摘要: 本文对杯状纵磁真空灭弧室触头的一些设计参数对间隙中纵向磁场滞后时间的影响进行了分析。用有限元法对杯状纵磁触头简化的轴对称模型涡流场进行的分析结果表明，开距从10mm 减小到1mm 时纵向磁场滞后时间线性增加；触头直径从75mm 减小到25mm 时纵向磁场滞后时间单调递减；触头片厚度从3mm 增加到6mm 时纵向磁场滞后时间线性增加；触头材料从CuCr50 变到CuCr25 时纵向磁场滞后时间增幅显著；杯臂厚度在5mm 到12mm 和杯高度从14mm 到24mm 范围内对纵向磁场滞后时间几乎没有影响。
关键词：真空灭弧室；磁场滞后时间；触头；涡流；真空电弧
中图分类号：TM561 文献标识码：A
1 引言
真空开关是一种性能卓越的开关设备，它的电流开断是在其关键部件真空灭弧室中完成的。先进的真空灭弧室是保证真空开关性能优异的重要因素。真空灭弧室可利用电流在触头中流动所产生的横向磁场或纵向磁场来控制真空电弧。所以触头设计是真空灭弧室设计中至关重要的环节。设计一个比较理想的真空灭弧室，必须了解设计参数对真空灭弧室工作特性的影响，然后才能给出满足要求的设计参数。对于纵向磁场触头，由于涡流效应，间隙中的纵向磁场一般滞后于电流，而设计时希望纵向磁场滞后时间尽量短，这样，一是有利于真空电弧在电流过零时的扩散，二是触头打开时纵向磁场能尽快作用在真空电弧上避免电弧集聚时间长。
纵向磁场的滞后效应已引起了真空灭弧室研究设计人员的重视。如两极式纵向磁场触头[1]，铁芯式两极纵向磁场触头[2]，以及线圈式纵向磁场触头[3]的研究中都考虑了纵向磁场滞后时间的因素。关于杯状纵磁触头的三维纵向磁场和触头片中涡流已有报道[4]，其触头片表面中心点纵向磁场滞后于电流的电角度也可求出[5]，但杯状纵磁真空灭弧室触头设计参数对纵向磁场滞后时间的影响还没有相关报道。杯状纵磁触头中心位置在电流过零时的磁感应强度最强且纵向磁场滞后时间相对较大。本文以触头中心处开距中心点位置的纵向磁场滞后时间为考察点，得到在杯状纵磁真空灭弧室中触头设计参数对纵向磁场滞后时间的影响。
2 有限元模型
本文中考虑的杯状纵磁触头的结构如图1(a)所示。触头共有6 个杯指，杯指与水平面夹角为27度。每个杯指旋转90度。触头片上有6 个径向直槽。电流在杯指中流动时产生与电弧弧柱轴向方向一致的纵向磁场。触头设计参数为：开距10mm，触头直径75mm，杯壁厚8mm，杯高18mm，触头片厚4mm，触头材料CuCr50（电导率为1.044e7S/m）。交流电流频率为50Hz。在考虑某一参数对纵向磁场滞后时间的影响时，其他参数保持不变。在分析中采用图1(b)所示轴对称模型进行简化，杯指等效为线圈，杯指中电流折算成线圈中电流。计算时取电流为1000A 有效值，边界条件取无穷远边界条件。
本文采用Ansoft 公司的Maxwell SV 软件对图1(b)所示的轴对称模型进行了涡流场有限元分析。由于该软件采用了自适应网格剖分技术，计算误差可减小到任意指定值。本文计算中能量误差小于1%。
3 触头设计参数对纵向磁场滞后时间的影响
3.1 开距对纵向磁场滞后时间的影响
开距从1mm 变到10mm，步长为1mm，其它设计参数不变，得到触头开距对纵向磁场滞后时间的影响如图2 所示。当开距从10mm 减小到1mm 时，纵向磁场滞后时间从开距中心处的0.66ms 线性增加到0.857ms。这说明：1）燃弧期间开距变化的过程中纵向磁场滞后时间不同。2）触头刚分开时的纵向磁场滞后时间比满开距时要长，即纵向磁场作用在刚刚引燃的集聚型电弧的滞后时间比满开距时测得的时间要长。触头直径75mm，杯壁厚8mm，杯高18mm， 触头片厚4mm，触头材料CuCr50（电导率为
1.044e7S/m）。
图2 纵向磁场滞后时间与触头开距的关系
3.2 触头直径对纵向磁场滞后时间的影响
