场特性,文中对其灭弧室磁场特性进行了基于响应曲面法的优化。选取铁片外径、铁片内外径差及铁片间槽口夹角差值作为3个优化参数,以电流峰值时纵向磁感应强度最大,有效磁场区域宽度最宽及磁场滞后时间最短作为3个优化目标,通过有限元方法建立触头计算模型,采用中心复合实验设计方法安排仿真计算,采用响应曲面方法建立二阶回归模型,通过多目标优化的方式对灭弧室磁场特性进行优化。得到了各优化指标随触头结构参数的变化趋势及灭弧室磁场特性最优时的触头结构参数组合——铁片外径90 mm,内外径差55 mm,铁片间槽口夹角差值8.54°。较优化前,将电流峰值时纵向磁感应强度由633.3 mT提高至713.3 mT,将有效磁场区域宽度由25.2 mm增加至25.9 mm,将磁场滞后时间由1.16 ms缩短至0.77 ms。     

杯状带铁心和不带铁心两种纵磁触头磁场特性的分析比较

用三维有限元方法研究了不同开距下杯状带铁心和不带铁心两种纵磁触头的磁场特性,包括纵向磁感应强度和纵向磁场滞后时间。对两种触头进行对比分析的结果表明:①杯状纵磁触头引入铁磁环后在铁心区域纵向磁场大大增强,在触头中心区域减弱,呈凹形分布。电流过零时,在铁心区域剩余纵向磁场明显高于不带铁心情况,而在非铁心区域非常接近。随着开距的增大,铁心区域纵向磁场下降显著,非铁心区域纵向磁场几乎不变。而不带铁心结构纵向磁场随开距的增加呈较均匀的下降。②与杯状不带铁心纵磁触头相比,带铁心结构纵向磁场滞后时间在整个区域增大。随着开距的增大,两种纵磁触头纵向磁场滞后时间都下降。③铁磁环的引入一方面使得纵向磁感应强度以及分布都发生了很大的变化,另一方面带来的涡流效应也变得更加明显了,因此在设计触头时应同时关注其正反两方面的效应。     

中频条件下真空灭弧室的纵向磁场仿真

该文研究了中频400～800Hz条件下纵磁真空灭弧室内的磁场特性,利用Ansys Maxwell求解了三维瞬态纵向磁场分布.由计算结果可知:在电流变化的过程中,中心区域纵向磁场的变化明显滞后于其他区域.电流峰值时在触头片开槽交错放置的位置有磁场峰值区域,电流过零时中心区域有明显剩磁.当频率增加时,涡流效应更明显,使纵向磁场的磁感应强度值减弱.对中心点,频率提高导致过零时剩磁增加,磁场滞后相位更明显,影响电弧扩散.增加触头片开槽数可以减弱涡流效应,而增加触头杯座槽旋转角,触头中间平面磁感应强度的最大值近似线性增加.文中通过分析电弧形态和电压等实验结果验证了磁场滞后对真空灭弧室的开断能力的影响.     

中频条件下真空灭弧室的纵向磁场仿真（英文）

该文研究了中频400～800Hz条件下纵磁真空灭弧室内的磁场特性,利用Ansys Maxwell求解了三维瞬态纵向磁场分布。由计算结果可知:在电流变化的过程中,中心区域纵向磁场的变化明显滞后于其他区域。电流峰值时在触头片开槽交错放置的位置有磁场峰值区域,电流过零时中心区域有明显剩磁。当频率增加时,涡流效应更明显,使纵向磁场的磁感应强度值减弱。对中心点,频率提高导致过零时剩磁增加,磁场滞后相位更明显,影响电弧扩散。增加触头片开槽数可以减弱涡流效应,而增加触头杯座槽旋转角,触头中间平面磁感应强度的最大值近似线性增加。文中通过分析电弧形态和电压等实验结果验证了磁场滞后对真空灭弧室的开断能力的影响。     

触头片结构对新型带铁心的杯状纵磁真空灭弧室磁场影响仿真

真空灭弧室触头的结构设计对其内部电磁场分布具有重要的影响作用。为了研究触头片结构设计对一种新型带铁心的杯状纵磁真空灭弧室内电磁场分布情况的影响,该文采用了Ansoft Maxwell软件对该新型真空灭弧室内电磁场进行仿真分析,得到了触头片的开槽长度、开槽偏转角度、触头片中心工艺孔直径及孔的深度对磁场分布的影响;实现了在电流峰值时和电流过零时的磁感应强度的云图分布。仿真结果表明:触头片开槽长度、偏角和中心工艺孔径对磁场分布影响较大,孔径深度几乎不影响磁场分布;触头片开槽长度和中心工艺孔径的增加均可减少磁感应强度;触头片开槽偏转角度的增加会使电流峰值时及电流过零时磁场强度呈增加趋势,但存在一个最优角度为25°;触头片开槽和中心开工艺孔等操作均能减少电流过零时的剩余磁场强度。     

