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10kV配電真空斷路器觸頭熔焊問題研究
摘要：本文對真空開關電器觸頭系統進行簡化，建立導電斑點簡化模型。利用電路原理模擬溫度場研究溫升，得出合閘過程中觸頭斑點的發熱特性。仿真中主要研究了觸頭材料、涌流、涌流相位、合閘速度、觸頭彈跳等問題。
關鍵詞：熔焊;合閘速度;彈跳;涌流;觸頭材料
一、概述
觸頭是真空開關電器實現電路轉換的重要部件。使用過程中，觸頭會遇到非常復雜的情況，最嚴重的損壞是熔焊。本文通過仿真的方式研究涌流、觸頭彈跳、觸頭合閘瞬間電流相位等因素在觸頭熔焊中的作用大小。
二、觸頭表面模型簡化
任何經過精細加工的名義表面，實際上都是粗糙不平的。本文將觸頭凹凸不平的表面簡化為布滿全表面的一簇毛刺。電極接觸時毛刺受到擠壓變形，實際接觸面積始終為毛刺的頂部，即導電斑點。導電斑點的物理模型簡單假設為圓臺。本文把10kV真空斷路器電極表面的導電斑點集中簡化為一個大的導電斑點。
三、仿真研究方法
當兩個觸頭在操動機構的推動下開始相互接觸時，在接觸力的作用下觸頭表面發生壓縮形變，假設其毛刺的體積不變，并且在毛刺始終保持為簡單的圓臺形狀。對電流加熱作用下電極表面的溫升用有限元法和有限差分法進行求解計算非常困難。本文采用對熱力系統進行電模擬的方法。對于本文中的電極模型，計算中將觸頭斑點沿軸向分為很多小的導電單元，它們的厚度呈等比數列。模擬其電流加熱過程的電路模型如圖1所示。
Cti(i=1-m)代表每個導體單元的熱容，其上電壓就等于給導體單元的溫度，Rti(i=1-m-1)代表每兩個導體單元之間的熱阻，流過其上的電流對應著相鄰導體單元熱傳導的熱流量。Pei表示每個導體單元因電流加熱而產生的歐姆發熱功率。
對上述模擬電路進行求解，根據電路原理，屬于直流電路的瞬態響應求解。本文中的模擬電路中有m個電容，電路為m階電路，用laplace變換的方法，在復頻域對電路進行求解。
四、仿真結果分析
仿真背景是10kV的真空斷路器，其額定電流為5kA，標準合閘速度為1.0m/s。
4.1 觸頭材料對觸頭熔焊影響
仿真中涌流為20kA，具體比較情況見圖2。上面三條曲線分別是CuCr25、CuCr30、CuCr40三種觸頭材料的溫升曲線，發現鉻含量越多，觸頭表面的溫度越高。
4.2 涌流對觸頭熔焊的影響研究
通過逐漸增大合閘涌流有效值的方法，計算出各種情況下觸頭表面導電斑點的溫升狀況，具體見圖3。
4.3合閘速度對觸頭熔焊的影響研究
在觸頭合閘行程不可變更的實際條件下，合閘速度是觸頭合閘時間的決定性因素，具體仿真結果見圖4。
[圖2 不同材料觸頭合閘過程中溫升比較][圖3 涌流有效值對合閘觸頭溫升的影響]
4.4 觸頭彈跳對觸頭熔焊的影響研究。觸頭彈跳有兩個重要參數，分別是觸頭彈跳振幅和觸頭彈跳衰減速度。觸頭彈跳振幅影響到溫升曲線振動的振幅大小，而衰減速度則決定了觸頭溫升振動的持續時間。實際生產中嚴格控制了彈跳振幅，衰減速度成為突出的問題。衰減速度對觸頭溫升影響如圖5所示。
五、結論與展望
通過上述仿真可以看出，觸頭材料是決定觸頭溫升和熔焊的根本性原因，涌流是影響熔焊最嚴重的因素。觸頭合閘速度在一定范圍內增大，可以有效地減少觸頭發熱量。觸頭彈跳可以導致觸頭溫度持續上升。
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