纵向磁场真空灭弧室触头设计参数对磁感应强度分布的影响

纵向磁场真空灭弧室触头设计参数对磁感应强度分布的影响

1圈内磁场及纵向磁场日本东芝公司推出了线圈垂直磁体的真空毁圆弧腔的触发结构。当电流通过螺旋磁体接触头部线圈时，电流可以通过纵向磁体作用于真空圆弧，从而提高真空圆弧的开断能力。这是目前常见的纵向磁体接触结构。对于线圈式纵向磁场触头磁场特性的研究,通常采用磁场测量法和数值计算法。王仲奕等通过二维简化模型对线圈式触头的纵向磁场进行了计算分析,得到了纵向磁场与线圈结构尺寸的关系。Nitta等对一种线圈式触头进行了磁场测量和三维有限元分析,计算结果与测量结果很接近。Stoving和Bestel对线圈式纵向磁场触头的磁场分布和纵向磁场滞后时间分布进行了三维有限元数值分析。Fenski和Lindmayer也对线圈式纵向磁场触头的磁场进行了三维有限元数值分析,并给出了在合成回路上短路电流开断的实验结果。但是在上述工作中未涉及触头设计参数的变化对纵向磁场的影响。因此本文的研究目标是分析线圈式纵向磁场触头的设计参数的变化,如触头直径、触头开距、线圈支路数、线圈高度、线圈厚度、触头材料以及触头片开槽数对纵向磁感应强度幅值、纵向磁场滞后时间和导体电阻的影响。研究结果可为线圈式纵向磁场触头的设计提供参考。2接触参数的确定线圈式纵磁触头结构如图1所示。触头由导电杆、线圈和触头片构成,动静触头之间部分为电弧区,线圈和触头片之间为不锈钢支撑。电流流入导电杆后经线圈拐臂可分成2路、3路或4路形成环向电流,如图2所示,即形成1/2、1/3和1/4匝线圈纵向磁场触头结构。现对1/2匝、1/3匝和1/4匝的线圈式纵磁触头结构作如表1所示的参数扫描。在触头设计时,触头直径的变化将引起触头片直径、线圈高度和宽度的相应变化,在本文中假定该变化如表2所示。采用Ansoft公司Maxwell3D电磁场有限元软件进行分析。电流频率50Hz,电流有效值为1kA。计算中取触头片材料电导率为:1.044×107S/m(CuCr50),3.4×107S/m(CuCr25)。设电弧为直径与触头直径相同,高度与触头开距相同的圆柱形,其电导率按如下典型情况选取:触头直径为50mm,开距为10mm,电弧电流为20kA,电弧电压为50V时,电弧电导率取2000S/m。计算场域为模型的10倍,在软件中设定计算能量误差判据小于1%时计算终止。在计算中选定6个基本参数:触头直径60mm,开距9mm,线圈厚度10mm,高度12mm,触头片开槽数与线圈支路数一致,触头片材料为CuCr50。在每一个参数按表1所示情况变化时,其他参数保持为基本参数值不变。在触头直径变化时,线圈厚度和高度按表2所示参数变化,触头片开槽长度取为触头半径的2/3。3计算3.1开距中心平面触头参数变化纵向磁场的强度及其分布是真空灭弧室设计人员较为关注的。图3所示为一个触头直径为100mm的1/2匝线圈式触头,每个触头片上开2个槽,上下2个触头片位置对称布置时,在50Hz,1kA电流到达峰值时触头开距中心平面上纵向磁感应强度的分布。图中示出在触头片槽根部位纵向磁场强,由于每个触头片上开2个槽,上下2个触头片位置对称布置,因此共有4个峰值。在图3中纵向磁感应强度最大值为22.4mT。为了研究不同触头设计参数对纵向磁感应强度的影响,选择触头中心点作为典型取值,这使得不同参数的影响具有可比性。图3中触头中心点处纵向磁感应强度为17.4mT。图4给出开距中心平面触头中心点纵向磁感应强度Bz与触头参数的关系曲线。图4a~4d中曲线1,2,3分别对应于1/2、1/3和1/4匝线圈。由图中可以看出当线圈式纵向磁场触头每条支路的电流分配比N(1/4,1/3,1/2)越大,即电流分流支路数(1/N)越少纵向磁场越强。图4e中,m=1/N指触头片开槽数与线圈支路数相等,m=2/N指触头片开槽数是线圈支路数的一倍。