新型复合式触头真空灭弧室磁场与温度场仿真研究

作     者：温超阳 

作者单位：大连交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董华军

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：真空灭弧室 开断特性 温度场 有限元 

摘      要：12k V等级真空灭弧室由于其体积小、开断能力强在中压领域有着广泛应用,目前正在向小型化高电压大电流方向发展。如何通过改变其触头结构,实现对高压电弧的有效调控,优化其开断能力,是该领域的研究热点之一。而小型化容易造成内部,特别是触头部分温度过高,降低使用寿命,因此,准确模拟其内部温升情况变得尤为重要。为此,本文提出一种新型复合式触头结构,利用有限元法对其进行磁场与温度场仿真分析。本文利用Solidworks建立12k V真空灭弧室样机模型,再运用有限元分析软件Ansys Workbench,对样机模型分别进行磁场仿真与温度场仿真,结合分析结果,对真空灭弧室模型进行优化设计。首先对建立的杯状纵磁、卐字复合式、斜槽复合式及螺旋复合式4种触头模型进行磁场仿真,对比杯状纵磁与其他三种复合式触头结构的磁场特性,结果表明:卐字复合式触头拥有良好的磁场特性。然后对卐字触头结构进行响应面试验分析及多目标优化设计,得出此种结构在磁场特性最优情况下的具体参数:杯指旋转角为110°、杯指水平夹角为20°、开槽长度25mm、开槽角度0°、横磁触头直径30mm。对卐字复合式触头结构,将单向与双向磁热耦合条件下真空灭弧室温升变化情况进行对比,并研究负载电流、环境温度和对流系数对灭弧室温度场的影响。结果表明:(1)材料温度特性对真空灭弧室温升具有重要的影响,仿真采用磁热双向耦合更接近实际温升变化;(2)当承载的电流变大时,灭弧室的温升也随之升高,二者近似呈线性关系;当真空灭弧室所处环境温度变大时,其温升也会升高,且二者呈线性关系;当对流系数变大时,真空灭弧室温升会降低。最后,本文针对真空灭弧室接触故障情况下的温度场进行了仿真,得到了各零件的温升时变曲线以及接触故障条件下的温升分布情况。结果表明:(1)仅触头处接触故障时,最高温度为134.92℃,位于两触头接触处,除下导电铜排外,其他零部件温升均超过65K;(2)下导电铜排接触故障时,最高温度为102.04℃,位于软连接与下导电铜排接触处,只有上导电铜排的温升低于65K,其余零件温升大于65K;(3)上导电铜排接触故障时,最高温度为104.43℃,位于故障点静导电杆与上导电铜排接触处,下导电铜排和软连接的温升低于65K,其余零件温升严重;(4)两铜排均接触故障时,最高温度出现在触头接触处,数值为122.61℃且整个导电回路温升均超过65K;(5)触头与铜排均接触故障时,最高温度位置发生在触头接触处,数值为196.39℃,导电回路发热最严重。