真空灭弧室杯状纵磁触头电磁与机械特性研究

作     者：李东恒 

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 纵向磁场 合闸冲击 疲劳寿命 结构优化 

摘      要：真空断路器作为控制和保护设备广泛应用于中压配电系统中,对电网系统的正常运营有着重要影响。真空灭弧室作为断路器的熄弧与通流单元,其工作性能对断路器的综合性能有着决定性影响。近年来随着对SF气体的使用限制以及磁控技术在真空灭弧室触头结构设计上的广泛应用,向着高电压、大容量等级方向发展真空开关已成为该行业研究人员的共识。因此为使触头在自身体积保持不变的前提下能够开断更高等级的电流,有诸多学者针对触头结构对触头电磁场特性影响方面进行了大量研究工作。但是影响真空灭弧室工作性能的不仅只有触头的电磁性能,在真空灭弧室合闸过程中,当操动机构合闸冲击速度过大时,触头往往会承受较大的合闸冲击,若触头结构设计不当,经多次合闸操作后,触头极有可能产生疲劳破坏。因此在对触头结构设计时不应仅考虑某一方面的性能使其达到最优,应从综合角度分析触头结构对灭弧室电磁性能及机械性能各方面的影响。为分析灭弧室内部结构对其绝缘性能的影响,本文首先根据经验公式确定了灭弧室的总体结构尺寸,然后搭建了灭弧室二维模型,分析主屏蔽罩对灭弧室电场分布的影响。然后针对主屏蔽罩的厚度、直径以及裙边角度等结构参数进行优化改进;最后分析不同屏蔽罩材料下灭弧室的绝缘性能。为分析触头结构对燃弧期间开距内磁场特性的影响,本文运用虚拟样机技术建立真空灭弧室触头结构三维有限元模型,采用Ansoft Maxwell计算了燃弧阶段弧隙内的磁场分布特性,得到触头结构上电流密度分布、纵向磁场分布以及剩余磁场滞后时间分布。并在此基础上讨论了触头开槽数、触头片开槽长度、杯座旋转角度以及铁芯类型对触头磁场特性的影响。为计算触头在合闸冲击下的机械性能,本文建立了VS1型真空断路器操动机构刚体动力学仿真模型,对断路器合分闸过程中触头的动态特性进行了计算;在此基础上分析了各弹簧参数及触头质量对触头合分闸运动特性的影响;然后建立了杯状纵磁触头三维接触模型,利用非线性显示动力学分析软件LS-DYNA对触头合闸冲击碰撞过程进行了模拟,得到触头结构在合闸冲击作用下各时刻的应力应变;并分析了不同合闸速度、触头簧预压力下触头间碰撞力的变化趋势,从而为降低触头合闸碰撞现象提出相应的改进措施。然后在nCode软件中建立真空灭弧室触头结构疲劳寿命分析流程,通过将应力应变计算结果与nCode软件耦合,预测出触头结构疲劳寿命及其危险区域。同时为避免触头开槽数量,杯状旋转角度等触头结构参数改变而对触头的磁场特性造成影响,本文在此基础上仅通过改变触头支撑盘结构对触合闸冲击下的疲劳寿命进行了优化。最终归纳出真空灭弧室杯状纵磁触头优化设计规律,为实际灭弧室产品设计开发工作提供理论支持。