（检测技术与自动化装置专业论文）在线补偿装置对抑制触头弹跳的作用的研究.pdf

北京邮电大学硕士研究生学位论文 在线补偿装置对抑制触头弹跳的作用的研究 摘要 真空断路器在动静触头闭合或电路短路的瞬时，接触单元之间经 常产生很大的排斥力，对电力接触开关的危害极大。导致低压真空断 路器的快速接触熔焊。这不仅与高的故障电流有关，而且与低压真空 室的小体积，不同的接触单元参数和所需的接触单元形状有关。使用 环形接触面可以使电弧保持在放射状磁场的影响范围内，但这使触头 出现弹跳。在配合接触面中心线不重合的情况下装有平面接触面的真 空电流接触器中也出现了弹跳的现象【l _ 5 】。在实际工作中通常通过增 大接触压力值的方式来克服这个难题，但这将导致开关传动系统尺寸 变得更大，能量也消耗的更多，并且这使得振动系统在闭合情况下变 得更加不稳定。 本论文提出了一种新型的真空断路器结构，该结构可以利用触点 电流在线动态补偿触点压力。这种在线补偿系统由两个一定形状的、 可移动的、导电的极板组成，这两块极板分别固定在电磁驱动机构端 和真空室，工作时彼此之间平行不接触。本文讨论了其工作原理，并 进行了实验验证，结果表明适当调整补偿器的结构参数能有效地抑制 闭合或瞬时浪涌电流引起的触头弹跳，同时减小了闭合触点间的动态 电阻。应用在线触点补偿单元使得触点断开的速度加快了，这有效提 高了其分断可靠性。本文还利用有限元软件a n s y s 计算了补偿单元 的电动排斥力，为补偿单元的参数设计提供了依据。 补偿单元对于大电流的电力开关非常有效。适当地选择其结构和 动力机构，这种补偿装置可以适用于任何一种需要力补偿的开关设 备。 【关键词】：补偿系统弹跳真空断路器 接触开关电动斥力有限元 北京邮电大学硕士研究生学位论文 s t u d yo fo n l i n e c o m p e n s a t i o nu n i te f f e c ti n s u p p r e s s i n gc o n t a c tr e b o u n d s a b s t r a c t h i 曲r e p u l s i v ef o r c ev a l u eb e t w e e nc o n t a c tm e m b e r sa r i s i n gm o s t l y a tc o n t a c tc l o s u r ea n d o ri nt r a n s i e n tu n d e rs h o r tc i r c u i tc o n d i t i o n si sa r e a lh a z a r df o rp o w e rc o n t a c ts w i t c h i tr e s u l t si nf a s tc o n t a c tw e l d i n g f o rv a c u u mc i r c u i tb r e a k e r so fa1 0 wv o l t a g e i ti sr e l a t e dn o to n l yt o h i g h e rv a l u eo ft h ef a u l tc u r r e n t sb u ta l s ot om u c hs m a l l e rd i m e n s i o n so f v a c u u mc h a m b e r sf o rt h el o wv o l t a g ea p p l i c a t i o n s ，d i f f e r e n tc o n t a c tu n i t p a r a m e t e r sa n dr e q u i r e ds h a p eo ft h ec o n t a c tm e m b e r sa sw e l l t h er i n g s h a p e dc o n t a c t sw h i c ha r en e c e s s a r yt o f o r c ear o t a t i n ga r cu n d e r i n f l u e n c eo far a d i a lc o m p o n e n to fam a g n e t i cf i e l dm a k ee x i s t e n c eo fa c o n t a c tb o u n c i n gm u c hm o r er e a l t h er e b o u n d sa r ef o u n da l s oi n v a c u u mc o n t a c t o r se q u i p p e dw i t hf l a tc o n t a c t si nac a s eo fm i s a l i g n m e n t o ft h em a t i n gc o n t a c ts u r f a c e s t oo v e r c o m et h i sp r o b l e mu s u a l l ya n i n c r e a s e dc o n t a c tf o r c ev a l u ei sa p p l i e di np r a c t i c e i ti