周 陽，鐘積科，樂洪有

(武漢長(zhǎng)海電氣科技開發(fā)有限公司，武漢430064)

基于Ansoft的隔離開關(guān)觸頭電動(dòng)力分析及優(yōu)化

周 陽，鐘積科，樂洪有

(武漢長(zhǎng)海電氣科技開發(fā)有限公司，武漢430064)

隔離開關(guān)是輸變電系統(tǒng)的一個(gè)重要元件，需具備較強(qiáng)的短路電流耐受能力。本文對(duì)某型隔離開關(guān)進(jìn)行了三維有限元分析，計(jì)算了在短路試驗(yàn)電流下各觸指的承載電流及受到的電動(dòng)力，分析了產(chǎn)生電動(dòng)力的原因，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)該型隔離開關(guān)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真計(jì)算與優(yōu)化方案的正確性。

隔離開關(guān) 有限元分析 電動(dòng)力

0 引言

隔離開關(guān)是輸變電系統(tǒng)的一個(gè)重要元件，其主要作用是在需要檢修的部分和其它帶電部分之間形成足夠大的明顯可見的空氣絕緣間隔以保證檢修工作時(shí)的安全。由于其沒有滅弧室，不能開斷負(fù)荷電流和短路電流，需在斷路器斷開后才能動(dòng)作。因此隔離開關(guān)需具備足夠的動(dòng)穩(wěn)定性以保證在短路電流下不因觸頭斥開熔焊而發(fā)生損毀。

某型隔離開關(guān)的觸頭結(jié)構(gòu)三維模型如圖1所示。其靜觸頭采用兩邊對(duì)稱的多觸指結(jié)構(gòu)，動(dòng)觸頭采用可在豎直平面轉(zhuǎn)動(dòng)的刀臂結(jié)構(gòu)。動(dòng)靜觸頭間、靜觸頭與母排間均采用弧面接觸，在靜觸指與其背后的靠板間裝有預(yù)壓縮的彈簧以提供接觸壓力。

該型隔離開關(guān)試驗(yàn)樣機(jī)在進(jìn)行短時(shí)耐受電流試驗(yàn)時(shí)，在135 kA電流下出現(xiàn)了嚴(yán)重的噴弧現(xiàn)象，觸頭部分被嚴(yán)重破壞。本文將對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于Ansoft的仿真計(jì)算分析并尋求合適的優(yōu)化方案。

圖1 隔離開關(guān)觸頭模型

1 計(jì)算方法

在大電流流過觸頭時(shí)，在觸頭回路將產(chǎn)生強(qiáng)大的電動(dòng)力，根據(jù)觸頭的不同結(jié)構(gòu)，該電動(dòng)力可能是吸力也可能是斥力；觸頭中的電流還會(huì)在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)的作用下觸頭周圍的導(dǎo)磁體也會(huì)對(duì)觸頭產(chǎn)生作用力；同時(shí)由于動(dòng)靜觸頭間的實(shí)際接觸面積很小，在接觸區(qū)域附近還會(huì)發(fā)生電流線收縮，使得流經(jīng)動(dòng)靜觸頭的電流反向而產(chǎn)生電動(dòng)斥力，即HOLM力。當(dāng)觸頭間總斥力大于觸頭間吸力與觸頭彈簧提供的預(yù)壓緊力，動(dòng)靜觸頭便會(huì)斥開，引起噴弧現(xiàn)象，損害觸頭結(jié)構(gòu)。

對(duì)于觸頭間的電動(dòng)力，如果將兩觸頭的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為兩相等平行有限長(zhǎng)載流導(dǎo)體的話，可根據(jù)比奧-沙伐定律采用公式（1）進(jìn)行計(jì)算[1]

其中I為流經(jīng)觸頭的電流，l為觸頭長(zhǎng)度，d為觸頭之間的距離。

而對(duì)于HOLM力一般采用公式（2）進(jìn)行計(jì)算

其中r為導(dǎo)電斑點(diǎn)半徑，R為觸頭等效半徑，ξ為觸頭表面情況，F(xiàn)k為觸頭預(yù)壓縮力。

但是對(duì)于實(shí)際開關(guān)，其觸頭一般結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且觸頭周圍磁場(chǎng)相互疊加影響，直接采用公式（1）計(jì)算電動(dòng)力時(shí)的誤差過大。而無論是通過試驗(yàn)驗(yàn)證還是通過有限元分析都證實(shí)了采用公式（2）對(duì)HOLM力計(jì)算的準(zhǔn)確性[2]。因此本文先采用三維有限元法對(duì)隔離開關(guān)進(jìn)行單獨(dú)的電動(dòng)力分析，在得到電動(dòng)力的計(jì)算結(jié)果后再以迭代的計(jì)算方式通過公式（2）求得觸頭間的HOLM力，并將電動(dòng)力、HOLM力以及彈簧力疊加計(jì)算以驗(yàn)證觸頭是否會(huì)被斥開。

