横磁场作用下的电弧横切横电触头

横磁场作用下的电弧横切横电触头

目前，真空发射室的接触头主要包括纵向阐明头和纵向阐明头。纵磁干燥室的真空弧室可以有效地将弧室控制为扩散型，因此它具有较强的开断性，便于减小弧室的尺寸。然而,这种真空灭弧室具有工艺比较复杂、成本较高、触头线圈易于变形、制造大额定电流灭弧室较困难等不足。横向磁场触头是利用横向磁场产生的磁吹力驱使电弧运动以防止电弧表面熔化,其开断能力在小开距时优于纵向磁场触头。横向磁场触头间隙磁场分布以及产生的横向磁吹力对横磁触头的开断电流性能有重要影响,为此本文以横磁场触头为研究对象,对横向磁场以及磁吹力进行计算分析和比较,目的是为横磁触头的研究应用提供参考。1螺旋槽内触头及电流流场分析横磁触头主要有螺旋槽型触头和杯状型触头两种。图1为两种横磁触头及电流流向的示意图,其中(a)为弧形缝隙螺旋槽型触头,(b)为杯状型触头。由上面标定的电流流向可知,电流在触头间产生横向磁场,从而驱使电弧高速旋转以防止电弧表面熔化,达到熄弧目的。1.1新型主体结构参数设置螺旋型横磁触头模型主要包括直线缝隙结构和弧形缝隙结构两种触头。直线缝隙螺旋槽型触头开槽形状和结构参数见图2所示,其中(a)为触头立体结构示意图,给出了触头直径、触头厚度等结构参数;(b)是触头平面示意图,给出了弧柱直径、开槽宽度、导电杆直径等结构参数,同时(b)也给出了本文对此种触头所要仿真的电弧位置,电弧位置坐标分别为:位置1(16,-6)、位置2(14,-21)、位置3(-7,-25)。图2与图3中所标示触头结构参数的单位为毫米。弧形缝隙螺旋槽型触头开槽形状和结构参数见图3所示,其中(a)为触头立体结构示意图,同时给出了结构参数;(b)是触头平面示意图,除给出了弧柱直径等结构参数外,也给出了此种触头仿真的电弧位置,电弧位置坐标分别为:位置1(7,-15)、位置2(15,-21)、位置3(26,0)。1.2模型及其材料图4为杯状型横磁触头的结构图并且标定了结构参数,长度参数单位为毫米,电弧直径为6mm。本文采用Maxwell3D在建模过程中,几种模型的触头所附材料均为CuCr50合金材料,导电杆为纯铜材料;电流有效值均为20kA;触头开距均为10mm;并将触头模型和电弧设置涡流效应。边界为将模型置于中心的长方体(均大于触头模型的6倍),能量误差小于1.5%;坐标系的原点取为触头开距中心平面与触头模型轴线的交点。2模拟结果和分析2.1电弧在磁吹力的基础上的稳定性本文通过改变触头间电弧所处位置,来观察各种位置下电弧受到的磁吹力大小和方向。本文对两种螺旋槽型横磁触头分别选择了三个不同位置并计算了电弧在此位置受到的磁吹力。2.1.1磁吹力的变化仿真的直线状缝隙螺旋槽型触头电弧所处位置见图2(b),图5,图6和图7依次分别给出位置1、位置2、位置3处的x-y平面内磁场的分布情况。经过计算,电弧在这三个位置上受到的磁吹力如表1所示。从表1可以看出,位置3的磁吹力最大,位置2次之,而磁吹力在位置1即在凸起圆环上时受到的磁吹力最小。磁吹力的变化和磁场感应强度的变化趋势相同,即在凸起圆环上(位置1)时,电弧处磁场感应强度最小,受到的磁吹力也最小。磁吹力作用使电弧离开圆环,向触头的外缘运动,把电弧推向开有螺旋槽的触头表面。当电弧位于触头外缘时(位置2、位置3),磁吹力比电弧在圆环上时大。