sn o tar i g h tw a y s i n c e i tr e s u l t si n i n c r e a s e dd i m e n s i o n sa n di n c r e a s e d e n e r g y c o n s u m p t i o no fas w i t c hd r i v i n gs y s t e m ，a n di tm a k e st h ec o n t a c t v i b r a t i n gs y s t e mm u c hm o r eu n s t a b l eu n d e rc l o s u r e i nt h ep a p e ran e ws t r u c t u r eo ft h ed e v e l o p e dv a c u u mc i r c u i tb r e a k e r w i t ht h eo n - l i n ed y n a m i cc o n t a c tf o r c ec o m p e n s a t i o nb ym e a n so ft h e c o n t a c t c u r r e n ti s p r e s e n t e d t h e o n - l i n e c o m p e n s a t i o ns y s t e m i s c o m p o s e do ft w oe s p e c i a l l ys h a p e d ，m o v a b l e ，c u r r e n tc o n d u c t i n gp l a t e s w h i c ha r ef a s t e n e dt ot h ee l e c t r o m a g n e t i cd r i v ea n dt h ev a c u u mc h a m b e r r e s p e c t i v e l y t h e yd i s p l a c ee a c ho t h e ru n d e ro p e r a t i o nw i t hi s o l a t i o n c l e a r a n c e t h ep r i n c i p l eo ft h ec o m p e n s a t o ri sd i s c u s s e d ，w h i c hi sp r o v e d b ye x p e r i m e n t s a sar e s u l t ，t h ec o n t a c tb o u n c e su n d e rc l o s u r ea n d o r u n d e ri n r u s hc u r r e n ti nt r a n s i e n t sa r ee f f i c i e n t l ys u p p r e s s e dw h e nt h e c o m p e n s a t o ra sw e l la ss w i t c hs t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r es e l e c t e dp r o p e r l y a n dt h ed y n a m i cr e s i s t a n c eo ft h ec l o s e dc o n t a c ti sf o u n dt ob ee v e n d e c r e a s e d d u et ot h er e v e r s et h r e s h o l do ft h ec o m p e n s a t o ru n d e r 北京邮电大学硕士研究生学位论文 o p e r a t i o nt h es p e e do fc o n t a c t sa to p e n i n gi si n c r e a s e dw h i c hi n c r e a s e s t h eb r e a k i n ga b i l i t yo ft h es w i t c h m o r e o v e rt h ee l e c t r o m a g n e t i cd y n a m i c r e p u l s i v ef o r c ei sa n a l y z e du s i n gf e m s o f t w a r ea n s y s ，t h er e s u l t sc a n b eu s e df o rt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sd e c i s i o no ft h ec o m p e n s a t i o nu n i t t h ec o m p e n s a t i o nu n i ts e e m st ob et h em o s te f f e c t i v ef o rt h ep o w e r s w i t c h e so fh i g hc u r r e n t s b yp r o p e rs e l e