譯文：《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》在本周一發(fā)表的研究報(bào)告中指出，那些渴望垃圾食品的人愿為它們付出更多錢，可見這種感受多么強(qiáng)烈。

2 電動(dòng)力的計(jì)算

為了更加準(zhǔn)確的計(jì)算電動(dòng)力，在仿真前將靜觸頭與動(dòng)觸頭板和進(jìn)出線排的接觸面全部改為平面接觸，使得觸頭接觸部位盡量不存在電流線的收縮以排除HOLM力的干擾。簡(jiǎn)化后的觸頭模型和整體模型分別如圖2、圖3所示。

圖2 簡(jiǎn)化后的觸指

根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)要求，在動(dòng)觸頭板端面加載135 kA直流電流，并根據(jù)實(shí)際樣機(jī)情況將左右靠板及前后擋板材料設(shè)置為#45鋼，其它部件材料設(shè)置為銅，并采用自適應(yīng)剖分網(wǎng)格。計(jì)算區(qū)域選擇5倍于工作區(qū)域。

首先對(duì)各觸指的承載電流進(jìn)行計(jì)算分析。圖4為整體模型的電流密度分布，圖5為觸指截面的電流密度分布。

圖3 仿真模型

圖4 模型電流密度分布圖

圖5 各觸指截面電流密度分布圖

從觸指截面電流密度分布可以看出每個(gè)觸指上承載的電流不相等，為了對(duì)更為準(zhǔn)確的計(jì)算HLOM力，對(duì)每個(gè)觸頭截面電流密度進(jìn)行積分以得到每個(gè)觸指實(shí)際承載電流，結(jié)果如表1所示。

表1 各觸指承載電流

從表1可見，外側(cè)兩個(gè)觸指要比內(nèi)側(cè)兩個(gè)觸指承載電流大3.5 kA左右，而動(dòng)觸頭板兩側(cè)的觸指承載電流情況基本相同，因此后文將僅對(duì)一側(cè)的觸指進(jìn)行力的分析。表2為1～4號(hào)觸指受到的電動(dòng)力情況（以朝向動(dòng)觸頭板為正方向）。

表2 各觸指所受電動(dòng)力

3 HOLM力計(jì)算

在得到每個(gè)觸指上的承載電流及電動(dòng)力后可以根據(jù)公式（2）來計(jì)算觸指上的HOLM斥力大小，在計(jì)算觸頭等效接觸半徑的時(shí)候，F(xiàn)k由（3）式確定

其中F1為觸頭預(yù)壓彈簧所提供的彈簧力，根據(jù)實(shí)際情況確定為260N，F(xiàn)2為前文所計(jì)算的電動(dòng)力，F(xiàn)為HOLM力。并采用迭代法進(jìn)行計(jì)算以尋求更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果[3]，最終結(jié)果如表3所示（以朝向動(dòng)觸頭板方向?yàn)檎较颍?/p>

表3 各觸指所受HOLM力

表3中的4號(hào)觸指在該條件下式（2）、（3）無實(shí)數(shù)解，說明在該條件下動(dòng)靜觸頭已斥開。

4 計(jì)算結(jié)果分析及優(yōu)化方案

根據(jù)仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)觸頭斥開的原因進(jìn)行分析：觸頭之間的吸力來源于動(dòng)觸頭板兩側(cè)觸頭上承載的同向電流所產(chǎn)生的電動(dòng)力。斥力的來源主要有三方面，一是在動(dòng)觸頭板和靜觸頭接觸的區(qū)域附近，電流線會(huì)存在強(qiáng)烈的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后電流線方向與觸指電流方向趨于相反，使動(dòng)觸頭板與靜觸指之間產(chǎn)生強(qiáng)大的電動(dòng)斥力，且越靠近4、8號(hào)觸頭，偏轉(zhuǎn)越強(qiáng)烈，電動(dòng)斥力越大，如圖6所示；二是由于靜觸頭后的左右側(cè)靠板均為鐵磁性材料#45鋼，靜觸指中的電流會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，并在磁場(chǎng)的作用下受到朝向靠板方向的吸力；三是來源于動(dòng)靜觸頭間的HOLM力。當(dāng)吸力與彈簧預(yù)緊力的合力不足以抵抗斥力時(shí)，觸頭便會(huì)斥開。

