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。     

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。     

杯状纵磁触头纵向磁场滞后时间研究

用有限元法对杯状纵磁真空灭弧室触头简化的轴对称模型涡流场进行了分析,给出了触头间隙中纵向磁场滞后时间的空间分布,讨论了触头设计参数对纵向磁场滞后时间的影响。计算结果表明,纵向磁场滞后时间沿径向分布的形状近似于凹面朝下的抛物线右半部,在触头边缘处纵向磁场滞后时间随径向位置增大而线性增加。纵向磁场滞后时间沿轴向的分布规律是,靠近触头中心处,纵向磁场滞后时间沿轴向的变化接近一条直线;越靠近触头边缘这种变化越显著,在杯壁中间处呈不规则的“正弦曲线”分布,在触头边缘处呈凹面朝上的抛物线分布。纵向磁场滞后时间与设计参数的关系是:纵向磁场滞后时间随开距的减小而线性增加;随触头直径的减小而单调递减;随触头片厚度的增加而线性增加;触头材料从CuCr50变到CuCr25时纵向磁场滞后时间增幅显著;杯壁厚度和杯高度对纵向磁场滞后时间几乎没有影响。     

铁心式杯状纵磁真空灭弧室触头磁场特性

提出一种新型带铁心结构的杯状纵磁真空灭弧室触头,在触头杯中加入三种排列方式的铁心片——放射排列、平行排列和偏心排列。采用三维瞬态有限元法研究铁心排列方式和铁心设计参数对纵向磁场和滞后时间的影响。研究的铁心片设计参数包括数量、长度、厚度、高度、间隙及内径等。结论为:①与无铁心情况相比,三种铁心布置方式都提高了电流峰值时的纵向磁感应强度,而且电流过零时的纵向磁感应强度与无铁心时相差较小;②从纵向磁场强度、分布及滞后时间来看,在所研究的参数方案中,三种排列方式中的优选方案指标相接近,而放射排列和偏心排列相对较优。分析结果可为真空灭弧室新产品设计提供参考。     

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。     

杯状纵磁真空灭弧室开断能力与触头直径和触头开距的关系

研究了杯状纵磁真空灭弧室的极限电流开断能力与触头直径和触头开距间的规律,建立便于设计时应用的计算公式。从合成回路上开断能力的试验结果出发,将三维有限元法对杯状纵磁触头的纵向磁场的计算结果引入到开断能力与触头直径和触头开距的关系式中,初步得到极限电流开断能力与触头直径和触头开距的关系为I=k×D2×Bz0.4,式中k是系数。该式的物理意义是开断能力随触头直径的增加而增大,随触头开距的增加而减小。     

杯状纵磁真空灭弧室开断能力与触头直径和触头开距关系的试验比对

对杯状纵磁真空灭弧室的极限电流开断能力与触头直径和触头开距间的关系I=k×D2×Bz0.4进行了试验验证。当触头直径分别为48,58,66mm时,触头开距设定为8,11,14mm,对9只真空灭弧室试品在振荡回路上进行极限开断能力试验;用三维有限元方法对9种情况下的纵向磁场进行了计算;将计算结果带入公式与试验结果及灭弧室开断能力标定值进行比较,考虑试验的误差,认为公式有参考意义。     

基于正交设计的杯状纵磁真空灭弧室磁场特性分析

采用正交设计方法对杯状纵磁触头的杯厚、杯指数等7个触头设计参数进行实验设计，用三维有限元方法对实验方案进行磁场特性分析，其中磁场特性包括纵向磁感应强度、纵向磁场滞后时间以及导体电阻值。通过对实验结果进行方差分析，得出了触头设计参数对磁场特性影响程度的定量关系，由此找出影响杯状纵磁触头磁场特性的显著因素与非显著因素。对显著因素和实验结果进行回归分析，得出杯状纵磁触头磁场特性与显著因素关系的回归方程。采用正交设计方法，大大减少计算次数，提高计算质量。得到的结果可以为真空灭弧室的研究和设计提供参考。     

杯状纵磁真空灭弧室三维涡流场仿真

对杯状纵磁真空灭弧室触头建立了与实际触头结构完全一致的有限元分析模型,模型中把电弧弧柱处理成圆柱形金属导体.对模型用有限元法进行了三维涡流场仿真.仿真结果表明,考虑电弧以及杯和电弧的涡流效应后,在电流峰值时,触头片中电流密度最大值变大;触头片上槽一侧的纵向磁场比另一侧强;磁感应强度B矢量在触头表面上的分布呈"旋涡"形状,其纵向分量在触头中心较大,越靠近触头边缘越小,而横向分量则增大;电流过零时,与未考虑电弧以及杯和电弧的涡流效应时的计算结果相比,触头间隙中心平面上及触头表面上的纵向磁场分布变为"帐篷"形状,纵向磁感应强度最大值也变大.在触头开距中心处纵向磁场较强且纵向磁场滞后时间也相对较长.     

