基于Ansoft的隔离开关触头电动力分析及优化

周 阳，钟积科，乐洪有

(武汉长海电气科技开发有限公司，武汉430064)

基于Ansoft的隔离开关触头电动力分析及优化

周 阳，钟积科，乐洪有

(武汉长海电气科技开发有限公司，武汉430064)

隔离开关是输变电系统的一个重要元件，需具备较强的短路电流耐受能力。本文对某型隔离开关进行了三维有限元分析，计算了在短路试验电流下各触指的承载电流及受到的电动力，分析了产生电动力的原因，根据仿真结果对该型隔离开关进行了结构优化，并通过试验验证了仿真计算与优化方案的正确性。

隔离开关 有限元分析 电动力

0 引言

隔离开关是输变电系统的一个重要元件，其主要作用是在需要检修的部分和其它带电部分之间形成足够大的明显可见的空气绝缘间隔以保证检修工作时的安全。由于其没有灭弧室，不能开断负荷电流和短路电流，需在断路器断开后才能动作。因此隔离开关需具备足够的动稳定性以保证在短路电流下不因触头斥开熔焊而发生损毁。

某型隔离开关的触头结构三维模型如图1所示。其静触头采用两边对称的多触指结构，动触头采用可在竖直平面转动的刀臂结构。动静触头间、静触头与母排间均采用弧面接触，在静触指与其背后的靠板间装有预压缩的弹簧以提供接触压力。

该型隔离开关试验样机在进行短时耐受电流试验时，在135 kA电流下出现了严重的喷弧现象，触头部分被严重破坏。本文将对其结构进行基于Ansoft的仿真计算分析并寻求合适的优化方案。

图1 隔离开关触头模型

1 计算方法

在大电流流过触头时，在触头回路将产生强大的电动力，根据触头的不同结构，该电动力可能是吸力也可能是斥力；触头中的电流还会在周围产生磁场，在磁场的作用下触头周围的导磁体也会对触头产生作用力；同时由于动静触头间的实际接触面积很小，在接触区域附近还会发生电流线收缩，使得流经动静触头的电流反向而产生电动斥力，即HOLM力。当触头间总斥力大于触头间吸力与触头弹簧提供的预压紧力，动静触头便会斥开，引起喷弧现象，损害触头结构。

对于触头间的电动力，如果将两触头的结构简化为两相等平行有限长载流导体的话，可根据比奥-沙伐定律采用公式（1）进行计算[1]

其中I为流经触头的电流，l为触头长度，d为触头之间的距离。

而对于HOLM力一般采用公式（2）进行计算

其中r为导电斑点半径，R为触头等效半径，ξ为触头表面情况，Fk为触头预压缩力。

但是对于实际开关，其触头一般结构较为复杂，且触头周围磁场相互叠加影响，直接采用公式（1）计算电动力时的误差过大。而无论是通过试验验证还是通过有限元分析都证实了采用公式（2）对HOLM力计算的准确性[2]。因此本文先采用三维有限元法对隔离开关进行单独的电动力分析，在得到电动力的计算结果后再以迭代的计算方式通过公式（2）求得触头间的HOLM力，并将电动力、HOLM力以及弹簧力叠加计算以验证触头是否会被斥开。

译文：《美国科学院院报》在本周一发表的研究报告中指出，那些渴望垃圾食品的人愿为它们付出更多钱，可见这种感受多么强烈。

2 电动力的计算

为了更加准确的计算电动力，在仿真前将静触头与动触头板和进出线排的接触面全部改为平面接触，使得触头接触部位尽量不存在电流线的收缩以排除HOLM力的干扰。简化后的触头模型和整体模型分别如图2、图3所示。

图2 简化后的触指

根据实际试验要求，在动触头板端面加载135 kA直流电流，并根据实际样机情况将左右靠板及前后挡板材料设置为#45钢，其它部件材料设置为铜，并采用自适应剖分网格。计算区域选择5倍于工作区域。

首先对各触指的承载电流进行计算分析。图4为整体模型的电流密度分布，图5为触指截面的电流密度分布。

图3 仿真模型

图4 模型电流密度分布图

图5 各触指截面电流密度分布图

从触指截面电流密度分布可以看出每个触指上承载的电流不相等，为了对更为准确的计算HLOM力，对每个触头截面电流密度进行积分以得到每个触指实际承载电流，结果如表1所示。

表1 各触指承载电流

从表1可见，外侧两个触指要比内侧两个触指承载电流大3.5 kA左右，而动触头板两侧的触指承载电流情况基本相同，因此后文将仅对一侧的触指进行力的分析。表2为1～4号触指受到的电动力情况（以朝向动触头板为正方向）。

