一种具有1/2匝线圈纵向磁场触头结构的真空灭弧室
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摘要
在大电流水平下真空电弧的收缩特性取决于触头的材料和工作原理,在真空灭弧室中纵向磁场(AMF)触头能够阻止真空电弧收缩。扩散型电弧对电极的能量作用小,因此,纵向磁场触头提供了开断短路电流的优良性能。根据触头设计的不同,纵向磁场的分布也不同,对于单极触头纵向磁场的方向在整个电极间隙中都是相同的,对于多极触头纵向磁场的方向则是变化的。
本文描述了一种新型线圈式两极纵向磁场触头结构真空灭弧室的设计及其特性,该线圈式两极纵向磁场触头不但能够产生很强的纵向磁场,而且较均匀,尤其适用于额定短路开断电流大、额定电流大的真空灭弧室。本文研究了这种新型触头设计的基本工作原理。该触头设计提供了两个纵向磁通量密度分布(数值上)基本相同的区域,也就是说,给出了两个条件相同的触头区域。
本文采用积分方法对本文设计的线圈式两极纵向磁场触头结构和线圈式四级纵向磁场触头结构的纵向磁场三维分布进行了计算分析。研究了电弧燃烧期间两种触头结构纵向磁场强度的大小、均匀性,利用有限元法模拟线圈式两极纵向磁场触头结构的触头盘开槽和不开槽时涡流对纵向磁场的影响。分析结果表明,这种线圈式两极纵向磁场触头结构在触头间隙上产生的纵向磁场分布均匀程度较高,强度要比线圈式四极触头结构同等电流下大两倍。触头的有效利用面积,两极结构比四极结构有很大提高。线圈式两极纵向磁场触头结构的触头表面不需开槽仍能大大降低了涡流的影响,因此也减小了电流零点时的残余纵向磁场和纵向磁场滞后时间。采用短路电流合成试验验证了这种触头的开断性能,根据实验后触头表面的烧蚀情况,分析了线圈式两极纵向磁场在大电流时对电弧特性的影响。同时,由于在这种线圈式两极纵向磁场触头在电流过零时剩余磁场几乎为零。触头内各导体距离非常近,且导体内均有电流流过,可采用不加铁芯的方式,因此产生的涡流较小,制造工艺相对较为简单。
The constriction performance of vacuum electric arc at high current levels depends on the contact material and its operational principle. Axial magnetic field (AMF) contacts can prevent the vacuum electric arc from shrinking in the vacuum interrupters. AMF contacts can provide an excellent performance of breaking short-circuit current because the diffuse arc has an small effect on the energy of electrodes. According to the different contact design, the distribution of axial magnetic field is different. The direction of the AMF for single-pole contact is the same within the whole inter-electrode gap, and it changes for the multiple-pole contact.
A new double-pole axial magnetic field contact design and its characteristics are introduced . The double-pole AMF contact not only can generate very strong AMF but also has better fielduniformity. It is applied to the vacuum interrupter which is in the high rated short-circuit breaking current with the high rated current.The basic operational principle of the new contact design is researched. The contact design provides two areas with nearly the same axial magnetic flux density distribution (by amount), i.e. two areas with equal conditions are given.