一种新型高压真空灭弧室触头及其特性

高压真空开关的核心部件之一是真空灭弧室,由于其触头开距较大,因此多采用纵向磁场触头,希望触头间隙有较强且较均匀的纵向磁场,这样可降低电弧电流密度,降低电弧能量,从而提高开断性能。该文提出了一种适合应用于高电压等级真空灭弧室的新型纵向磁场触头结构,该触头结构结构简单,便于加工,而且结构强度更好。利用有限元方法对这种新型的真空灭弧室磁向磁场触头间隙的磁场分布特性进行了计算与分析, 结果表明其磁场特性优于现有传统纵磁触头结构。利用这种新型触头结构制做了真空灭弧室样机,在单频LC振荡回路上进行了性能测试,结果表明在触头开距为40和60 mm时其同样具有良好的开断短路电流的性能。     

126kV真空灭弧室3/4匝纵向磁场触头磁场特性及电弧形态研究

文中针对一种126 kV真空灭弧室3/4匝线圈型纵磁触头,采用电磁仿真分析及拉弧试验方式对其磁场特性及真空电弧形态进行研究。选择3种触头片开槽位置以及3种触头电流连通位置、有无导流排结构,共8种结构进行磁场强度与分布、触头回路电阻的对比,选择当触头电流连通位置对应时,触头片开槽位置在左侧(结构2)与开槽位置在右侧(结构3)的无导流排及有导流排的两种结构进行电弧试验,试验电流为40 k A(rms),燃弧时间为9 ms。分析及试验结果表明,当开槽位置在右边,磁场强度较强且均匀,真空电弧扩散态模式持续时间较。在第2个电流半波峰值时,有导流排的结构的触头之间的电弧集聚更强烈,阳极射流开始形成至阴极区域,真空电弧处于阳极斑点模式。通过对8种触头结构进行分析比较,126 kV真空灭弧室3/4匝线圈型触头选择触头结构3,触头电流连通位置对应,开槽位置在右,无导流排。     

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NSGA-Ⅱ和BP神经网络的杯状纵磁触头结构优化设计

在直流开断工况下,现有常用工频触头需要开断高频反向电流,但其在高频电流下的电弧调控性能还需要进一步研究。该文以工频常用杯状纵磁触头为例,首先对其在1 000Hz电流下进行磁场仿真,发现电流峰值的触头间隙中心可产生3.17mT/kA的纵向磁场,磁场分布极不均匀;然后为了提高磁场强度最大值以及分布均匀度,提出一种基于BP神经网络与遗传算法相结合的方法对触头结构进行优化设计,建立以触头开槽宽度、开槽长度、径向开槽旋转角度、触头杯斜槽高度和斜槽倾斜度为输入,触头间隙中心电流峰值磁场强度最大值和磁场分布不均匀度为输出的BP神经网络模型;最后通过NSGA-Ⅱ算法对杯状纵磁触头的结构参数进行优化。优化的结果表明：当杯状纵磁触头的参数L₁为2.9mm、L₂为18.0mm、θ₁为20.0°、H为17.5mm和θ2为26.0°时,电流峰值的触头间隙中心可产生4.34mT/kA的纵向磁场,不均匀度从6.89减小到3.39,均匀度得到了较大提升,从而可以提高纵向磁场对真空电弧的调控能力。     

杯状纵磁真空灭弧室三维纵向磁场及涡流的有限元分析

对杯状纵磁真空灭弧室的三维静磁场、三维交变磁场及触头片中的涡流分布进行了有限元计算和分析。计算结果表明，交变磁场的分布与静磁场的分布有所不同，这主要是由涡流引起的。涡流的影响在触头中心处最大，在槽口之间次之，在槽口上方影响最小。     

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.     

铁芯式两极纵磁真实灭弧室的开发研究

提出了一种新型铁芯式两极纵磁真空灭弧室触头结构,其间隙能够产生较强且均匀的对称交变纵向磁场。触 和 开槽,提高了强度;整块铁芯变成,降低了涡流,缩短了纵向磁场滞后于电流的时间。通过对样吕的试验。证明该结构能降低电弧电压,提高触头的分断能力。     

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。     

新型真空灭弧室1/3匝线圈纵磁触头三维磁场仿真

设计了一种新型真空灭弧室线圈式纵向磁场触头结构,这种不对称式结构中,静触头具有两层以串联方式相连接的线圈,而动触头侧无任何线圈,使动触头结构大为简化,机械强度得以加强,而动触头质量的减轻将有利于触头开断速度的提高。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、触头间隙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。仿真结果表明,该不对称式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,且导电回路电阻较小。     

126kV真空灭弧室3/4匝线圈型纵磁触头大电流电弧特性研究

文中针对一种126 kV真空灭弧室3/4匝线圈型纵磁触头,采用拉弧试验的方法对其在大电流下的真空电弧扩散态模式持续时间、强电弧模式持续时间以及真空电弧形态等电弧特性进行试验研究。选取3种不同线圈结构的触头进行试验,触头结构1、2、3的线圈宽度分别为12、14、16 mm。试验电流为36 kA(rms)和40 kA(rms),第1个电流半波内的燃弧时间分别为3.5、9 ms。试验结果表明,触头结构2的真空电弧扩散态模式持续时间最长,强电弧模式持续时间最短。随着电弧电流的增加,3种触头结构在电流过零前的扩散态模式持续时间随之减小。通过对2种触头结构大电流真空电弧特性进行分析比较,126 kV真空灭弧室3/4匝线圈型触头选择触头结构2,线圈宽度为14 mm。     

不同触头开距下真空电弧现象的研究

利用动态图象高速微机采集系统,对纵向磁场线圈触头真空电弧形态进行了研究,触头开距从10mm到40mm变化,得出在相同电弧电流下,电弧扩散区域随开距增加而增加;电弧电压随开距增加而呈线性增加;弧柱电弧电场强度随开距增加而减少。这说明在长开距下,由于弧柱表面积增加,扩散到弧柱外的电子、离子和金属粒子相应增多,因而使输入到弧隙的能量增加以加热触头表面和加强粒子的扩散。