c t i o no ft h es t r u c t u r ea n di t s d y n a m i ci tc a nb er e c o m m e n d e df o rt h ec o n t a c ts w i t c hn e e d i n gf o r c e c o m p e n s a t i o na sw e l l k e yw o r d sl ：c o m p e n s a t i o ns y s t e m v a c u u mc i r c u i tb r e a k e r r e p u l s i v ee l e c t r o d y n a m i cf o r c e b o u n d c o n t a c ts w i t c h f e m 北京邮电大学硕士研究生学位论文 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：扬逮益 日期：竺丝：三：兰芏 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权 书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：殛丛亟 导师躲聋畦：荨： 日期：丝旦! ：型 日期：2 型i ：! ：主! 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 真空断路器的发展概况 1 1 1 概述 自1 9 6 1 年美国g e 公司研制成功第一台真空断路器以来，真空断路器的技 术水平迅速提高，其中，随着新触头结构及材料的研制，真空断路器的开断能 力不断提高，真空断路器作为控制和分配电能用的开关元件越来越广泛地应用 于电力系统，并在中压领域保持着主导地位。 目前，国内外电力系统中使用的中压真空断路器品种繁多，型号众多，其 特点各异，但概括起来，从绝缘角度来讲，有空气绝缘和复合绝缘，从总体结 构上讲，有断路器和机构一体式和分体式( 国内居多) ，从操动机构上讲作为中 压产品主要是电磁机构和弹簧机构。 目前国际上，真空断路器的设计、制造领域里逐步形成了以德国西门子公 司为代表的空气绝缘产品和以a b b 公司为代表的复合绝缘产品的两大派别。西 门子公司的产品有3 a f 、3 a g 及3 a h 等系列产品，其操动机构均为弹簧机构。 从3 a f 到3 a h ，其操动机构在设计上日趋合理，调整环节减少，更有利于提高 初分速度，机构也更加省力，但制造精度要求更高。 a b b 公司的代表产品有v d 4 ，它采用复合绝缘方式，产品结构紧凑，其操 动机构为弹簧储能式。 日本三菱电机v p r 型真空断路器，其灭弧室由一浇注的支架绝缘，该支架 将三相分开，相间距小，结构紧凑，采用弹簧机构驱动，其特点是结构简单， 零部件比老式机构少，采用具有单向离合器的正齿轮机构使储能过程平稳，能 耗低，噪声小。 国内生产的真空断路器归纳起来大致可分为三类：1 ) 芒j l 进技术并国产化的 产品。如z n l 2 1 2 ，引进西门子3 a f ；z n l 8 1 2 ，引进日本东芝公司v k 系列产 品；z n 2 1 1 2 ，引进比利时e i b 公司的产品技术；z n 6 7 1 2 ，引进日本三菱电机 v p r 型真空断路器等。2 ) 在借鉴国外同类产品的基础上开发的产品，如：z n 6 3 1 2 和 z n 6 5 1 2 分别效仿a b b 的v d 4 和西门子3 a h ，其操动机构为弹簧机构， 机构与开关一体，无独立型号。3 ) 自行设计的产品，如：z n l 5 1 2 ，z n 2 8 1 2 ， 第l 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 z n 3 0 1 2 等，其操动机构为电磁机构或弹簧机构，目前以c d l 7 、c t l 7 和c t l 9 型机构较多，机构结构较为复杂，零件数量多，c d 系列通常有约1 2 0 个零件， c t 系列有约2 0 0 个零件，操动机构通过一套或几套四连杆与开关主轴相连( 与 油开关的驱动方式相似) ，传动效率较低。 ”； 本课题将针对4 2 k a 、11 0 0 v 、5 0 h z 具有三相开关机构的低压真空断路器 应用补偿器后进行模拟分析，设计补偿器的结构参数。 崞 1 1 2 真空断路器的可靠性要求 在配电和供电系统中，由于断路器的使用量大面广，操作频繁，可靠性和 免维护的要求更高。因此可靠性的研究开发一直在不断进行着【2 5 】。真空断路器 提高可靠性并达到免维护的途径应从其所具有的基本功h , - , g l 运行条件综合考 虑，主要有以下几个方面： ( 1 ) 高可靠的开断性能。开断能力是断路器最重要的性能之一，因此在灭弧 室的开断性能方面做过大量的研究工作。对于本文涉及的真空断路器，新添加 的电路补偿器使得在触头被瞬时弹开时，能产生一个数值较大的补偿力来使触 头恢复闭合状态，这样，触头表面就不会因为产生电弧而被腐蚀以至于失效损 坏。这大大提高了开断电流和触头寿命。研究开发新的触头材料，采用c u c r 触头材料，改进触头制造工艺，进一步提高灭弧室性能。