触头直径从25mm 变到75mm，步长为10mm，其它设计参数不变，得到触头直径对纵向磁场滞后时间的影响如图3 所示。触头直径从75mm 减小到25mm 的过程中纵向磁场滞后时间单调减小，75mm 到35mm 范围内纵向磁场滞后时间线性地从0.66ms 减小到0.23ms，最后减小到25mm 时的0.21ms。真空灭弧室有小型化的发展趋势，真空灭弧室的小型化使触头直径趋于减小，这有利于纵向磁场滞后时间减小。
图3 纵向磁场滞后时间与触头直径的关系
杯壁厚8mm，杯高18mm，开距10mm，触头片厚4mm，触头材料CuCr50（电导率为1.044e7S/m）
3.3 触头片厚度对纵向磁场滞后时间的影响
触头片厚度从3mm 变化到6mm，步长为1mm，其它设计参数不变，得到触头片厚度对纵向磁场滞后时间的影响如图4 所示。当触头片厚度从3mm 增加到6mm 时，纵向磁场滞后时间从0.52ms 线性增加到0.91ms。为了减小纵向磁场滞后时间，可适当减小触头片厚度。
图4 纵向磁场滞后时间与触头片厚度的关系
触头直径75mm，杯壁厚8mm，杯高18mm，开距10mm，触头材料CuCr50（电导率为1.044e7S/m）。
3.4 触头材料电导率对纵向磁场滞后时间的影响
取2 种触头材料CuCr50（电导率1.044e7S/m）和CuCr25（电导率3.4e7S/m）。其它设计参数不变。图5 示出触头材料电导率对纵向磁场滞后时间影响很大，电导率增加时纵向磁场滞后时间增幅显著。触头材料为CuCr50 时，纵向磁场滞后时间0.66ms；触头材料为CuCr25时，纵向磁场滞后时间为2.00ms。这是由于触头材料电导率增加后涡流幅值增大的缘故。
图5 纵向磁场滞后时间与触头材料电导率的关系
Fig.5 Relationship between phase shift time and conductivity of contact material
触头直径75mm，杯壁厚8mm，杯高18mm，开距10mm，触头片厚4mm
3.5 线圈厚度对纵向磁场滞后时间的影响
杯壁厚度从5mm 增加到12mm，步长为1mm，其它设计参数不变。如图6 所示，线圈厚度对纵向磁场滞后时间影响很小。当线圈厚度从5mm 增加到12mm 时，纵向磁场滞后时间从0.67ms 单调减小到0.63ms。
图6 纵向磁场滞后时间与杯臂厚度的关系
Fig.6 Relationship between phase shift time and coil thickness
触头直径75mm，杯高18mm，开距10mm， 触头片厚4mm，触头材料CuCr50（电导率1.044e7S/m）。
3.6 线圈高度对纵向磁场滞后时间的影响
杯高从14mm 增加到24mm，步长为2mm，其它设计参数不变。如图7 所示，杯高度的变化对纵向磁场滞后时间几乎没有影响。当杯高度从14mm 增加到24mm 时，纵向磁场滞后时间保持在0.66ms 左右，变化很小。因此对于设计人员来说减小纵向磁场滞后时间不用考虑线圈厚度和高度的影响。
图7 纵向磁场滞后时间与杯高度的关系
Fig.7 Relationship between phase shift time and coil height
触头直径75mm，杯壁厚8mm，开距10mm， 触头片厚4mm，触头材料CuCr50（电导率1.044e7S/m）。
4 结论
在本文讨论的杯状纵磁触头结构中，设计参数对纵向磁场滞后时间的影响是：开距从10mm 减小到1mm 时纵向磁场滞后时间线性增加；触头直径从75mm 减小到25mm 时纵向磁场滞后时间单调递减；触头片厚度从3mm 增加到6mm 时纵向磁场滞后时间线性增加；触头材料从CuCr50 变到CuCr25 时纵向磁场滞后时间增幅显著；杯臂厚度在5mm 到12mm和杯高度从14mm 到24mm 范围内对纵向磁场滞后时间几乎没有影响。
参考文献（略）(end)
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