The integral method is adopted caculate and analyze to AMF three-dimension distruction which is the structure of coil type four-pole and the structure of coil type double-pole and study the size of two kind of electrode structure axial magnetic flux density distribution and its fielduniformity.The Finite-Element method is used simulate that eddy current has effect on AMF when contact tray of douple-pole AMF structure is slotted or no. The analytic result shows the higher fieldunification is produced between contact gap by the coil type double-pole AMF contact structure, and its intension is over 2 times than quadrupolar contact structure when they are in same current. The effective area of two-pole structure is greatly improved to quadrupolar structure. It can still decrease influence of the eddy current greatly while contace surface of coil type double-pole AMF structure is not need to be slotted, so it can also decrease surplus axial magnetic field when the current is at zero and axial magnetic field hysteresis time. Adopting the short circuit electric current of to formate the test prove that this contact turn on and cut off performance. According to ablation situation of contact surface after testing, have analysed that coil type double-pole AMF influences electric arc
本文描述了一种新型线圈式两极纵向磁场触头结构真空灭弧室的设计及其特性,该线圈式两极纵向磁场触头不但能够产生很强的纵向磁场,而且较均匀,尤其适用于额定短路开断电流大、额定电流大的真空灭弧室。本文研究了这种新型触头设计的基本工作原理。该触头设计提供了两个纵向磁通量密度分布(数值上)基本相同的区域,也就是说,给出了两个条件相同的触头区域。
本文采用积分方法对本文设计的线圈式两极纵向磁场触头结构和线圈式四级纵向磁场触头结构的纵向磁场三维分布进行了计算分析。研究了电弧燃烧期间两种触头结构纵向磁场强度的大小、均匀性,利用有限元法模拟线圈式两极纵向磁场触头结构的触头盘开槽和不开槽时涡流对纵向磁场的影响。分析结果表明,这种线圈式两极纵向磁场触头结构在触头间隙上产生的纵向磁场分布均匀程度较高,强度要比线圈式四极触头结构同等电流下大两倍。触头的有效利用面积,两极结构比四极结构有很大提高。线圈式两极纵向磁场触头结构的触头表面不需开槽仍能大大降低了涡流的影响,因此也减小了电流零点时的残余纵向磁场和纵向磁场滞后时间。采用短路电流合成试验验证了这种触头的开断性能,根据实验后触头表面的烧蚀情况,分析了线圈式两极纵向磁场在大电流时对电弧特性的影响。同时,由于在这种线圈式两极纵向磁场触头在电流过零时剩余磁场几乎为零。触头内各导体距离非常近,且导体内均有电流流过,可采用不加铁芯的方式,因此产生的涡流较小,制造工艺相对较为简单。
The constriction performance of vacuum electric arc at high current levels depends on the contact material and its operational principle. Axial magnetic field (AMF) contacts can prevent the vacuum electric arc from shrinking in the vacuum interrupters. AMF contacts can provide an excellent performance of breaking short-circuit current because the diffuse arc has an small effect on the energy of electrodes. According to the different contact design, the distribution of axial magnetic field is different. The direction of the AMF for single-pole contact is the same within the whole inter-electrode gap, and it changes for the multiple-pole contact.
A new double-pole axial magnetic field contact design and its characteristics are introduced . The double-pole AMF contact not only can generate very strong AMF but also has better fielduniformity. It is applied to the vacuum interrupter which is in the high rated short-circuit breaking current with the high rated current.The basic operational principle of the new contact design is researched. The contact design provides two areas with nearly the same axial magnetic flux density distribution (by amount), i.e. two areas with equal conditions are given.