采用先进的一次封排 工艺，除气彻底，灭弧室寿命长，提高了灭弧室的可靠性、稳定性和一致性。 经过多年的不断研究和开发，目前，真空灭弧室的开断容量和开断能力不断提 高。 ( 2 ) 高可靠的机械性能。按结构，断路器分为操动机构和开关本体两部分。 数十年的断路器发展历史表明，操动机构对断路器的发展有着极大的影响。断 路器的动态性能与所采用的操动技术有很大关系。由于传统操动机构零部件数 量多，传动关系复杂，虽经长期的研究改进，多年的运行经验表明，操动机构、 电气控制和辅助回路的故障率仍占断路器故障的很大比重。从国际、国内的统 计数字来看，断路器的故障中，机械故障占大多数。国际大电网会议组织的国 际调查表明，机械故障高达总故障的7 0 3 ，如包括辅助电器和控制回路，则 为8 9 4 ，成为断路器可靠性的关键问题。因此，在断路器向高电压、大容量、 高可靠性发展的今天，为了满足电力系统对高可靠性的要求，在致力于提高传 统操动机构性能、质量和可靠性的同时，也有必要突破传统意义上的机构动作 原理，研制和发展新的断路器操动机构。可靠性的高低和零部件数量的多少有 直接关系，减少零部件数量将明显提高断路器的可靠性。因此，无论是改进提 高传统操动机构的性能和质量，还是研制新型操动机构，提高可靠性的理论依 第2 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 据首先应为简化机构结构，减少零部件数目。 ( 3 ) 高可靠的绝缘性能。断路器的绝缘性能要考虑工作电压下长期运行和由 于各种因素产生的过电压情况。由于电气设备小型化的要求，使得绝缘结构的 设计在首先满足绝缘性能要求的前提下，采用优化电场结构、利用高性能的绝 缘材料等，达到绝缘高可靠和小型化的目的。 ( 4 ) 高可靠的环境耐受能力。断路器在周围环境各种条件作用下都应可靠工 作。这些条件主要有海拔高度、环境温度、空气湿度、污秽等的影响。在高海 拔条件下，由于大气压力低，空气稀薄，耐压水平降低，散热也差，允许通过 的电流应该减小一些。温度过低会使各种润滑油的薪度增加，影响开关电器的 分、合闸速度：温度过高，可能造成导电部分过热等。对此国家标准都有相应的 规定。另外，还要考虑湿度和污秽的影响。湿度很大，容易引起金属零件锈蚀， 造成开关拒动；绝缘件表面凝露、受潮，绝缘性能下降。沿海地区和重工业集中 地区，空气中污秽严重，容易导致绝缘表面的污闪事故。另外，还有振动等影 响因素。因此，断路器根据使用环境不同和用户使用要求，要能够满足环境方 面的要求。 ( 5 ) 智能化和高可靠的次控制部分。为了满足配网自动化的要求和开关电器 智能化的发展，断路器的二次系统越来越多地采用电子设备和元件，电子控制 系统的电磁兼容性能也受到了极大的关注。为了保证二次控制部分的可靠性， 控制单元的设计应完整正确，应对电子元器件进行优化选择和筛选，制作工艺 精良，应采取有效的抗干扰措施，调试应严格细致等。最后在电磁兼容性能方 面应按国家标准要求通过各项试验。 在断路器的各项性能指标中，断路器的开断性能的可靠性尤为重要，对配 电和供电系统的影响也尤其重大。 这是因为而对大容量输配电设备来讲，在短路情况下电动力经常可以达到 很大的数值，这对电器的性能和结构影响很大。对于断路器的触头系统，在短 时强大电动力的作用之下，动静触头间产生强大的电动斥力，使触头间的的接 触压力显著减少并最终导致动静触头的弹开，而此时由于真空室中仍有少量空 气泄漏进来，这样就会在动静触头间产生电弧，而电弧可以造成触头的熔化或 熔焊而影响触头的继续工作或引起重大事故。 我们知道，在电力系统中根据电路使用和保护的需要，我们并不要求断路 器在线路出现断路时上级开关才需要分段电路，这就需要断路器具有短时耐受 和短延时分段的能力。 带电合闸要求：在实际运行中，有时我们需要断路器能够闭合短路电流， 这同样要求断路器克服触头之间的电动斥力将触头闭合，否则就会出现断路器 第3 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 表面上合上闸了，但是触头在电动斥力的作用下被弹开而燃弧，这样触头就会 被电弧烧毁。 此外，非限流型断路器都有一个固有分闸时间，即从短路电流出现到智能 脱扣器等控制部件检测到有短路电流并发出分闸指令给脱扣装置，脱扣装置从 接到指令到做出反应推动开关本体动作的整个过程都存在一个延时时间。在这 段延时时间里，触头必须保持有足够的压力，否则就有可能造成事故。为了使 触头在出现短路电流时不致熔化或熔焊而造成事故，我们必须使触头之间保持 足够的压力以对抗由于短路电流出现而迅速增加的电动斥力。 本论文所研究的断路器就是针对这种情况所提出的带有补偿系统的新型低 压真空断路器，它在断路器的内部附加了一个补偿器，这个补偿器的主体部分 是藤块相互平行的金属导电片，断路器补偿器的导电片的设计采用通过软连接 的方式来形成其中的电流流向相反。而根据电磁学理论，两个电流流向相反的 导电片之间会产生电动斥力。所以，只要两个导电补偿片的结构尺寸设计适当， 真空灭弧室动静触头之间就可以获得足够的电动力补偿，从而达到过载电流或 短路电流所需足够的触头压力，这样就可以确保断路器在受到短时短路电流所 产生的电动排斥力仍可以安全正常的工作。 