杯状纵磁真空灭弧室磁场特性分析

用三维有限元法研究了7个设计参数对杯状纵磁触头的纵向磁感应强度、纵向磁场滞后时间、杯中和触头片中电流密度最大值以及导体电阻值的影响。研究表明:譹增加触头直径或开距会减弱纵向磁感应强度,增加杯指旋转角或杯指数目可使其增强,而杯指和水平面夹角、触头片上开槽数及触头材料采用CuCr50或CuCr25对其影响不大。譺设计参数在较大范围内变化时,纵向磁场滞后时间的变化很小。譻增加触头直径或触头片开槽数、减小杯指旋转角、合理选择杯指与水平面夹角和杯指数目或采用CuCr50触头材料可减少杯中或触头片中的电流集中。譼增加触头直径或杯指与水平面夹角,或减小杯指旋转角和杯指数目、减小触头片开槽数及采用CuCr25触头材料可减小导体电阻。     

轴向磁场对焊接电弧作用的数值模拟研究

采用耦合阴极模型模拟轴向磁场对焊接电弧的作用,分析了轴向磁场对焊接电弧位形的作用机制。计算结果显示,随轴向磁场增加:阴极弧根收缩;阴极附近等离子体温度升高,高温核心径向增大,弧柱收缩程度增加;阳极附近弧柱径向张开,中心温度降低;阳极表面电流密度和压力分布呈环状结构;阳极加热面增大,极值温度降低,出现温度平顶;电弧对阳极的传热量增加。分析认为,轴向磁场与电弧径向电流间的Lorentz力作用使近阳极区电弧旋转流动,产生磁抽吸作用,使阴极弧根和近阴极弧柱收缩,而阴极弧根收缩增强了阴极射流,并且抑制近阳极区电弧扩张。     

两极纵向磁场电极结构的真空灭弧室

介绍了两极纵向磁场电极的结构，并对纵向磁场进行了计算和估计，结果表明这种电极结构适合用于高电压和大电流的真空断路器。     

纵向磁场真空灭弧室结构分析

纵向磁埸真空灭弧室在结构上具有很多优点,目前世界各国都已得到广泛的应用。本文通过下列六个方面进行了分析。 (1) 纵向磁埸强度大小与电弧电压的关系。以及对分断能力、触头开距、触头直径影响的分析; (2) 涡流纵向磁埸大小和时间滞后关系的实测,减小触头表面涡流的几种措施及其效果; (3) 平面整体对接触头和镶嵌对接触头结构的分析及其发展趋势; (4) 双边线圈,单边线圈和屏蔽罩线圈三种不同结构纵向磁场分布的分析和应用范围; (5) 加强触头部分机械强度引起纵向磁场线圈电流分流的分析及计算和实测; (6) 纵向磁场触头材料的选择。 最后总结了上述的分析,并提出纵向真空灭弧室结构的合理设计的途径。     

大开距纵磁结构触头磁场特性的数值分析

通过分析几种用于中压真空灭弧室中的触头结构,探讨了将它们应用在高压真空灭弧室中的可能性。并用有限元的方法对单极线圈式和杯状纵向磁场触 头结构在大开距条件下的磁场特性进行了仿真计算。采用改变部分触头结构参数的方法来优化磁场分布,在分析计算结果的基础上探讨了将它们应用于高压真空灭弧室中的可行性。结果表明,在大开距条件下即使经过优化,1/3匝线圈式纵磁触头结构和杯状纵磁触头结构所产生的磁场也不足以控制真空电弧,而1/2匝线圈式纵磁触头有较强的纵向磁场,适合于大电流的开断。     

纵磁结构真空灭弧室的三维磁场数值分析

根据单积分法原理编制了一套三维磁场计算软件,对杯状纵磁、1/2匝线圈纵磁、四极纵磁三种结构的真空灭弧室自生纵向磁场进行了三维数值分析,给出磁场的总体分布以及几个主要参数对磁场分布的影响,并且对其中两种结构的磁场进行实际测量,验证了该软件计算的准确性.     

利用永磁环产生轴向均匀磁场的研究

以轴向磁化永磁环和径向磁化永磁环的磁场分布为基础,分别分析了利用径向磁化永磁环和利用轴向磁化与径向磁化永磁环组合的结构获得均匀磁场的可能性.模拟计算表明,当结构尺寸适当时,两种形式均可以获得轴向均匀磁场.在分析对比这两种方法优劣的基础上,以轴向磁化和径向磁化永磁环组合结构为蓝本,设计了一个由多块辐射状径向磁化永磁环和轴向磁化永磁环组合而成的轴向均匀磁场结构,结构总长400mm,均匀区长度达到234mm,约占总长的60%,均匀区的磁感应强度达到0.7T.     

轴向双分裂变压器的电场计算和漏磁计算

对220kV双分裂变压器的静电场和漏磁场进行了仿真计算。     

轴向磁场控制的旋转电弧开关的研制

开关在脉冲功率技术中极其重要，其已成为制约脉冲功率技术发展的主要技术瓶颈。为了满足高电压、大电流、高电荷转移量、电极烧蚀小、寿命长的要求，文中设计了一个由轴向磁场控制的旋转电弧间隙开关，研究了其电磁场分布及轴向磁场下电弧的运动机制，并进行了初步实验。结果表明此开关中的电弧确实在轴向磁场控制下做旋转运动，且运动速度很快，不需要对触发脉冲进行陡化就能得到纳秒级脉冲。实验放电波形比较稳定，分散性为2ns；开关电极表面的烧蚀小，有利于延长开关的寿命；开关工作参数为：电压23kV，单脉冲能量0.314MJ，峰值电流100kA，电荷转移量27.3C/脉冲。