表2 各触指所受电动力

3 HOLM力计算

在得到每个触指上的承载电流及电动力后可以根据公式（2）来计算触指上的HOLM斥力大小，在计算触头等效接触半径的时候，Fk由（3）式确定

其中F1为触头预压弹簧所提供的弹簧力，根据实际情况确定为260N，F2为前文所计算的电动力，F为HOLM力。并采用迭代法进行计算以寻求更准确的计算结果[3]，最终结果如表3所示（以朝向动触头板方向为正方向）。

表3 各触指所受HOLM力

表3中的4号触指在该条件下式（2）、（3）无实数解，说明在该条件下动静触头已斥开。

4 计算结果分析及优化方案

根据仿真结果和试验结果对触头斥开的原因进行分析：触头之间的吸力来源于动触头板两侧触头上承载的同向电流所产生的电动力。斥力的来源主要有三方面，一是在动触头板和静触头接触的区域附近，电流线会存在强烈的偏转，偏转后电流线方向与触指电流方向趋于相反，使动触头板与静触指之间产生强大的电动斥力，且越靠近4、8号触头，偏转越强烈，电动斥力越大，如图6所示；二是由于静触头后的左右侧靠板均为铁磁性材料#45钢，静触指中的电流会产生强磁场，并在磁场的作用下受到朝向靠板方向的吸力；三是来源于动静触头间的HOLM力。当吸力与弹簧预紧力的合力不足以抵抗斥力时，触头便会斥开。

根据前文分析，可从以下几个方面来降低该型隔离开关的触头斥力以增强短耐能力：1）将触头周围的盖板材料改为非导磁材料；2）减少动触头板电流线的偏转；3）降低触头间的HOLM力；由于第三点的改进主要依靠触头形状结构的更改，试验验证较为复杂，因此本文仅针对前两点优化方向进行仿真验证。

图6 动触头板电流线偏转

优化方案一：为消除触头后面盖板对触头的吸力，将左右靠板的材料改为黄铜，其余部分材料不变。其仿真结果如表4所示（以朝向动触头板方向为正方向）。

表4 优化方案一仿真结果

优化方案二：为减少偏转电流线的长度，将触头高度降低30 mm（动触头板高度2/5左右），模型其它部分不变。其仿真结果如表5所示（以朝向动触头板方向为正方向）。

表5 优化方案二仿真结果

从优化后的结果来看，无论是方案一还是方案二均可有效的减少触头斥力，在135 kA的电流下触指仍保持较强的吸力。其中单独改变靠板材料比单独降低触头高度能带来更好的效果，且在实际操作中更容易实现，因此本文将根据优化方案一对隔离开关进行改进。

5 试验结果

对采用了优化方案一的新样机再次进行135 kA电流下的短时电流耐受试验。试验结果表明，改进后的隔离开关在135 kA的短时耐受电流下未出现喷弧现象，静触头与动触头均未出现明显的烧蚀，相比优化之前的试验结果有了显著的提升，基本达到了仿真预期，证实了仿真计算及优化方案的正确性。图7为优化前后的触头烧蚀情况对比。

图7 优化前后试验结果对比

6 总结

本文通过对某型隔离开关触头结构仿真计算分析及试验验证，得到了以下结论：

1）通过基于Ansoft三维电磁耦合场的仿真计算，从理论上证实了该型隔离开关结构不具备135 kA电流短时耐受能力；

2）对触头在试验电流下所受的电动力及HOLM力进行了计算，并通过分析计算结果为优化设计提供了理论指导，确定了隔离开关的优化方案；

3）对优化方案进行了仿真计算和试验验证，验证了该方案的正确性。

[1] 许志红. 电器理论基础[M]. 北京： 机械工业出版社, 2014.

[2] 黄蔚偈, 兰太寿, 刘向军. 基于ANSYS有限元法的接触系统电动力分析[J]. 电气开关, 2013(4)： 18-21.

[3] 万祥军, 季慧玉, 陈正馨,等. 万能式断路器触头系统电动力仿真与试验研究[J]. 低压电器, 2012(16)：1-4.

[4] DL/T 593-2006, 高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求[S].

[5] 李兴文, 陈德桂, 刘洪武, 等. 触头间电动斥力的三维有限元分析[J]. 高压电器, 2004, 40(1)： 53-55.

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

周阳（1993-），男，研究生。研究方向：直流断路器。