1 2 真空断路器结构简介 1 2 1 真空断路器的功能模块 真空断路器作为电气开关的功能应当有：准确无误地合闸，使开关可 靠地保持在合闸位置，准确无误地分闸，使开关可靠地保持在分闸位置， 正确执行操作程序和发出切换信号( 包括指示信号、控制信号和连锁信号) 。 在进行真空断路器结构分析时，无论何种结构形式的断路器均可将其操作 系统分为控制、动力和传动三部分。图1 一l 是真空断路器结构原理示意图。 第4 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图1 1 真空断路器结构原理示意图 在对一个真空断路器进行结构分析时 以下几个单元： ( 1 ) 储能机构单元 基架框内按功能结构模块可划分为 j 该单元完成储能一合闸准备。 ： 真空断路器合闸动力不外乎两方面：储能弹簧或直流电磁机构。由于弹簧 操作机构可使能量传递获得最佳匹配，并使各种开断电流规格的断路器通用同 一种操作机构( 仅仅是选用不同的储能弹簧) ，性能价格比最优。因此，国外较 先进的断路器几乎全为弹簧操作机构。 ( 2 ) 驱动机构单元 本单元的功能是合闸一合闸保持( 锁扣) 一完成合闸动作；分闸一( 脱扣) 一完 成分闸动作。 驱动机构单元主要由四连杆机构或五连杆机构组成。 ( 3 1 主传动单元 主传动单元主要包括断路器主传动轴、绝缘推杆、调节头、连板等。它是 操作机构与真空灭弧室动导电杆之间动力传输的桥梁。 ( 4 ) 辅助单元 诸如分、合闸按钮，分、合状态指示，辅助开关，端子排及断路器必备的 连锁装置等。 需要说明的是上述各功能单元并非截然分开，而是相对独立，如连锁装 第5 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 2 2 永磁机构的结构及动作原理 图1 2 为双稳态永磁操动机构电磁系统的结构示意图。图示处于分闸位 置，动铁心1 上端气隙小，磁阻低；下端气隙大，磁阻高。永久磁铁2 的磁场 主要作用在动铁心的上端。图( a ) 为在此位置时动铁心磁力线的分布图。永久 磁铁的磁力线几乎全部穿过动铁心的上端，产生相应的吸力。该吸力通过传动 零件传至真空灭弧室的动触头上，使其保持分闸状态。 飞蕊，一： 4 ：i f 4 越， ：錾 i 士。l 。 必 0 a 。分闸位置 b 台滴懿岁 1 动铁芯2 永久磁铁3 。台闭线圈4 。分阕线露5 静铁芯 图1 2 永磁机构结构示意图 合闸线圈3 通电后产生磁场，其磁力线主要集中在动铁心的下端，并在上 端与永久磁铁的磁力线相抵消。随着激磁电流的上升，下端吸力增加，上端吸 力减少。当下端吸力大于反力，即线圈电流达到触动值后，动铁心开始向下运 动。图( b ) 为动铁心移动之前磁力线的瞬态分布。当动铁心运动到终端位置时， 位置传感器输出动作信号，切断线圈电流。动铁心位于下端时，其磁力线分布 状况与图( a ) 上下相对称。 1 2 3 永磁机构的控制单元 永磁操动机构的操作控制及故障监测和诊断功能全部由电子控制单元提 供。图1 3 所示为电子控制单元的方框图。 第6 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图l 一3 电子控制单元示意图 1 、逻辑模块2 、电源3 、储能电容器4 ，合闸按钮5 、分闸- , g d 丑 6 、合闸线圈7 、分闸线圈8 、合闸位置检测9 、分闸位置检测 10 、续流二极管1 1 ，充电状态指示1 2 、开关管 电源2 为电子控制单元提供工作电源，也为储能电容器3 提供充电电能： 储能电容器预先储备了足够的能量，在进行合闸或分闸操作时，它向合闸线圈 6 或分闸线圈7 泄放高达数k w 的脉冲电能，使断路器完成接通或分断操作。 每次放电后，它能在数秒钟内被重新充电。 分、合闸线圈的接通与分断由电子半导体器件1 0 进行控制。并联于线圈两 端的续流二极管8 能降低线圈开断时的自感电势，以保证半导体器件不被损坏。 动铁心的位置和电容器的充电状态分别由位置传感器8 、9 和电子电路进行 监测，它们同合、分闸命令一起被送入逻辑模块1 。逻辑模块对这些信号和命 令进行识别，闭锁误操作命令，完成相应的操作。当永磁操动机构异常时，能 给出报警信号。 1 3 真空电弧简介 1 3 1 真空灭弧室组成 真空灭弧室由陶瓷外壳、上下法兰、动静触头、动静导电杆及屏蔽罩组成。 动、静触头分别与动、静导电杆焊在一起。静导电杆与上法兰相焊，上、下法 兰分别与上、下瓷壳封接，上、下瓷壳的中部由屏蔽罩上的金属环封接为一体。 由此而形成一个密封腔，动导电杆在运动时，波纹管压缩或伸长，使腔内保持 第7 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 真空状态垆j 。在动导电杆下端还装有一绝缘的导向套。灭弧室内的气体压力不 高于1 3 3 x 1 0 3 p a f 见图1 - - 4 ) 。 在真空中由于气体分子的平均自由行程很大，气体不容易产生游离，真空 比大气绝缘强度要高得多。当断路器分闸时，触头间产生电弧，触头表面在高 温下挥发出金属蒸气，由于触头设计为特殊形状，在短路电流通过时产生与电 弧平行的纵向磁场，将电弧约束在磁场内，保持其扩散型，并均匀分布在触头 表面，不易集聚，因而电弧电压低，燃弧时间短，触头烧蚀甚微，电弧在电流 自然过零时就熄灭了，触头间的绝缘强度又迅速恢复起来。 