12kv真空灭弧室结构设计与优化

12kv真空灭弧室结构设计与优化

摘要:本文建立真空灭弧室三维模型,以触头电磁场的数值模拟对触头结构进行优化设计,真空灭弧室的三维仿真结果表明,12kV真空灭弧室的触头开槽角度最小应为107°,在低于107°时触头位置的磁场强度不能满足开断的要求,并通过电弧形态实验验证结果的有效性。本文模拟仿真能够为12kV真空灭弧室后续结构优化提供一定的理论基础。

关键词:12kV真空灭弧室;触头结构;设计优化;三维仿真

1概述

我国城市化的推进和能源结构的调整,对包括开关设备在内的诸多电力设备的环保性能提出了更高要求和更大挑战[1-3]。真空开断技术是实现开关设备环保化的重要保障之一,实现触头结构和整体结构的优化设计,这直接影响着真空灭弧室的电气性能和机械性能,决定了真空断路器的综合性能[4-6]。本文采用数值计算与实验研究相结合的方法开展了高可靠性12kV真空灭弧室的研制,着重计算了在不同开槽角度下,作用在触头表面及电流模型上的磁场强度,并最终在“国家电器产品质量监督检验中心”通过了全套型式试验。

2结构设计

真空灭弧室三维模型本次仿真触头结构采用杯状纵磁结构,圆形触头片半径取r=23.5mm,杯壁厚度为7mm,触头片开槽及触头杯座触指数量定为6条,杯座外径R=61mm,杯座内径r=47mm,杯座开槽的轴向最小高度为15mm,杯座高度为19mm,模型杯壁开有6匝斜槽,动触头与静触头完全相同。电弧简化为直径等于触头直径,厚度等于触头开距的圆柱体。本三维模型中各部件材料的相关属性见表1。其中,σ为材料的电导率,μr为材料的相对磁导率,ρv为材料的体积电阻率。

3仿真模拟

分别建立开槽角度为87°、92°、97°、102°、107°和112°的真空灭弧室三维模型,加载电流为31.5kA短路开断电流。六种工况下触头片表面的磁通密度B分布如图2所示。经计算,触头表面的纵向磁通密度需满足By≥178mT,由图2可知,当开槽角度为87°、92°、97°时,触头片中心区域对应的By最大值均小于178mT。在开槽角度为102°时,其中心区域By范围的最小值165mT与178mT相差7.3%。在开槽角度为107°时,其中心区域By范围的By最小值174mT与178mT要求相差2.2%,基本满足要求。在开槽角度为112°时,其中心区域By范围的By最小值180mT,满足178mT的要求。

4试验验证

选开槽角度为107°的三维模型进行触头实体结构加工,并对电弧形态进行试验研究。为触头开断初始阶段,电弧呈现集聚态,触头的烧蚀严重,开断性能和绝缘性能下降。为触头开断中间阶段,开距逐渐增加,触头间形成集聚型电弧,电弧主要集中在中心位置。为触头开断末期阶段,开距继续增大,集聚型电弧转换成扩散型电弧,对触头的烧蚀程度大大降低,当触头开距达到额定开距时,电弧熄灭。在整个试验过程中,电弧形态的变化符合理论上的形态变化,电弧能被纵向磁场有效控制,可以很好地完成开断,具有较好的开断能力,有效的反映了仿真计算结果的正确性。

5结论

本文建立了12kV真空灭弧室的三维模型,对真空灭弧室的触头结构进行了仿真分析,经计算,12kV真空灭弧室的触头开槽角度最小应为107°。并进行触头结构实体配件的开断试验,空灭弧室结构优化提供一定的理论基础。

参考文献

[1]王季梅.真空开关技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2]陈辰杰,郑学贤.35KV投切并联电容器组的过电压分析与抑制[J].大众科技,2012,14(10):87-90.

[3]刘志远,耿英三,王季梅.高电压真空断路器的技术发展[J].电气时代,2008(1):80-84.

[4]郝建成.110kV真空断路器电磁场数值分析[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2007.

[5]张杰荣,钱家骊,王伯翰.高压电器理论和应用[M].北京:清华大学出版社,1989.

[6]王季梅,吴维雄,魏一钧.真空开关[M].北京:机械工业出版社,1983.

作者:姚锋娟 单位:天津平高智能电气有限公司