The integral method is adopted caculate and analyze to AMF three-dimension distruction which is the structure of coil type four-pole and the structure of coil type double-pole and study the size of two kind of electrode structure axial magnetic flux density distribution and its fielduniformity.The Finite-Element method is used simulate that eddy current has effect on AMF when contact tray of douple-pole AMF structure is slotted or no. The analytic result shows the higher fieldunification is produced between contact gap by the coil type double-pole AMF contact structure, and its intension is over 2 times than quadrupolar contact structure when they are in same current. The effective area of two-pole structure is greatly improved to quadrupolar structure. It can still decrease influence of the eddy current greatly while contace surface of coil type double-pole AMF structure is not need to be slotted, so it can also decrease surplus axial magnetic field when the current is at zero and axial magnetic field hysteresis time. Adopting the short circuit electric current of to formate the test prove that this contact turn on and cut off performance. According to ablation situation of contact surface after testing, have analysed that coil type double-pole AMF influences electric arc
引文
[1] 王季梅,《真空开关理论及其应用》.西安交通大学出版社,1986 年
[2] 王季梅,真空灭弧室设计、制造及其应用,西安交通大学出版社,1993
[3] 王季梅.真空开关触头材料及其制造技术.西安交通大学真空电弧研究中心,1995.9
[4] H.Fink,M.Himbach,W.Shang, A New Contact Design Based on a Quadrupolar Axial Magnetic Field and its Characteritics ,ETEP Vol. 10, No. 2, March/April 2000
[5] 金子编译,真空灭弧室的开断能力计算,高压电器技术经济信息,2003 年第 4 期
[6] 王季梅 真空电弧理论及其测试,西安交通大学出版社,1993
[7] 刘东晖等,两种新型的纵磁触头结构真空灭弧室的研究比较,电工技术学报,第 18 卷第 6 期,2003 年 12 月
[8] Kathrin Steinke and Manfred Lindmayer ,Current Zero Behavior of Vacuum Interrupters With Bipolar and Quadrupolar AMF Contacts, IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 31, NO. 5, OCTOBER 2003
[9] 王仲奕 王季梅,真空灭弧室中自生磁场效应和外加磁场的作用
[10] 徐国政,钱家骊等,高压断路器原理和应用,清华大学出版社,2000
[11] Dieter Sā mann, 真空开断技术——下十年的原理,李建基译自 etz-1999,(6)-26~29
[12] 刘志远,杯状纵磁真空灭弧室三维纵磁场和涡流场仿真,2002
[13] 李建基,我国高压开关制造业发展述评,西安高压电器研究所,2004.7
[14] 西安高压电器研究所,高压开关设备国内外产品水平,2000
[15] 李建基编译,现代真空灭弧室——真空断路器可靠的关键,参照 Elektrizit ā swirtschaff-1997,96(14)-749~752
[16] 廖复疆 吴固基,真空电子技术,国防工业出版社,1999 年 10 月
[17] 徐国政,钱家骊等,高压断路器原理和应用,清华大学出版社,2000
[18] 陈惟蓉 黄天麟 王以炳,电磁学,清华大学出版社,1994 年 6 月
[19] 蒋乃俊,真空开关使用手册,陕西科学技术出版社,1994 年
[20] 沦兹,真空灭弧室纵向和横向磁场触头优化应用,东北电力技术,2002 年第 1 期
[21] Harald Fink,耿西京译,具有轴向磁场触头结构的真空灭弧室,ABB Review 2000.1
[22] 王毅、苑舜.低压真空断路器的发展前景.低压电器,1995.5
[23] 修士新 王季梅,纵向磁场对真空电弧作用的研究,真空电子技术,1999 年第 5 期修士新 王季梅,高分断能力真空灭弧室的研制,中国电力,1998 年第 1 期
[24] 贾申利等,一种高分断能力两极纵向磁场电极结构的真空灭弧室,中国电机工程学报,1997 年 9 月
[25] 修士新 王季梅,提高真空灭弧室分断性能的研究,真空电子技术,2000 年第 3 期