真空断路器采用特殊的触头材料，使灭弧室开断能力较高，截流水平较低， 并且有很长的电寿命。 1 3 2 真空电弧的成因 图1 4 真空灭弧室结构图 上盐兰盘 薛静i 也杼 触幽 屏檀蕈 藏艘镣 下挂兰盘 静向簦 亏* 导电杆 在真空环境中，气体非常稀薄，残存气体的电离可忽略不记。一对带电触 头在这种高真空环境中的分离，便会产生真空电弧。真空电弧是这样产生的： 当触头行将分离前，触头上原先施加的接触压力开始减弱，动静触头间的接触 电阻开始增大，由于负荷电流的作用，发热量增加。在触头刚要分离瞬间，动 静触头之间仅靠几个尖峰联系着，此时负荷电流将密集收缩到这几个尖峰桥上， 接触电阻急剧增大，同时电流密度又剧增，导致发热温度迅速提高，致令触头 表面金属产生蒸发，同时微小的触头距离下也会形成极高的电场强度，造成强 烈的场致发射，间隙击穿，继而形成真空电弧【7 j 。真空电弧一旦形成，就会出 第8 页 北京邮电大学砀上研究生学位论文 现电流密度在1 0 4 a c m 2 以上的阴极斑点，使阴极表面局部区域的金属不断熔 化和蒸发，吼维持真空电弧。在电弧熄灭后，电极之间与电极周围的金属蒸气 密度4 i 断r 降直到零，仍然恢复高真空状态。 1 3 3 真空中电弧的形式 真空中的电弧有茼种形式，扩敝形电弧和收缩形电弧。 1 3 3 1 扩散型真空电弧 当真空电弧电流不大时，阴极斑点将不停地运动，通常是由电极中心向边 缘运动。当阴极斑点到达边缘，等离子锥便弯曲，接着阴极斑点就突然熄灭， 在电极中心又会继续不断地产生新的阴极斑点。如果电流保持不变，阴极袁面 存在的阴极斑点数基本上维持不变。当电弧电流增大或减小时，阴极斑点也随 之增加或减少。这种存在许多阴极斑点的真空电弧，随着阴极斑点的运动不断 地向【r q 周扩散，所以叫扩散型真空电弧1 8 i 。 图l5 扩散形电弧和收缩形电弧 1 3 3 2 收缩型真空电弧 若用铜作电极，当电弧电流增加超过1 0 0 0 0 a 时，电弧的外形将突然发生 变化，阴极斑点不再向四周作扩散运动，而是相互吸引，结果所有的两极斑点 都聚集成一个斑点团，阴极斑点团的直径可达卜2 c m 。此时阳极上出现了阳极 斑点，阴极表面和阳极表面均有强烈的光柱，阴极光柱与阳极光柱自出地向电 极的四周扩散成为数条连续的闪光，有时偶尔也与电极平行。真空电弧一旦聚 集，阴极斑点与阳极斑点便不在移动或以很缓慢的速度运动，阳极和阴极表面 被局部强烈加热，导致严重熔化，这种真空电弧叫做收缩型真空电弧。 任何一种真空电弧对真空灭弧室的灭弧及其电气寿命均有重大不良影响。 第9 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 4 真空断路器在线补偿原理 一- 。i l h - 一一， 。_ ! l 一一j2 图1 6 真空断路器在线补偿原理图( 单相) 1 一电磁驱动端，2 一在线补偿系统，3 一真空室( p “电磁驱动力；p p ：一分别为 轴向电动斥力和机动弹簧的恢复力，p 。一大气压力，f o 一触点压力，f 。，一辅助触点压力，f 。 一补偿力( 补偿单元由于通以负载电流i 。而产生的电动力) ；l ，a 一分别为补偿极板的宽 度和其之间的距离) ，x - ，xz ，x s ，x t 一所指部件的位移方向 对于闭合式开关，负载电流流经触头和串联在一起的补偿极板由于导电极 板问存在电动力的作用，当适当调整补偿器和开关结构参数后，可以有效地抑制 闭合时或瞬时浪涌电流引起的触头弹跳 第1 0 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 5 本论文的背景、内容及意义 1 5 1 本论文的背景 由于城市电网的发展，配电变压器容量增大，对低压开关电器提出了高性 能、低能耗、小型化要求。开关电器小型化有两种含义，一方面是电器本身的 尺寸要小，另一方面是减少喷弧距离或实现“无飞弧”以缩小安装这种电器的开 关柜尺寸。真空断路器是一种以气体分子极为稀少，分子间的平均自由行程很 大，电子与分子相碰撞的机会极少，绝缘强度很高的真空空间为熄弧介质的新 型断路器。 真空断路器的触头多为对接式结构，当接触负载时接触元件间的电动排斥 力是非常重要的，尤其是在短路的瞬间这种电动排斥力非常大，在分合操作中 可能产生不同程度的反弹现象。不论分闸反弹还是合闸反弹都会给运行带来危 害。 真空断路器的合闸速度过低时，会由于预击穿时间加长，而增大触头的磨损量。 又由于真空断路器灭弧室一般采用铜焊工艺，并且经高温下去气处理，所以它 的机械强度不高，耐振性差。如果断路器合闸速度过高会造成较大的振动，j 丕 会对波纹管产生较大冲击力，降低波纹管寿命。通常真空断路器的合闸速度为 0 6 2 m s 。对一定结构的真空断路器有着最佳合闸速度。真空断路器断路时的 燃弧时间短，其最大燃弧时间不超过1 5 个工频半波，并要求电流第一次过零 值时，灭弧室要有足够的绝缘强度，通常希望断路时在工频半波内触头的行程 达到全行程的5 0 8 0 ，为此，需要严格控制断路器的分闸速度。此外，要 求真空断路器的分闸缓冲器与合闸缓冲器有较好的特性，尽量减轻分闸或合闸 时的冲击力，以保证真空灭弧室的使用寿命。 