1、杯狀縱磁觸頭設計參數對縱向磁場滯后時間的影響作者：劉志遠 王仲奕 王季梅摘要: 本文對杯狀縱磁真空滅弧室觸頭的一些設計參數對間隙中縱向磁場滯后時間的影響進行了分析。用有限元法對杯狀縱磁觸頭簡化的軸對稱模型渦流場進行的分析結果表明，開距從10mm 減小到1mm 時縱向磁場滯后時間線性增加；觸頭直徑從75mm 減小到25mm 時縱向磁場滯后時間單調遞減；觸頭片厚度從3mm 增加到6mm 時縱向磁場滯后時間線性增加；觸頭材料從CuCr50 變到CuCr25 時縱向磁場滯后時間增幅顯著；杯臂厚度在5mm 到12mm 和杯高度從14mm 到24mm 范圍內對縱向磁場滯后時間幾乎沒有影響。關鍵詞：真空滅弧

2、室；磁場滯后時間；觸頭；渦流；真空電弧中圖分類號：TM561 文獻標識碼：A1 引言真空開關是一種性能卓越的開關設備，它的電流開斷是在其關鍵部件真空滅弧室中完成的。先進的真空滅弧室是保證真空開關性能優異的重要因素。真空滅弧室可利用電流在觸頭中流動所產生的橫向磁場或縱向磁場來控制真空電弧。所以觸頭設計是真空滅弧室設計中至關重要的環節。設計一個比較理想的真空滅弧室，必須了解設計參數對真空滅弧室工作特性的影響，然后才能給出滿足要求的設計參數。對于縱向磁場觸頭，由于渦流效應，間隙中的縱向磁場一般滯后于電流，而設計時希望縱向磁場滯后時間盡量短，這樣，一是有利于真空電弧在電流過零時的擴散，二是觸頭打開時縱

3、向磁場能盡快作用在真空電弧上避免電弧集聚時間長。縱向磁場的滯后效應已引起了真空滅弧室研究設計人員的重視。如兩極式縱向磁場觸頭1，鐵芯式兩極縱向磁場觸頭2，以及線圈式縱向磁場觸頭3的研究中都考慮了縱向磁場滯后時間的因素。關于杯狀縱磁觸頭的三維縱向磁場和觸頭片中渦流已有報道4，其觸頭片表面中心點縱向磁場滯后于電流的電角度也可求出5，但杯狀縱磁真空滅弧室觸頭設計參數對縱向磁場滯后時間的影響還沒有相關報道。杯狀縱磁觸頭中心位置在電流過零時的磁感應強度最強且縱向磁場滯后時間相對較大。本文以觸頭中心處開距中心點位置的縱向磁場滯后時間為考察點，得到在杯狀縱磁真空滅弧室中觸頭設計參數對縱向磁場滯后時間的影響。

4、2 有限元模型本文中考慮的杯狀縱磁觸頭的結構如圖1(a)所示。觸頭共有6 個杯指，杯指與水平面夾角為27度。每個杯指旋轉90度。觸頭片上有6 個徑向直槽。電流在杯指中流動時產生與電弧弧柱軸向方向一致的縱向磁場。觸頭設計參數為：開距10mm，觸頭直徑75mm，杯壁厚8mm，杯高18mm，觸頭片厚4mm，觸頭材料CuCr50（電導率為1.044e7S/m）。交流電流頻率為50Hz。在考慮某一參數對縱向磁場滯后時間的影響時，其他參數保持不變。在分析中采用圖1(b)所示軸對稱模型進行簡化，杯指等效為線圈，杯指中電流折算成線圈中電流。計算時取電流為1000A 有效值，邊界條件取無窮遠邊界條件。本文采用A

5、nsoft 公司的Maxwell SV 軟件對圖1(b)所示的軸對稱模型進行了渦流場有限元分析。由于該軟件采用了自適應網格剖分技術，計算誤差可減小到任意指定值。本文計算中能量誤差小于1%。3 觸頭設計參數對縱向磁場滯后時間的影響3.1 開距對縱向磁場滯后時間的影響開距從1mm 變到10mm，步長為1mm，其它設計參數不變，得到觸頭開距對縱向磁場滯后時間的影響如圖2 所示。當開距從10mm 減小到1mm 時，縱向磁場滯后時間從開距中心處的0.66ms 線性增加到0.857ms。這說明：1）燃弧期間開距變化的過程中縱向磁場滯后時間不同。2）觸頭剛分開時的縱向磁場滯后時間比滿開距時要長，即縱向磁場作