弧柱受到的磁吹力可分为两个分量,其中径向分量使电弧朝触头外缘移动,切向分量使电弧在触头表面沿切线方向运动。在磁吹力的作用下电弧在触头外缘上作圆周运动,而且在电弧运动过程中,越靠近开槽处其受到的磁吹力则越大,即从位置2到位置3处,电弧在这个运动过程中被熄灭。2.1.2螺旋槽型触头弧形缝隙螺旋槽型触头电弧所处位置见图3(b),图8,图9,图10依次分别为位置1、位置2、位置3处的x-y平面内磁场的大致分布情况。同样经过计算,电弧在这三个位置上受到的磁吹力情况如表2所示。分析可得弧形缝隙的螺旋槽型触头的横向磁吹力大小随位置的变化规律与直线状缝隙的螺旋槽型触头相似,从在凸起圆环上产生电弧开始,横向磁吹力作用于电弧,起始值较小,使电弧向凸起圆环的外侧运动。当电弧移动到跑弧面上两螺旋线之间时,在磁吹力作用下电弧向触头外缘运动,磁吹力逐渐变大,且由径向和切向两个方向的分量组成,最后使电弧在触头外缘上作旋转运动直至电弧熄灭。两种触头结构的仿真计算中,所取三处电弧位置分别对应,具有近似的特点,如,两触头的位置1均取在凸起圆环部分,即电弧起始产生的位置;位置2电弧则放在触头跑弧面且两开槽叫中间的位置;而位置3电弧建立在触头外缘接近开槽的地方。同时触头对应的结构参数也一样。所以文中的这两种触头结构磁吹力的计算结果具有一定的可比性。从表1和表2数据可知,在相同材料和参数条件下,电弧在直线状缝隙结构的螺旋槽型触头中,所受到的横向磁吹力比弧形缝隙结构的大,这有利于电流的开断。2.2相关参数的变化对杯状横磁头结构的磁强的影响2.2.1不同位置电弧磁吹力的变化规律在杯指的倾斜角θ=30°开槽数为16的杯状横磁触头表面上取五个点,如图11所示。位置1(22,0)、位置2(24,0)和位置3(26,0)有相同的纵坐标,可以据此电弧在径向位置的变化,分析磁吹力的变化规律。位置2(24,0)、位置4(24,4)和位置5(24,7)有相同的横坐标,考察的是电弧在切向位置的变化,并以此分析磁吹力的变化规律。表3和表4分别为电弧径向位置变化和切向位置变化受到的磁吹力。由表3可知:电弧从位置1经位置2,移动到位置3的过程中,受到的磁吹力作用变大,磁吹力的作用使得电弧在触头的端部作圆周运动。从表中还可以观察到,当电弧在触头上由内缘向外缘作径向移动时,电弧所受到的磁吹力的径向分量增大比较明显,磁吹力切向分量变化不大。电弧越靠近触头端部的外缘,则受到的横向磁吹力越大。由表4可见:从位置2到位置5的过程中受到的磁吹力作用变大。当电弧在触头上由内缘向外缘作切向移动时,电弧所受到的磁吹力的切向分量增大比较明显,磁吹力径向分量变化不大。电弧越靠近触头开槽的位置,则受到的横向磁吹力越大。2.2.2不同工区电弧受力杯指的倾斜角分别取θ=20°和θ=30°时使得触头开槽数发生变化,观察触头间电弧受到横向磁吹力的变化情况。取电弧中心位置坐标为(24,0),见图11位置2所示。电流仍为20kA。不同杯指倾角下开槽数分别为12,14,16。表5为不同参数下电弧的受力情况。图12为电弧受力随开槽数的变化曲线,两条曲线的杯指倾角分别为20°和30°。由表5和图11可知:电弧受到的磁吹力大小随着开槽数的增加而增大,所受的磁吹力大小随杯指倾斜角增大而减小。3两种旋转槽型触头的比较本文利用有限元方法对螺旋槽和杯状两种类型的横磁触头进行了仿真计算,对得到的磁吹力结果进行分析和比较,得到以下结论:(1)直线状缝隙结构和弯曲状缝隙结构两种螺旋槽型触头