为了消除或减弱接触元件间的电动排斥力，我们在不同的负载电流下进行 了实验，最大实验负载电流为4 2 k a ，实验结果表明：可以通过利用触点负载本 身的电动排斥力成功地抑制闭合时的触点弹跳或浪涌电流通过时的触点弹跳， 提高开关的可靠性。通过计算机仿真可获得产品设计的可行性方案，即保证设 计方案满足所制定技术条件的要求，为此，我们应用辅助分析软件a n s y s ，构 造其物理模型，适当调整补偿器和开关动力机构的结构参数，在计算机上模拟 得到最佳参数，实现在线补偿。 第1 1 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 5 2 工作内容 基于以上背景分析，本论文的主要工作有： l 、断路器结构运动分析 介绍了添加补偿器后，断路器四大模块及其关键元件所起的作用，分析了 补偿器的运动过程，真空断路器添加补偿器前后，真空室动静触头从闭合，临 界到断开的断路器的运动过程。 2 、实验分析浪涌电流通过时补偿单元的作用 当接通负载时接触元件间的电动排斥力是非常重要的，尤其是在短路的瞬 间这种电动排斥力非常大，使接触元件分离，产生电弧，损坏电力开关。本文 针对新型真空断路器利用触点电流在线动态补偿触点压力抑制触头弹跳的原 理，对4 2 k a 、1 1 0 0 v 、5 0 h z 的三相开关结构进行实验验证。 3 、实验分析开关闭合和断开时补偿单元的作用 根据添加补偿器后接触单元沿主轴的受力分布，发现补偿单元不但在浪涌 电流通过时抑制触头弹跳，而且在开关闭合和断开时也有力的作用，本章对补 偿单元的作用进行了实验分析。 4 、补偿单元电动斥力的有限元模拟 分析导体的电动斥力，对圆截面导体可以按照已有的公式计算，对其他截 面形状导体，当导体截面尺寸较大，导体间距离又很近时，需要考虑导体本身 截面大小、形状的影响，目前没有具体的理论计算1 9 。本章主要通过有限元分 析软件a n s y s 计算典型形状( 长方体) 补偿极板的电动斥力，得出电动斥力 随极板的长、宽、厚，板间距和电流的变化曲线，为设计补偿极板的参数提供 依据。 1 5 3 本论文的意义 本论文完成后，会对真空断路器的接触故障有一个更清醒的认识，同时提 出了抑制触头弹跳的方案，有效地提高了真空断路器的性能。主要体现在以下 几个方面： l 、添加补偿单元后，对断路器从闭合到工作，再到断开的过程进行了运动过 程分析。 2 、 有瞬时短路电流时，补偿单元对断路器触头的作用，有效的抑制了触头的 第1 2 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 弹跳，证明了补偿单元的可行性。 3 、 触头闭合时，补偿单元能加速闭合速度，增大了触头问的压力，减小了接 触电阻。 4 、 通过有限元计算，能选择合理的补偿单元的结构参数，为不同形状的补偿 极板电动斥力的有限元计算提供了思路。 第1 3 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章有限元分析方法( f e m ) 简介 在这一章里，将简要地对目前工程上大量使用的有限元方法做一个简要的 介绍。在此基础上，还将简要介绍一下本课题将要使用的大型有限元软件 a n s y s 。? 2 1 有限元法概述 有限元法是求解数理方程的一种数值分析方法，是解决工程实际问题的一 种有力的数值计算工具，最初这种能方法被用来研究复杂的飞机结构中的应力， 它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机地结合在一起的一种数值分析技 术；后来由于这一方法的灵活、快速和有效性，使其迅速发展成为求解各领域 ( 固体力学、生物力学、流体学、电磁场，温度场、声场) 的数理方程的一种 通用的近似计算方法【9 。目前，它在许多学科领域和实际工程问题中都得到广 泛的应用，因此，在工科院校和工业界受到普遍的重视【l 。 在求解工程技术领域的实际问题时，建立基本方程和边界条件还是比较容 易的，但是由于其几何形状、材料特性和外部载荷的不规则性，求得解析解却 是很困难的。因此，寻求近似解法就成了必由之路。经过多年的探索，近似算 法有许多种，但常用的数值分析方法就是差分法和有限元法。 差分法计算模型可给出其基本方程的逐点近似值( 差分网格上的点) ，但对 于不规则的几何形状和不规则的特殊边界条件差分法就难于应用了。 有限元法把求解区域看作由许多小的在节点处互相连接的子域( 单元) 所 构成，其模型给出基本方程的的分片( 子域) 近似解l l 。由于单元( 子域) 可 以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、 复杂的材料特性和复杂的边界条件。再加上它有成熟的大型软件系统支持，使 其成为一种非常受欢迎的、应用极广的数值计算方法。 “有限元”这个名称，第一次出现在1 9 6 0 年，当时c l o u g h 在一篇平面弹 性的论文中应用过它。但是有限元分析的概念却可以追溯到2 0 世纪4 0 年代。 1 9 4 3 年，c o u r a n t 第一次在他的论文中，取定义在三角形域上的分片连续函数， 利用最小势能原理研究了s t v e n a n t 的扭转问题。然而，此方法进展很慢，几乎 过了十年才再次有人用这些离散的概念。