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10kV配電真空斷路器觸頭熔焊問題研究
摘要：本文對真空開關(guān)電器觸頭系統(tǒng)進(jìn)行簡化，建立導(dǎo)電斑點簡化模型。利用電路原理模擬溫度場研究溫升，得出合閘過程中觸頭斑點的發(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、觸頭彈跳等問題。
關(guān)鍵詞：熔焊;合閘速度;彈跳;涌流;觸頭材料
一、概述
觸頭是真空開關(guān)電器實現(xiàn)電路轉(zhuǎn)換的重要部件。使用過程中，觸頭會遇到非常復(fù)雜的情況，最嚴(yán)重的損壞是熔焊。本文通過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。
二、觸頭表面模型簡化
任何經(jīng)過精細(xì)加工的名義表面，實際上都是粗糙不平的。本文將觸頭凹凸不平的表面簡化為布滿全表面的一簇毛刺。電極接觸時毛刺受到擠壓變形，實際接觸面積始終為毛刺的頂部，即導(dǎo)電斑點。導(dǎo)電斑點的物理模型簡單假設(shè)為圓臺。本文把10kV真空斷路器電極表面的導(dǎo)電斑點集中簡化為一個大的導(dǎo)電斑點。
三、仿真研究方法
當(dāng)兩個觸頭在操動機(jī)構(gòu)的推動下開始相互接觸時，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單的圓臺形狀。對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)行求解計算非常困難。本文采用對熱力系統(tǒng)進(jìn)行電模擬的方法。對于本文中的電極模型，計算中將觸頭斑點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。模擬其電流加熱過程的電路模型如圖1所示。
Cti(i=1-m)代表每個導(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)代表每兩個導(dǎo)體單元之間的熱阻，流過其上的電流對應(yīng)著相鄰導(dǎo)體單元熱傳導(dǎo)的熱流量。Pei表示每個導(dǎo)體單元因電流加熱而產(chǎn)生的歐姆發(fā)熱功率。
對上述模擬電路進(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。
四、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 觸頭材料對觸頭熔焊影響
仿真中涌流為20kA，具體比較情況見圖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 涌流對觸頭熔焊的影響研究
通過逐漸增大合閘涌流有效值的方法，計算出各種情況下觸頭表面導(dǎo)電斑點的溫升狀況，具體見圖3。
4.3合閘速度對觸頭熔焊的影響研究
在觸頭合閘行程不可變更的實際條件下，合閘速度是觸頭合閘時間的決定性因素，具體仿真結(jié)果見圖4。
[圖2 不同材料觸頭合閘過程中溫升比較][圖3 涌流有效值對合閘觸頭溫升的影響]
4.4 觸頭彈跳對觸頭熔焊的影響研究。觸頭彈跳有兩個重要參數(shù)，分別是觸頭彈跳振幅和觸頭彈跳衰減速度。觸頭彈跳振幅影響到溫升曲線振動的振幅大小，而衰減速度則決定了觸頭溫升振動的持續(xù)時間。實際生產(chǎn)中嚴(yán)格控制了彈跳振幅，衰減速度成為突出的問題。衰減速度對觸頭溫升影響如圖5所示。
五、結(jié)論與展望
通過上述仿真可以看出，觸頭材料是決定觸頭溫升和熔焊的根本性原因，涌流是影響熔焊最嚴(yán)重的因素。觸頭合閘速度在一定范圍內(nèi)增大，可以有效地減少觸頭發(fā)熱量。觸頭彈跳可以導(dǎo)致觸頭溫度持續(xù)上升。
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