图4a示出Bz随触头直径D的增加而减弱:触头直径从30mm增加到100mm,当N=1/2时,Bz从49.382mT减小至17.419mT;N=1/3时,Bz由33.422mT减小至10.795mT;N=1/4时,Bz由23.344mT减小至7.644mT。图4b示出Bz随触头开距d的增加而减弱:触头开距从6mm增加到12mm,当N=1/2时,Bz由35.693mT减少至30.683mT;N=1/3时,Bz由23.347mT减少至20.564mT;N=1/4时,Bz由16.640mT减少至14.893mT。图4c示出Bz随线圈高度h的增加而减弱:线圈高度从6mm增加到18mm,当N=1/2,Bz由33.362mT减少至28.148mT;N=1/3时,Bz由21.857mT减少至18.632mT;N=1/4时,Bz由15.237mT减少至13.076mT。图4d示出Bz随线圈厚度w的增加变化不大。图4e示出Bz与触头片开槽数m的关系为:当触头片开槽数是线圈支路数的一倍时(m=2/N),Bz比触头片开槽数与线圈支路数相等时(m=1/N)弱。例如当支路数为3,开槽数也是3个时Bz为20.009mT,而开槽数为6个时Bz减小至15.105mT。图4f示出触头片材料为CuCr25时的Bz与CuCr50相比非常接近,可见将触头片材料由CuCr50换成CuCr25对于线圈式纵磁结构触头的Bz并无太大影响。3.2滞后时间t与圈厚比及关系纵向磁场滞后时间t是指Bz滞后于源电流的时间。滞后时间t长会使电流过零时触头间绝缘介质恢复速度减慢,不利于成功开断,因此在设计触头时希望滞后时间t尽可能小。图5示出在不同线圈支路电流分配比N下,t与触头参数的关系曲线。其中,图5a~5d中曲线1,2,3分别对应于1/2、1/3和1/4匝线圈。图5a示出滞后时间t随着触头直径D的增加而增大,触头直径从30mm增加到100mm,t的变化基本上不受N的影响。图5b示出滞后时间t随触头开距d的增大而减小,d由6mm增加到12mm,N=1/2时,t由0.429ms减小至0.345ms;N=1/3时,t由0.411ms减小至0.308ms;N=1/4时,t由0.389ms减小至0.277ms。图5c示出滞后时间t随线圈高度h的增大而增大,线圈高度从6mm增加到18mm,N=1/2时,t由0.376ms增至0.401ms;N=1/3时,t由0.349ms增至0.367ms;N=1/4时,t由0.327ms增至0.346ms。图5d示出滞后时间t随线圈厚度w的增大微弱增加,线圈厚度从5mm增加到15mm,N=1/2时,t由0.387ms增至0.394ms;N=1/3时,t由0.355ms增至0.361ms;N=1/4时,t由0.334ms增至0.341ms。图5e示出滞后时间t与触头片开槽数m的关系为:当线圈支路数为2,触头片开槽数为2个时滞后时间t为0.391ms,触头片开槽数为4个时t为0.344ms;当线圈支路数为3,触头片开槽数为3个时t为0.358ms,触头片开槽数为6个时t为0.381ms;当线圈支路数为4,触头片开槽数为4个时t为0.337ms,触头片开槽数为8个时t为0.432ms。图5f示出将触头片材料由CuCr50换成CuCr25后,纵向磁场滞后时间t增加,当线圈支路数为2时,CuCr25触头材料的滞后时间t比CuCr50时增加了近60%。3.3导电导电r与圈高度和厚度的关系本文中导体电阻指两个线圈和两个触头片的电阻之和。导体电阻小可以增加电流的流通能力,减小热损耗,为提高真空开关的大电流导通能力提供有利条件。图6为不同线圈支路数(1/N)时导体电阻R与触头参数的关系曲线。其中,图6a~6c中曲线1,2,3分别对应于1/2、1/3和1/4匝线圈。图6a示出导体电阻R随着触头直径D的增加迅速减小,触头直径由30mm增加到100mm,当N=1/2时,R由101.499μΩ减小至32.704μΩ;N=1/3时,R由50.236μΩ减小至16.061μΩ;N=1/4时,R由33.468μΩ减小至9.592μΩ。