1 9 5 6 年t u r n e r ，c l o u g h ，m a r t i n 和t o p p 等人，在他们的经典论文中第一次给出了用三角形单元求得的平面应力问题的 真正解答。他们利用弹性理论的方程求出了三角形单元的特性并第一次介绍了 今天人们熟知的确定单元特性的直接刚度法。他们的工作随当时出现的数字计 第1 4 页 北京邮电大学硕十研究生学位论文 算机一起打开了求解复杂平面弹性问题的新局面。 在1 9 6 0 年c l o u g h 进一步处理了平面弹性问题后，工程师们开始认识了有 限元法的功效，此后有限元法在工程界获得了广泛的应用。到了2 0 世纪7 0 年 代以后，随着计算机和软件技术的发展，有限元法也迅速地发展起来，发表的 文章犹如雨后春笋，学术交流频繁，期刊、专著不断出现，可以说进入了有限 元的鼎盛时期，对有限元法进行了全面而深刻的研究。涉及的内容有：有限元 法在数学和力学领域所依据的理论：单元划分原则，形状函数的选取及协调性； 有限元法所涉及的各种数值计算方法及其误差、收敛性和稳定性；计算机程序 设计技术；向其他领域的推广等。 到目前为止，有限元法已被应用于固体力学、流体力学、热传导、电磁学、 声学、生物力学等各个领域，能求解有杆、梁、板、壳、块体等各类单元构成 的弹性( 线形和非线形) 、弹塑性或塑性问题( 包括静力和动力问题) ；能求解 各类场分布问题( 流体场、温度场、电磁场等的稳态和瞬念问题) ；还能求解水 流管路、电路、润滑、噪声以及固体、流体、温度相互作用的问题。 有限元程序发展也很快，我国已引进的主要程序有：s a p 5 ，s a p ，s a p 8 4 ，1 。 s u p e rs a p ，a d i n a ，a d i a n t ，a n s y s ，m s c n a s t r a n ，a s k a 等。所有= 这些对有限元法的普及与应用必然起到很大的促进作用。 。j 篁 。 、 2 2 电磁场有限元分析理论简介 。 - f 2 2 1 前言 a n s y s 程序可用来分析电磁场的多方面问题，如电感、电容、磁通量密度、 涡流、电场分布、磁力线、力、运动效应、电路和能量损失等。可用于有效地 分析下面所列的各类设备： 电力发电机 变压器 螺线管传动器 电动机 磁成像系统 图像显示设备传感器 回旋加速器 第1 5 页 磁带及磁盘驱动器 波导 谐振控 开关 天线辐射 滤波器 等离子体装置 北京邮电人学硕士研究生学位论文 磁悬浮装置 电解槽 a n s y s 磁场分析的有限元公式由磁场的m a x w e l l 方程组导出，通过将标量 势或矢量势引入m a x w e l l 方程组中并考虑其电磁性质关系，用户可开发出适合 有限元分析的方程组。 a n s y s 程序的其它一些功能增强了程序的电磁分析的能力和灵活性。例 如，用户可方便地选择m k s ，c g s 或其他一些单位制作为电磁场分析地单位制。 作为标准的f r o n t a l 求解器的替代，p c g i c c g 和j c g 迭代求解器非常适用于求 解电磁场问题，提供了磁场问题的快速解法。使用二维和三维无限边界单元， 则不需要建立环绕电磁设备的无限介质( 如空气) 的大模型，从而可以采用更 小的模型，同时降低了对计算机资源的需求。 a n s y s 程序提供了丰富的线性和非线性材料的表达方式，包括各向同性或 正交各向异性的线性磁道率，材料的b h 曲线和永磁体的退磁曲线。后处理功 能允许用户显示磁力线、磁通密度和磁场强度并进行力、力矩、源输入能量、 感应系数、端电压和其它参数的计算。 a n s y s 程序的电场分析功能可用于研究电场三个方面的问题：电流传导、 静态分析和电路分析。感兴趣的典型物理量包括电流密度电场强度电势分布电 通量密度传导产生的焦耳热贮能力电容电流以及电势降等。 使用通用a n s y s 程序进行电磁场有限元分析的主要优点之一是耦合场分 析功能。磁场分析的耦合场载荷可被自动耦合到结构、流体及热单元上，此外 在对电路耦合器仟阴电磁场分析时，电路可被直接耦合到导体或电源，同时也 可计及运动的影响。 2 2 1 1 在电磁场分析中要计算的量 电磁场的来源主要有：( 1 ) 电流；( 2 ) 外加磁场；( 3 ) 永磁体。a n s y s 程序在电 磁场分析中要计算的量包括( 1 ) 磁通密度；( 2 ) 能量损耗；( 3 ) 磁场强度；( 4 ) 磁漏； ( 5 ) 磁力及磁矩：( 6 ) s 一参数；( 7 ) 阻抗；( 8 ) 品质因子；( 9 ) 电感；( 1 0 ) 反射波损耗； 涡流；特征频率。 2 2 1 2 电磁场分析中维数的确定 根据电磁场问题的特点，可分别选用二维( 2 d ) 分析或( 3 d ) 分析 2 d 平面分析适用于：( 1 ) 忽略终端效应；( 2 ) 模型位于x y 平面；( 3 ) 电流方向只沿 x y 面的法线方向( z 方向) ；( 4 ) 磁场只具有x y 面内的分量。 2 d 轴对称分析适用于：( 1 ) 模型位于x y 平面；( 2 ) 磁场只具有x y 面内的分 量。 当要计算的设备不具有对称性、电流不只沿着一个方向流动或可描述2 d 第1 6 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 分