低压电器导电部分磁场的仿真优化方案

低压电器特性的正确计算需要采用场域仿真，例如断路器、接触器的开断性能与导电回路产生的自励吹弧磁场有关。本节结合塑壳断路器吹弧磁场计算来介绍有关的计算和仿真方法。

计算低压电器触头区域的吹弧磁场仿真方法类似于磁脱扣器和电动斥力的计算，但更为简单，仅需计算导电部分的电流场分布并进一步计算磁场即可，这里以一种塑壳断路器的吹弧磁场仿真分析为例来说明吹弧磁场的仿真。

塑壳断路器的触头灭弧系统一般由动导电杆、动触头、静导电杆、静触头以及栅片等组成，分析模型如图6-40所示，考虑到在动静触头附近添加铁磁物质的增磁块可以改变触头区域的吹弧磁场，而改变栅片与触头系统的距离也可改变吹弧磁场。给定一个灭弧室吹弧磁场的模型，平移栅片的位置，可以得到栅片离动静触头较远或较近两种情况，而动静触头附近可以添加或不添加U型增磁块，这样被分析的灭弧室模型可以分成四种情况，将其简称为栅片远无增磁块、栅片近无增磁块、栅片远带增磁块以及栅片近带增磁块，如图6-40a、b、c、d所示，这里增磁块为一U型电磁铁，把其底部套入U型静触头中，国际上也把这种结构称为电机槽（SlotMotor）结构。以下对比了额定电流为250A的四个模型在同样通以1000A电流的情况下，电弧中心线的磁感应强度B以及电弧受到的磁吹力。

将图6-40所示的模型再进行有限元网格剖分，可以得到磁场计算时所需的有限元模型，图6-41为栅片离动静触头较远并添加U型增磁块时的有限元模型。

计算过程可分为两步：静态电流传导分析；触头区磁场计算。

由于灭弧室载流导体和电弧的形状不均匀，当电流通过动静导电杆、动静触头以及电弧时，在各个横截面的电流分布并不处处相等，即电流密度不均匀，所以有必要进行静态电流传导分析。当加载的电流为1000A时，电流密度的分布如图6-42所示，图中电流密度的单位为A/m²。

将第一步所得电流密度分布情况作为激励加载至模型上，通过有限元分析计算，可以得到灭弧室内的空间磁场分布。图6-43为触头系统与栅片距离较远且带增磁块的结构，当触头打开并产生电弧时的磁场分布如图6-43所示，取电弧截面积等于静触头截面积，磁感应强度的单位为T。为了便于观察，未显示空气中的磁场。

计算得出了四种不同结构触头灭弧系统模型在电流1000A时的磁通分布情况后，将电弧沿中心线等分为9段，

图6-40 四种不同结构的触头灭弧系统吹弧磁场的模型

a）V型栅片离触头远且无增磁块 b）V型栅片离触头近且无增磁块 c）栅片远添加U型增磁块 d）栅片近添加U型增磁块

图6-41 栅片远带增磁块时的有限元模型

从而得到10个点，编号从下至上依次为1～10，示意图如图6-44所示。

图6-42 电流为1000A时载流导体和电弧中电流密度分布情况

图6-43 栅片远带增磁块时的吹弧磁场分布(www.xing528.com)

图6-44 所选取的电弧中心线上的10个点的示意图

为了进行严格的对比，四种情况我们采用了坐标相同，即位置相同的10个点。把两种情况下这10个点上的磁感应强度罗列出来，并制成了对比曲线，如图6-45所示。

根据前面所得的电流密度和磁感应强度的分布情况，可以分析电弧所受的磁吹力。通过电流的导体在磁场中受到的力属于洛伦兹力，其计算式为

在有限元分析中，通过已知的每个单元的电流密度、磁感应强度以及单元的体积v_i来求单元的受力，然后再对其求和获取总的力

本分析所要关心的力为电弧朝X方向进入栅片的力F_X，将所求的取X方向的分量即为所求。图6-46列出了四种情况下电弧所受的进入栅片的磁吹力F_X的情况。

通过以上仿真分析，对研究对象可获得以下结论：

1）栅片离动静触头的距离越近，电弧周围的磁场越强，相应地，电弧所受磁吹力亦增大。

2）在触头附近添加增磁块，能使灭弧室空间的磁场大大增强，使电弧受的磁吹力增加。

3）增磁块对吹弧磁场的影响较栅片位置改变所造成的作用要显著一些。

图6-45 四种情况电弧中心线上的磁感应强度对比曲线

图6-46 四种不同结构触头灭弧系统电弧所受磁吹力情况的对比