6、用在剛剛引燃的集聚型電弧的滯后時間比滿開距時測得的時間要長。觸頭直徑75mm，杯壁厚8mm，杯高18mm， 觸頭片厚4mm，觸頭材料CuCr50（電導率為1.044e7S/m）。圖2 縱向磁場滯后時間與觸頭開距的關系3.2 觸頭直徑對縱向磁場滯后時間的影響觸頭直徑從25mm 變到75mm，步長為10mm，其它設計參數不變，得到觸頭直徑對縱向磁場滯后時間的影響如圖3 所示。觸頭直徑從75mm 減小到25mm 的過程中縱向磁場滯后時間單調減小，75mm 到35mm 范圍內縱向磁場滯后時間線性地從0.66ms 減小到0.23ms，最后減小到25mm 時的0.21ms。真空滅弧室有小型化的發展趨勢，真

7、空滅弧室的小型化使觸頭直徑趨于減小，這有利于縱向磁場滯后時間減小。圖3 縱向磁場滯后時間與觸頭直徑的關系杯壁厚8mm，杯高18mm，開距10mm，觸頭片厚4mm，觸頭材料CuCr50（電導率為1.044e7S/m）3.3 觸頭片厚度對縱向磁場滯后時間的影響觸頭片厚度從3mm 變化到6mm，步長為1mm，其它設計參數不變，得到觸頭片厚度對縱向磁場滯后時間的影響如圖4 所示。當觸頭片厚度從3mm 增加到6mm 時，縱向磁場滯后時間從0.52ms 線性增加到0.91ms。為了減小縱向磁場滯后時間，可適當減小觸頭片厚度。圖4 縱向磁場滯后時間與觸頭片厚度的關系觸頭直徑75mm，杯壁厚8mm，杯高18m

8、m，開距10mm，觸頭材料CuCr50（電導率為1.044e7S/m）。3.4 觸頭材料電導率對縱向磁場滯后時間的影響取2 種觸頭材料CuCr50（電導率1.044e7S/m）和CuCr25（電導率3.4e7S/m）。其它設計參數不變。圖5 示出觸頭材料電導率對縱向磁場滯后時間影響很大，電導率增加時縱向磁場滯后時間增幅顯著。觸頭材料為CuCr50 時，縱向磁場滯后時間0.66ms；觸頭材料為CuCr25時，縱向磁場滯后時間為2.00ms。這是由于觸頭材料電導率增加后渦流幅值增大的緣故。圖5 縱向磁場滯后時間與觸頭材料電導率的關系Fig.5 Relationship between phase

9、shift time and conductivity of contact material觸頭直徑75mm，杯壁厚8mm，杯高18mm，開距10mm，觸頭片厚4mm3.5 線圈厚度對縱向磁場滯后時間的影響杯壁厚度從5mm 增加到12mm，步長為1mm，其它設計參數不變。如圖6 所示，線圈厚度對縱向磁場滯后時間影響很小。當線圈厚度從5mm 增加到12mm 時，縱向磁場滯后時間從0.67ms 單調減小到0.63ms。圖6 縱向磁場滯后時間與杯臂厚度的關系Fig.6 Relationship between phase shift time and coil thickness觸頭直徑75mm，

10、杯高18mm，開距10mm， 觸頭片厚4mm，觸頭材料CuCr50（電導率1.044e7S/m）。3.6 線圈高度對縱向磁場滯后時間的影響杯高從14mm 增加到24mm，步長為2mm，其它設計參數不變。如圖7 所示，杯高度的變化對縱向磁場滯后時間幾乎沒有影響。當杯高度從14mm 增加到24mm 時，縱向磁場滯后時間保持在0.66ms 左右，變化很小。因此對于設計人員來說減小縱向磁場滯后時間不用考慮線圈厚度和高度的影響。圖7 縱向磁場滯后時間與杯高度的關系Fig.7 Relationship between phase shift time and coil height觸頭直徑75mm，杯壁厚8mm，開距10mm， 觸頭片厚4mm，觸頭材料CuCr50（電導率1.044e7S/m）。4 結論在本文討論的杯狀縱磁觸頭結構中，設計參數對縱向磁場滯后時間的影響是：開距從10mm 減小到1mm 時縱向磁場滯后時間線