[26] 染井宏通 本间三孝,为真空断路器的小型化做出贡献的真空电弧最新控制技术,陈英译自 OHM.1997,84(1).95~99
[27] 刘志远等,铁芯式两极纵磁真空灭弧室铁芯中涡流分析,中国电机工程学报,第 21 卷第 6 期,2001 年 6 月
[28] 修士新等,大电流真空电弧特性的研究与分析, 电网技术,第 21 卷第 6 期,1997 年6 月
[29] 刘志远,杯状纵磁真空灭弧室三维纵磁场和涡流场仿真,2002
[30] 王季梅 苑舜,大容量真空开关理论及其产品开发,西安交通大学出版社,2001 年 10月
[31] 常越,调整真空灭弧室纵向磁场分布方法的研究,高压电器,1996 年第 3 期
[32] 王仲奕 王季梅,真空灭弧室中自生磁场效应和外加磁场的作用
[33] K.Nitta, K.Watanabe,K.kagenaga 等,真空断路器电极三维磁场分析,陈振生译自IEEE Trans.on Power Delivery, vol.12,No.4,1997
[34] 樱井良文,现代工程磁学,机械工业出版社,1987
[35] GB01984-2003 高压交流断路器
[36] JB/T8738-1998 3.6~40.5kV 交流高压开关设备用真空灭弧室
[37] JB/T8738-1998 3.6~40.5kV 户内交流高压真空断路器
[38] 金懋昌,真空技术,东南大学出版社,1995 年 5 月
[39] 林莘,现代高压电器技术,机械工业出版社,2002 年
[40] Burkhard Fenski,环氧浇注技术&VD4 断路器,ABB Power Techonologies,2004
[41] 拉弗蒂 JM.真空电弧理论和应用.北京:机械工业出版社,1985.88～95
[42] 聂崇志.浅谈真空断路器.电器技术,1994 年,第一期
[43] Robison A.A.Patent U.S.3.818.163,June 1974
[44] Hassler H. et al.Proc. loth Int.Conf.on Eleetric Contacts,August 1980,pp.219-230
[45] Dullni,E.et al.ABB Review,March 1989,pp.11-18
[46] Gellert.B et al.IEEE Trans. PS, Vol. ps-15, No.5, Oct. 1987,pp.546-551.
[47] Gellert B. et al. Proc.14th Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, USA, Sept. 1990, pp.450-454.
[48] Yanabu S. et al, IEEE Trans. PS, Vol. 17, No.5, Oct.1989,pp.717-723.
[49] Frey.P et al. IEEE Trans. PS, Vol. ps-17, No.5, 1989,pp.734-740.
[50] Kippenberg,H. Proc.13th Int. Conf. on Elec. Contacts, Switzerland, Sept. 1986, pp.140-144.
[51] 王季梅,《真空开关理论极其应用》,西安交通大学出版社,1986。
[52] V.N.墨尔勒 M.S.奈杜, 《SF6 和真空中高压绝缘及电弧开断的进展》,水利电力出版社,1980。
[53] 尚文凯,王季梅。减少真空灭弧室触头表面涡流的研究。低压电器,1988(1)
[2] 王季梅,真空灭弧室设计、制造及其应用,西安交通大学出版社,1993
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[28] 修士新等,大电流真空电弧特性的研究与分析, 电网技术,第 21 卷第 6 期,1997 年6 月
[29] 刘志远,杯状纵磁真空灭弧室三维纵磁场和涡流场仿真,2002
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[37] JB/T8738-1998 3.6~40.5kV 户内交流高压真空断路器
[38] 金懋昌,真空技术,东南大学出版社,1995 年 5 月
[39] 林莘,现代高压电器技术,机械工业出版社,2002 年
[40] Burkhard Fenski,环氧浇注技术&VD4 断路器,ABB Power Techonologies,2004
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[42] 聂崇志.浅谈真空断路器.电器技术,1994 年,第一期
[43] Robison A.A.Patent U.S.3.818.163,June 1974
[44] Hassler H. et al.Proc. loth Int.Conf.on Eleetric Contacts,August 1980,pp.219-230
[45] Dullni,E.et al.ABB Review,March 1989,pp.11-18
[46] Gellert.B et al.IEEE Trans. PS, Vol. ps-15, No.5, Oct. 1987,pp.546-551.
[47] Gellert B. et al. Proc.14th Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, USA, Sept. 1990, pp.450-454.
[48] Yanabu S. et al, IEEE Trans. PS, Vol. 17, No.5, Oct.1989,pp.717-723.
[49] Frey.P et al. IEEE Trans. PS, Vol. ps-17, No.5, 1989,pp.734-740.
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[51] 王季梅,《真空开关理论极其应用》,西安交通大学出版社,1986。
[52] V.N.墨尔勒 M.S.奈杜, 《SF6 和真空中高压绝缘及电弧开断的进展》,水利电力出版社,1980。
[53] 尚文凯,王季梅。减少真空灭弧室触头表面涡流的研究。低压电器,1988(1)