根據(jù)前文分析，可從以下幾個(gè)方面來降低該型隔離開關(guān)的觸頭斥力以增強(qiáng)短耐能力：1）將觸頭周圍的蓋板材料改為非導(dǎo)磁材料；2）減少動(dòng)觸頭板電流線的偏轉(zhuǎn)；3）降低觸頭間的HOLM力；由于第三點(diǎn)的改進(jìn)主要依靠觸頭形狀結(jié)構(gòu)的更改，試驗(yàn)驗(yàn)證較為復(fù)雜，因此本文僅針對(duì)前兩點(diǎn)優(yōu)化方向進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

圖6 動(dòng)觸頭板電流線偏轉(zhuǎn)

優(yōu)化方案一：為消除觸頭后面蓋板對(duì)觸頭的吸力，將左右靠板的材料改為黃銅，其余部分材料不變。其仿真結(jié)果如表4所示（以朝向動(dòng)觸頭板方向?yàn)檎较颍?/p>

表4 優(yōu)化方案一仿真結(jié)果

優(yōu)化方案二：為減少偏轉(zhuǎn)電流線的長(zhǎng)度，將觸頭高度降低30 mm（動(dòng)觸頭板高度2/5左右），模型其它部分不變。其仿真結(jié)果如表5所示（以朝向動(dòng)觸頭板方向?yàn)檎较颍?/p>

表5 優(yōu)化方案二仿真結(jié)果

從優(yōu)化后的結(jié)果來看，無論是方案一還是方案二均可有效的減少觸頭斥力，在135 kA的電流下觸指仍保持較強(qiáng)的吸力。其中單獨(dú)改變靠板材料比單獨(dú)降低觸頭高度能帶來更好的效果，且在實(shí)際操作中更容易實(shí)現(xiàn)，因此本文將根據(jù)優(yōu)化方案一對(duì)隔離開關(guān)進(jìn)行改進(jìn)。

5 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)采用了優(yōu)化方案一的新樣機(jī)再次進(jìn)行135 kA電流下的短時(shí)電流耐受試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的隔離開關(guān)在135 kA的短時(shí)耐受電流下未出現(xiàn)噴弧現(xiàn)象，靜觸頭與動(dòng)觸頭均未出現(xiàn)明顯的燒蝕，相比優(yōu)化之前的試驗(yàn)結(jié)果有了顯著的提升，基本達(dá)到了仿真預(yù)期，證實(shí)了仿真計(jì)算及優(yōu)化方案的正確性。圖7為優(yōu)化前后的觸頭燒蝕情況對(duì)比。

圖7 優(yōu)化前后試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

6 總結(jié)

本文通過對(duì)某型隔離開關(guān)觸頭結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了以下結(jié)論：

1）通過基于Ansoft三維電磁耦合場(chǎng)的仿真計(jì)算，從理論上證實(shí)了該型隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)不具備135 kA電流短時(shí)耐受能力；

2）對(duì)觸頭在試驗(yàn)電流下所受的電動(dòng)力及HOLM力進(jìn)行了計(jì)算，并通過分析計(jì)算結(jié)果為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，確定了隔離開關(guān)的優(yōu)化方案；

3）對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了該方案的正確性。

[1] 許志紅. 電器理論基礎(chǔ)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2014.

[2] 黃蔚偈, 蘭太壽, 劉向軍. 基于ANSYS有限元法的接觸系統(tǒng)電動(dòng)力分析[J]. 電氣開關(guān), 2013(4)： 18-21.

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[4] DL/T 593-2006, 高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求[S].

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Ansoft-based Analysis and Optimization Electrodynamic Force of Contact System for Disconnector

Zhou Yang, Zhong Jike, Yue Hongyou

（Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co., Ltd., Wuhan 430064, China）

The disconnector is an important component in power transmission system, which should have the strong ability of to bear short circuit current. Based on the finite element method, the electrodynamic force of the contacts of a disconnector in test current is calculated, and the reason is also analyzed. The structure is optimized based on simulation results, and the validity is verified by the experiments.

disconnector; finite element analysis; electrodynamic force

TM564

A

1003-4862（2016）12-0033-04

2016-07-19

周陽（1993-），男，研究生。研究方向：直流斷路器。