10kV配电真空断路器触头熔焊问题研究

王耀武

摘 要：本文对真空开关电器触头系统进行简化，建立导电斑点简化模型。利用电路原理模拟温度场研究温升，得出合闸过程中触头斑点的发热特性。仿真中主要研究了触头材料、涌流、涌流相位、合闸速度、触头弹跳等问题。

关键词：熔焊；触头材料；合闸速度；弹跳；涌流

1 概述

触头是真空开关电器实现电路转换的重要部件。使用过程中，触头会遇到非常复杂的情况，最严重的损坏是熔焊。本文通过仿真的方式研究涌流、触头弹跳、触头合闸瞬间电流相位等因素在触头熔焊中的作用大小。

2 触头表面模型简化

任何经过精细加工的名义表面，实际上都是粗糙不平的。本文将触头凹凸不平的表面简化为布满全表面的一簇毛刺。电极接触时毛刺受到挤压变形，实际接触面积始终为毛刺的顶部，即导电斑点。导电斑点的物理模型简单假设为圆台。本文把10kV真空断路器电极表面的导电斑点集中简化为一个大的导电斑点。

3 仿真研究方法

当两个触头在操动机构的推动下开始相互接触时，在接触力的作用下触头表面发生压缩形变，假设其毛刺的体积不变，并且在毛刺始终保持为简单的圆台形状。对电流加热作用下电极表面的温升用有限元法和有限差分法进行求解计算非常困难。本文采用对热力系统进行电模拟的方法。对于本文中的电极模型，计算中将触头斑点沿轴向分为很多小的导电单元，它们的厚度呈等比数列。模拟其电流加热过程的电路模型如图1所示。

Cti（i=1-m）代表每个导体单元的热容，其上电压就等于给导体单元的温度，Rti（i=1-m-1）代表每两个导体单元之间的热阻，流过其上的电流对应着相邻导体单元热传导的热流量。Pei表示每个导体单元因电流加热而产生的欧姆发热功率。

对上述模拟电路进行求解，根据电路原理，属于直流电路的瞬态响应求解。本文中的模拟电路中有m个电容，电路为m阶电路，用laplace变换的方法，在复频域对电路进行求解。

4 仿真结果分析

仿真背景是10kV的真空断路器，其额定电流为5kA，标准合闸速度为1.0m/s。

4.1 触头材料对触头熔焊影响

仿真中涌流为20kA，具体比较情况见图2。上面三条曲线分别是CuCr25、CuCr30、CuCr40三种触头材料的温升曲线，发现铬含量越多，触头表面的温度越高。

4.2 涌流对触头熔焊的影响研究

通过逐渐增大合闸涌流有效值的方法，计算出各种情况下触头表面导电斑点的温升状况，具体见图3。

4.3合闸速度对触头熔焊的影响研究

在触头合闸行程不可变更的实际条件下，合闸速度是触头合闸时间的决定性因素，具体仿真结果见图4。

[图2 不同材料触头合闸过程中温升比较]