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基于SolidWorks的真空开关线圈式纵磁触头参数化设计

发表时间: 2017/8/22 作者: 黄涛*陈堂功 来源: 互联网
真空灭弧室中触头的形状和尺寸对于提高真空开关的开断能力十分重要。真空开关中线圈式纵磁触头都具有相似的结构但是在尺寸方面有所不同。在对线圈式纵磁触头进行设计时,设计人员每次都需要对触头进行重新建模,极大地浪费设计人员的时间和精力。基于SolidWorks软件平台,利用VB( Visual Basic)语言作为二次开发工具,通过对真空开关触头的结构和参数进行合理化分析,建立了真空开关线圈式纵磁触头参数化设计系统。利用该系统可以对真空开关电极触头进行快速高效地建模和装配,提高对零件的设计效率。
 

    0 引言

    真空开关从开始应用到电力系统至今已经有50多年的历史。真空开关凭借其开断容量大、体积小、可靠性高、寿命长,在中压领域迅速占领市场,并且还在逐年地扩大市场占有率。真空开关的关键部件是真空灭弧室,而真空灭弧室的核心部位是电极触头,所以对电极触头结构的研究一直是一个很重要课题。然而在开发人员每次对杯状触头进行设计和分析时都需要对触头重新进行建模,极大地浪费了设计人员的时间和精力,增加了开发的成本。本文通过对电极触头的结构和每个参数进行分析,以SolidWorks软件为开发平台,利用VB语言对电极触头进行参数化设计,从而设计出真空开关线圈式纵磁触头参数化设计系统。只要设计人员输入需要建立的模型参数就能实现快速地建模和装配,极大地提高了设计开发效率。

    1 二次开发原理

    Solidworks软件为了方便开发人员进行二次开发设计,提供了大量的应用程序接口(ApplicationProgramming Interface,API) 对象。设计人员通过利用支持对象链接与嵌入( Object Linking andEmbedding,OLE)的编程软件[4],例如 Visual C + + 、VBA、Delphi、VB 等软件,调用 API,从而对 Solidworks进行二次开发。本文对线圈式纵磁触头的开发方法是利用参数化系统建模法,通过利用VB软件建立人机交互的界面,人为对设计变量进行赋值,然后驱动程序建立模型。这种方法能够实现对模型的快速建立,且只要更改尺寸便可以实现模型的重建,十分便捷。

    2 真空开关线圈式纵磁触头结构

    现阶段,国际上大多数真空断路器的触头采用线圈式和杯状纵磁触头。杯状和线圈式纵磁触头在有电流流过后能够产生纵向磁场s 扩散型电弧在纵向磁场的作用下可以提高转变为收缩型电弧的转换电流值。在足够大的纵向磁场的作用下,大电流真空电弧能够保持真空电弧的扩散性,电弧斑点能够均勻地分布在触头表面,触头不会因为温度过高而产生严重的熔化。所以杯状和线圈式纵磁触头具有分断能力强、磨损率低(寿命长)的优点。由于线圈式纵磁触头结构相对复杂,设计人员每次进行建模都需要浪费很多时间和精力,所以本文对线圈式触头进行参数化设计。

    线圈式纵磁触头由触头片、线圈和导电杆三部分组成。触头片之间称弧区s 触头片和线圈间由不锈钢片支撑。线圈由数个触头拐臂组成,当电流经导电杆流入触头拐臂后可以分成2路、3路…形成环向电流,形成1/2、1/3 …匝线圈式纵磁触头。触头拐臂在尾端有突起,与不锈钢支撑片相连接,触头片上开有与触头拐臂相同数目的槽。线圈式纵磁触头的结构如图1所示。电流按照图1标示方向流动。

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    图1 线圈式纵磁触头结构

    3 真空开关线圈式纵磁触头参数分析

    一个好的电极触头不仅需要考虑产生纵向磁场的强度,还需要考虑产生的纵向磁场的滞后时间的长短和机械强度。线圈式纵磁触头的二次开发需要考虑的参数有触头开距,触头片的直径、厚度、开槽数,不锈钢支撑板的厚度,线圈的高度、厚度。其参数不同,会影响触头片产生纵向磁场的强度和纵向磁场滞后时间和机械寿命。所以需要对触头的各个参数进行具体考虑。

    3.1 触头开距

    触头开距由真空开关的额定电压决定。当触头的开距过小,真空开关的耐压和开断能力会受到影响;当开距过大会使波纹管的寿命减小。所以在满足真空开关的耐压条件下,开距尽量选得小一些。

    3.2 触头片的直径和厚度

    触头片的直径决定了触头的开断能力。当触头片直径越大,电弧在阳极的扩散范围越大,电弧越容易熄灭。但如果直径太大,在高电压下被击穿的概率就会增大,屏蔽罩的尺寸也会增加,会加大加工难度和增加生产成本。在生产设计的时候根据短路开断电流与触头片的直径关系可以计算出触头片合适的直径。按照Rich的模型,假设在半个周期内燃弧能够熄灭,同时假定当真空开关分断后质点平均自由行程小于开距s倍后绝缘才被破坏,则触头直径可由式(1)计算得出:

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    当触头直径确定后就需要考虑触头片厚度,触头片的厚度决定了触头的寿命。触头太薄则寿命短,太厚则影响纵向磁场分布。假设每开断一次消耗触头片的磨损率q相同,触头片的厚度可以由式(2)计算得出:

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    3.3 触头其他参数的考虑

    触头片开槽个数越多,纵向磁场滞后时间越短,在电流过零时有利于电子和离子向外扩散。开槽宽度和长度对纵向磁场强度没有太大的影响。线圈拐臂的个数越少,纵向磁场越强,但其产生的纵向磁场滞后时间越长。所以对线圈拐臂个数需要综合考虑。线圈高度越低、厚度越小、纵向磁场越强,且纵向磁场滞后时间越短,熄弧能力越强。但是线圈高度越低、厚度越小,其支撑能力越弱,在压力过大时线圈容易变形。所以在线圈高度和厚度能够支撑触头片压力时,线圈局度和厚度尽量选得小一些。线圈和触头片的开槽宽度对纵向磁场没有太大的影响。

    4 线圈式纵磁触头参数化设计实现

    4.1 参数化系统设计流程

    真空开关线圈式纵磁触头的设计流程如图2所示。

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    图2 线圈式纵磁触头参数化设计流程图




责任编辑:郝秋红