王耀武

摘 要：本文對(duì)真空開(kāi)關(guān)電器觸頭系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立導(dǎo)電斑點(diǎn)簡(jiǎn)化模型。利用電路原理模擬溫度場(chǎng)研究溫升，得出合閘過(guò)程中觸頭斑點(diǎn)的發(fā)熱特性。仿真中主要研究了觸頭材料、涌流、涌流相位、合閘速度、觸頭彈跳等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：熔焊；觸頭材料；合閘速度；彈跳；涌流

1 概述

觸頭是真空開(kāi)關(guān)電器實(shí)現(xiàn)電路轉(zhuǎn)換的重要部件。使用過(guò)程中，觸頭會(huì)遇到非常復(fù)雜的情況，最嚴(yán)重的損壞是熔焊。本文通過(guò)仿真的方式研究涌流、觸頭彈跳、觸頭合閘瞬間電流相位等因素在觸頭熔焊中的作用大小。

2 觸頭表面模型簡(jiǎn)化

任何經(jīng)過(guò)精細(xì)加工的名義表面，實(shí)際上都是粗糙不平的。本文將觸頭凹凸不平的表面簡(jiǎn)化為布滿全表面的一簇毛刺。電極接觸時(shí)毛刺受到擠壓變形，實(shí)際接觸面積始終為毛刺的頂部，即導(dǎo)電斑點(diǎn)。導(dǎo)電斑點(diǎn)的物理模型簡(jiǎn)單假設(shè)為圓臺(tái)。本文把10kV真空斷路器電極表面的導(dǎo)電斑點(diǎn)集中簡(jiǎn)化為一個(gè)大的導(dǎo)電斑點(diǎn)。

3 仿真研究方法

當(dāng)兩個(gè)觸頭在操動(dòng)機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下開(kāi)始相互接觸時(shí)，在接觸力的作用下觸頭表面發(fā)生壓縮形變，假設(shè)其毛刺的體積不變，并且在毛刺始終保持為簡(jiǎn)單的圓臺(tái)形狀。對(duì)電流加熱作用下電極表面的溫升用有限元法和有限差分法進(jìn)行求解計(jì)算非常困難。本文采用對(duì)熱力系統(tǒng)進(jìn)行電模擬的方法。對(duì)于本文中的電極模型，計(jì)算中將觸頭斑點(diǎn)沿軸向分為很多小的導(dǎo)電單元，它們的厚度呈等比數(shù)列。模擬其電流加熱過(guò)程的電路模型如圖1所示。

Cti（i=1-m）代表每個(gè)導(dǎo)體單元的熱容，其上電壓就等于給導(dǎo)體單元的溫度，Rti（i=1-m-1）代表每?jī)蓚€(gè)導(dǎo)體單元之間的熱阻，流過(guò)其上的電流對(duì)應(yīng)著相鄰導(dǎo)體單元熱傳導(dǎo)的熱流量。Pei表示每個(gè)導(dǎo)體單元因電流加熱而產(chǎn)生的歐姆發(fā)熱功率。

對(duì)上述模擬電路進(jìn)行求解，根據(jù)電路原理，屬于直流電路的瞬態(tài)響應(yīng)求解。本文中的模擬電路中有m個(gè)電容，電路為m階電路，用laplace變換的方法，在復(fù)頻域?qū)﹄娐愤M(jìn)行求解。

4 仿真結(jié)果分析

仿真背景是10kV的真空斷路器，其額定電流為5kA，標(biāo)準(zhǔn)合閘速度為1.0m/s。

4.1 觸頭材料對(duì)觸頭熔焊影響

仿真中涌流為20kA，具體比較情況見(jiàn)圖2。上面三條曲線分別是CuCr25、CuCr30、CuCr40三種觸頭材料的溫升曲線，發(fā)現(xiàn)鉻含量越多，觸頭表面的溫度越高。

4.2 涌流對(duì)觸頭熔焊的影響研究

通過(guò)逐漸增大合閘涌流有效值的方法，計(jì)算出各種情況下觸頭表面導(dǎo)電斑點(diǎn)的溫升狀況，具體見(jiàn)圖3。

4.3合閘速度對(duì)觸頭熔焊的影響研究

在觸頭合閘行程不可變更的實(shí)際條件下，合閘速度是觸頭合閘時(shí)間的決定性因素，具體仿真結(jié)果見(jiàn)圖4。

[圖2 不同材料觸頭合閘過(guò)程中溫升比較]