不同结构真空灭弧室直流电阻与交流电阻的研究及分析

不同结构真空灭弧室直流电阻与交流电阻的研究及分析

张亚丽李森张立婷

陕西宝光真空电器股份有限公司陕西宝鸡721006

摘要：本文介绍了真空灭弧室直流电阻和交流电阻的仿真计算方法，并对不同电极结构真空灭弧室直流及交流电阻进行了计算和对比，对二者的差异进行了研究。分析了特殊电极结构交流电阻远远大于直流电阻的原因，提出了真空灭弧室温升性能设计方面的注意事项及建议。

关键词：直流电阻；交流电阻；仿真模拟；电流密度；磁场分布；温升性能

0引言

开关设备作为线路的供电单元，一个重要功能就是长期通过工作电流时，各部分的温度不得超过允许值，以保证开关的工作可靠。作为真空开关及断路器的核心元件，真空灭弧室的回路电阻大小是影响温升性能的关键。《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求GB/T11022-2011》中6.4.1规定了开关设备回路电阻的测量方法：“……用直流来测量每极端子间的电压降或电阻。……试验电流应该取100A到额定电流之间的任一方便的值。”因此，目前各大试验站和几乎所有开关、灭弧室厂家均采用100A直流压降法来检测回路电阻值。但是开关及灭弧室的实际工况是在交流条件下工作，即最终的温升性能是由回路的交流电阻大小决定的。为了在设计的时候能够更准确判断灭弧室的额定电流承载能力，本文研究分析了不同电极结构直流电阻值和交流电阻值的差异，并从电流密度分布、磁场对电流路径的影响等方面阐述了产生的原因。研究过程中发现某些特殊的电极结构产生的磁场会对交流电阻产生很大影响。

1.真空灭弧室电阻计算方法及注意事项

1.1根据导体电阻计算公式进行计算：

R=ρL/S（铜：ρ=0.01724μΩ·m；20℃时）

该方法只适用于结构简单的导电回路，求得的结果为直流电阻。

1.2三维仿真模拟计算电阻

1.2.1计算方法

在Maxwell软件中建立三维模型，通过场计算器计算出ohmicloss（欧姆损耗）功率P，根据P=Irms2R，即可得到R=P/Irms2。

1.2.2注意事项

直流和交流电阻均可以用该方法求得。但需要特别注意的是：

①.直流电阻应在DCconduction（恒定电流场）中进行求解，电流的输入值为IDC，求得的欧姆损失功率为PDC

R=P/Irms2=PDC/IDC2

②.交流电阻应在EddyCurrent（涡流场）中进行求解。在EddyCurrent中，电流源值（即输入值）为峰值，而不是有效值。。因此，对于交流正弦波：

从电流密度的矢量图可以看出导电杆和触头座处的集肤效应，除此以外，基本没有其他特别的差异，因此我们认为该结构的直流和交流电阻差异主要来自于交流的集肤效应。总体上看，该结构直流和交流的电流密度分布差异不是特别大，所以直流和交流的电阻值差异也不是很大。

线圈结构：交流是直流电阻的1.24～1.36倍，该结构直流和交流的电流密度分布与杯状纵磁结构的基本类似，主要还是集肤效应导致交流电阻有所增大。但由于该结构本身电流路径比较长，其直流电阻本身较大，因此交、直流电阻差异的绝对值相对较大。其电流密度矢量分布如下图5、图6：

从电流密度的矢量图上可以看出：

直流时，电流从动端导电杆经过触头接触部位直接流入静导电杆，整个导流回路路径短且电流分布均匀。交流时，电流路径在马蹄铁附近发生了明显变化，电流被压缩至导电杆一侧，然后从触头表面绕行半圈后流入对面导电杆另一侧。由于电流局部集中收缩，且电流路径在触头表面明显加长，所以导致交流电阻远远大于直流电阻。

为了进一步分析发生这种现象的原因，对该结构触头闭合时的磁场及电流密度矢量进行了计算。可以看出：

在贴近导电杆一侧的铁芯内磁场强度最大且方向与导电杆电流方向呈90°，这个磁场使得导杆内的电流受到朝向铁芯开口方向的洛伦兹力，导致电流向一侧压缩。

在铁芯磁场作用下，触头内电流分成两路，分别绕触头旋转半圈后流入对面导电杆。因此触头表面电流路径明显加长，导致电阻明显增加（见图10）。

综上所述，我们认为导致交流电阻明显增大的主要原因是：该电极由铁磁材料作为产生磁场的主要介质，磁场强度高且在整个触头表面分布不均匀，对电流分布产生明显影响，导致电流局部收缩且电流路径在触头表面明显加长，电阻明显增大。

4.结论

①.电阻是真空灭弧室设计方案中的重要技术参数之一。检测直流电阻在一定程度上能够反映产品的载流能力，但相同结构的导流回路交流电阻与直流电阻是存在差异的。交流电阻存在集肤效应而且灭弧室电极本身的磁场会对电流路径产生影响从而影响电阻的大小，某些特殊结构交、直流电阻差异甚至达到2～3倍。因此要准确分析灭弧室在交流线路下的电流承载能力，需要进一步分析交流电阻大小。否则，可能会出现虽然电阻检测值很低，但温升性能却不理想的情况。

②.对于主要由导电线圈作为产生磁场的主要来源的电极，如常用的杯状和线圈结构电极，其交流电阻约是直流电阻的1.11～1.36倍，差异不是很大。在灭弧室设计时基本可以用直流电阻大小来判断方案的温升性能。

③.但对于由铁磁材料作为产生磁场的主要介质的铁磁结构电极，其交流电阻远远大于直流电阻，设计时必须用交流电阻值来判断产品的温升性能，而不能只看直流电阻的实测值，否则温升性能可能会出现较大偏差。