一种真空断路器设计计算

于洪宇 王小焕 张敬涛 汪宁 陈利民 崔世辉

摘  要：在真空断路器设计中，强度计算和电场计算占据主要计算内容，通过计算，来判断设计裕度，以便进行优化设计。

关键词：电场;应力;应变

1 强度计算

本项目借助solidworks软件的功能对断路器强度进行校核。合理简化断路器三维模型，选取合理的约束、固定点，通过虚拟加载、网格划分及计算，重点研究断路器框架和主传动链上零部件的变形，经过多次计算和优化，将断路器的变形控制在合理的范围内。

零件的许用应力必须低于材料的极限应力。塑性材料的安全因数ns=1.5-2.0，取ns=2计算得：Q235A许用应力：117MPa，40Cr许用应力：392MPa，45钢许用应力：185MPa。应变又称“相对变形”。零件由于载荷使它的几何形状和尺寸发生相对改变的物理量。根据ε=？滋σ/E得：

Q235A：0.274×235Mpa/210Gpa=0.0003，40Cr：0.278×785Mpa/215Gpa=0.001，45钢：0.29×370Mpa/206Gpa=0.0005

断路器应力分布、应变分布及位移分布分别见图1、图2、图3。由表1分析可知，零件最大应力值均低于许用应力;模型发生应变低于材料允许应变值。由表2计算可知，断路器三相同期性：（0.052-0.044）/（0.8～1.6）=（0.005～0.01）ms<1ms，满足断路器机械技术参数要求，表明斷路器机械强度可靠，其力学性能满足设计要求。

2 绝缘计算

借助仿真软件模块，合理简化断路器三维模型，选取相应的材料属性、介电常数，通过网格划分、施加载荷，计算断路器在合闸状态下的电压及电场强度分布，并找到场强分布集中区域加以优化。

2.1 三维模型

2.2 参数设置

分析中需要设置的参数：（1）分析中远场物质的选定，选默认物质空气。（2）相关材料的选定，按实际部件的材料组成。分别从软件材料库中选定，导电体为steel;环氧树脂为epoxy;空气为air。（3）相关材料的材料属性如下：环氧树脂，介电常数3.6，击穿场强25kV/mm，空气击穿场强为3kV/mm。（4）国家标准规定40.5kV断路器工频耐受电压为185kV，因此在高压端施加雷电耐受电压185kV。

2.3 计算结果

由图5、图6可知，断路器模型电压分布合理，断路器电场强度最大值发生在灭弧室内部动触头与屏蔽罩结合处，考虑到该灭弧室已经成功应用在多个工程商，此处可以忽略。除此外，电场强度值低于空气电场强度，满足设计要求。