图6b示出导体电阻R随着线圈高度h的增加而减小,线圈高度由6mm增加到18mm,当N=1/2时,R由61.559μΩ减小至47.089μΩ;N=1/3时,R由29.945μΩ减少至23.865μΩ;N=1/4时,R由17.523μΩ减少至14.406μΩ。图6c示出导体电阻R随着线圈厚度w的增加而减小,线圈厚度由5mm增加到15mm,N=1/2时,R由70.233μΩ减至41.327μΩ;N=1/3时,R由35.117μΩ减少至21.718μΩ;N=1/4时,R由21.229μΩ减少至11.903μΩ。图6d示出导体电阻R与触头片开槽数m的关系为:当触头片开槽数m与线圈支路数相等(m=1/N)增加至线圈支路数一倍时(m=2/N)导体电阻R增加,例如触头支路数为4,触头片开槽数为8个时的导体电阻R比触头片开槽数为4个时增加了近一倍。图6e示出触头材料采用CuCr25比采用CuCr50的导体电阻R小,当N=1/2,R减小了49%;N=1/3时减小了50%;N=1/4时减小了49%。4开槽数对纵向磁场滞后时间的影响(1)线圈式触头的纵向磁场Bz随着触头直径D和触头高度h的增加而减小,这是由于这两个参数的增大导致线圈中电流密度减小。Bz随着触头开距d的增加而减小,这与开距大时极限开断电流值减小的实验结果相对应。线圈厚度w的变化对Bz的影响非常小,这一结果与文献的结论相符。Bz随着触头片开槽数m的增加而减小,是由于增加触头片开槽数使得触头片中的电流路径变化,使得Bz有所下降,这一结果也与文献相符。触头材料为CuCr25时的Bz与CuCr50时相比非常接近,可见触头材料电导率的变化对纵向磁场影响并不显著。(2)纵向磁场滞后时间t随着触头直径D的增加而增加,是由于触头体积变大涡流增强,导致滞后时间t增加;t随着触头开距d的增加而减小,是因为触头表面的涡流最明显,d增加使得涡流效应减弱;t受线圈高度h与线圈厚度w的变化影响不大,所以在设计触头时,可以不考虑线圈高度和宽度对纵向磁场滞后时间的影响;触头片开槽数m增加一倍时,1/3匝线圈的t略有增加,1/4匝增幅较大,而1/2匝线圈却有所下降,是由于1/2匝线圈开槽数由2槽增加为4槽后有效的抑制了触头片上的涡流,从而使得t有所降低,对于1/3匝和1/4匝线圈来说,由3槽和4槽增加到6槽和8槽后,虽然减小了触头片上的涡流,但同时过多的开槽使得涡流集中在触头中心部分,所以反而增加了开距中心处触头中心点的纵向磁场滞后时间。图7为1/4匝线圈触头片开4槽和开8槽时的涡流分布,从图中可以很明显的看到这一效应。采用CuCr25触头材料时的t要比采用CuCr50触头材料时大,这与CuCr25触头材料的电导率较高,产生的涡流较大有关,而1/2匝线圈结构的t更容易受到涡流的影响,因此造成了1/2匝线圈结构t的增幅比1/3匝和1/4匝线圈大的结果;综合以上结果得出:无论触头设计参数怎样变化,1/2匝线圈的t最大,1/3匝线圈次之,1/4匝线圈最小。这是由于在基本参数下,1/2匝线圈的触头片只开有2个径向直槽,而相同面积的触头片,1/3匝和1/4匝线圈触头片开槽数要多于1/2匝线圈,因此涡电流也相对较小的缘故。(3)导体电阻值R随着触头直径D、线圈高度h和线圈厚度w的增加而减小,这是因为随着这些参数的增加线圈中的电流密度减小。导体电阻R随着触头片开槽数m的增加而增加,这是因为触头片中的电流密度随之增大。采用CuCr25触头材料时的导体电阻R比采用CuCr50触头材料时要小,这主要是因为CuCr25触头材料的电导率大。5相同触头材料在不同分级中.一个好的纵向磁场真空灭弧室触头设计应使得纵向磁场强、纵向磁场滞后时间短以增加其开断能力,还应使回路电阻低以增加其额定电流导通能力。通过分析1/2、1/3和1/4匝纵向磁场真空灭弧室触头设计参数的变化对纵向磁感应强度、纵向磁场滞后时间和导体电阻的影响,得出以下结论:(1)触头直径增加可减小导体电阻,但会降低单位电流产生的纵向磁感应强度,并增加纵向磁场滞后时间;触头开距增加会减少纵向磁场滞后时间,但会减弱纵向磁感应强度;线圈高度增加会减小导