（重庆电子工程职业学院 重庆市 401331）
一、真空断路器的热效应与力效应理论研究机理
真空断路器具有开断能力较强且无毒、无油、结构简单等优点，使得其在中压领域逐步得到广泛的应用，大部分产品相柱采用固封结构，不需要附加的紧固件，载流件被周围的浇注树脂可靠的固定在它的位置上；弹簧操动机构中储能元件采用涡卷弹簧，弹簧各部分在储能过程中受力始终是均匀的，而且摩擦力极小，因而能提高操动机构的效率。
由于电流的存在会在设备中产生多种效应，如热效应、力效应、磁效应、电化学效应等，在大电流条件下，由于电流数值很大，这些影响也会随之增大，它会降低设备的使用寿命，严重时会对设备及环境产生严重的破坏性。对于大电流电气设备，能够经受大电流热效应和力效应的作用是其能够运行的基本条件，本文简单阐述如何对真空断路器主回路进行动热稳定分析[1]。
二、真空断路器电动稳定分析
电气设备的导电部分总是由多个导体构成的，当导体中有电流流过时，各导体之间将存在电动力的作用。电动力的大小与导体间的位置以及通过他们之间的电流的大小有关。短路电流发生时将产生严重的电动力效应，虽然电流流过的时间很短，但其往往超过产品额定电流的几倍到几十倍。巨大的电动力效应作用于开关上将会在相间产生很大的电动力，并且将会使连接部位松动甚至变形或损坏。电器在电动力作用下，其有关部分能够不损坏或不永久变形的性能，称为电动稳定性，通常以动稳定电流表示，又称峰值耐受电流。通过分析计算断路器在短路电流下的电动力情况，可进一步完善设计，使其具有一定的机械强度，在电动力作用下不至损坏或出现误动。
1、断路器的导电回路电动力分析
可将断路器分解为三大部分：上触臂，真空泡，下触臂。从各导体相互间的位置以及电流方向可按照三种受力方式进行计算：平行导体间电动力、垂直连接导体之间电动力、垂直不连接导体之间电动力。任何一部分都受到其他两部分施力作用，某一部分的全部受力通过矢量叠加可得该部分的最终受力，例如上触臂受到垂直连接的真空泡和与之平行的下触臂向上的力，共同作用。根据导体电动力的计算方法，将短路时的峰值耐受电流值及各部位导体参数代入相应计算公式，并进行矢量叠加计算得到一个极柱各部分的受力大小和方向，为了保证开关工作的可靠性，在装配时需按照各部位的最大受力情况进行装配，紧固螺栓的选用要符合最大受力情况。
2、真空灭弧室触头电动斥力分析
短路故障时断路器所流过的巨大故障电流，其产生的强大的电动力可能会使原来关合位置的触头被推开，产生电弧，导致触头熔焊。当断路器关合或开断短路电流时，根据电接触理论的分析，导体的实际接触面积小于视在接触面积，流经接触面的电流将发生电流收缩，将在触头之间产生电动斥力，在设计断路器时需考虑在额定短路关合电流和额定峰值耐受电流的情况下触头能否被斥开，通过与触头压力的比较判断触头能否经受冲击作用，触头能否可靠闭合。
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三、真空断路器热稳定分析
运行中的电器，由于各种原因，产生发热现象，出现损耗。电器本身温度与周围环境温度之差，称为电器的温升。电器如果发热超过极限允许温度，会产生严重危害。电气设备必须能承受短路电流的热效应而不致损坏，这种能力称为电气的热稳定性。进行电器热稳定计算的目的，在于保证电器温度不超过极限允许温度，并能节约原材料，缩小电器体积，延长使用寿命。
真空断路器导电回路有电流通过时，主要由电阻损耗和介质损耗引起热量产生，导体温度的升高会使发热体本身与周边物体或气体产生温差，温差造成热量从温度高处向低处流动产生散热。当产生的热量与散失的热量相同时，则构成热量的动态平衡，导体的温度将不再升高，达到热稳定状态，此时的导体温度与通电之前的导体温度之差称为稳定温升。真空断路器，在大电流情况下处于真空环境中的灭弧室触头的散热仅依靠热传导方式，其温升问题比较突出现。本文采用ANSYS有限元分析软件进行稳态温升仿真。
有限元方法的基本思想是把连续的几何结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一个单元中假设一个近视插值函数以表示单元中场函数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题，求解得到节点值后就可以通过设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数[2]。
1.由于断路器内部结构以及边界条件比较复杂，并且整个温升过程中是瞬态并且是非线性的，应用有限元分析软件ANSYS建立断路器热电耦合的三维有限元模型，建模时对结构进行合理简化，忽略了触头的内部的结构型式，对软连接等一些接触点采用等值电阻的方式进行等效建模。
2.随后进行网格划分，网格划分在整个有限元分析中占有非常重要的地位，划分网格的好坏将直接影响计算结果的准确程度，在划分网格过程中，可经过多次试验的方法得到较为理想的网格划分。
3.定义单元类型及材料属性，ANSYS软件中用于热电耦合分析的单元主要有7种，根据分析问题的性质以及单元特征，选择对应的热电耦合单元，再给定各材料的物理性能参数。
4.定义边界条件，ANSYS热分析的边界条件可分为7种：温度，热流率，对流，辐射，绝热和热源。
5.定义载荷步并求解，由于电场与温度场之间相互影响，不能单独对某一个场进行求解，因此必须采用直接耦合的方法进行。在求解之前，首先要定义载荷步，然后指定分析类型为瞬态分析，打开时间积分效应；其次根据断路器达到稳定工作所需的时间，定义载荷步结束时间。最后对照仿真结果，各个部位的温升是否能满足国家标准对电器设备各部件的最高允许温升的要求。
参考文献
[1]郑祥.新型大电流开关设备[D].大连：大连理工大学，2009.
[2]邓凡平.ANSYS10.0有限元分析自学手册[Ｍ].北京：人民邮电出版社，2007.1-382.
论文作者:钟瑜
论文发表刊物:《电力设备》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/6
标签：电流论文; 导体论文; 断路器论文; 温度论文; 触头论文; 稳定论文; 效应论文; 《电力设备》2017年第18期论文;