第３６卷第４期 ２０１４年８月 黑龙江电力 Ｖ０１．３６ Ｎｏ．４ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ａｕｇ．２０１４ 基于ＡＮＳＹＳ的中压真空灭弧室内部磁场的仿真分析 孙巍 ，刘 洋 ，张洪达 ，孙晨 ，史宗谦 （１．黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨１５００３０；２．西安交通大学，西安７１００４９） 摘要：针对某种１２ ｋＶ／３１５０ Ａ／４０ ｋＡ真空灭弧室中电弧出现收缩现象导致触头表面局部严重烧蚀的问题，笔者应用ＡＮＳＹＳ 软件对灭弧室内部的稳态磁场和瞬态磁场进行仿真研究，阐述了灭弧室中触头的结构与形状对灭弧室内部磁场分布的影响， 用电弧特性试验比较分析了不同开断电流下真空电弧的形态，验证了应用ＡＮＳＹＳ软件对灭弧室内部磁场进行仿真研究的准 确性。 关键词：真空灭弧室；磁场；仿真分析；电弧 中图分类号：ＴＭ ５６１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２—１６６３（２０１４）０４—０２９９—０６ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｎｓｉｄｅ ｍｅｄｉｕｍ ｖｏｌｔａｇｅ ｖａｃｕｕｍ ｃｈａｍｂｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ ＳＵＮ Ｗｅｉ ，ＬＩＵ Ｙａｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｈｏｎｇｄａ ，ＳＵＮ Ｃｈｅｎ ，ＳＨＩ Ｚｏｎｇｑｉａｎ （１．Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈａｒｂｉｎ １５００３０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｘｉ＇ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ａｒｃ ｃｏｎｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｉｎ １ ２ ｋＶ／３ １ ５０ Ａ／４０ ｋＡ ｖａｃｕｕｍ ｃｈａｍｂｅｒ ｗｈｉｃｈ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｓｅｒｉｏｕｓ ｅｒｏｓｉｏｎ ｏｆ ｐａｒｔｉａｌ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｕｒｆａｃｅ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＡＮＳＹＳ，ｓｉｍｕｌａｔｅｓ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ａｎｄ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｖａｃｕｕｍ ｃｈａｍｂｅｒ，ｅｘｐｏｕｎｄｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ Ｏｉｌ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｇ－ ｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｎｓｉｄｅ ｖａｃｕｕｍ ｃｈａｍｂｅｒ，ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｖａｃｕｕｍ ａｒｃ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｂｙ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ａｒｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｗｈｉｃｈ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ＡＮＳＹＳ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｅｌｄ ｉｎｓｉｄｅ ｍｅｄｉｆｕｍ ｖｏｌｔａｇｅ ｖａｃｕｕｍ ｃｈａｍｂｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖａｃｕｕｍ ｃｈａｍｂｅｒ；ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ；ａｒｃ 在真空灭弧室用纵向磁场来控制真空电弧的 形态，能够提高灭弧室的开断性能。纵向磁场对抑 制真空灭弧室内部大电流电弧的收缩、降低电弧电 压、防止触头表面的烧蚀以及提高弧后介质恢复强 响真空灭弧室内部磁场分布的因素。而且，在可拆 卸真空灭弧室中进行了电弧特性实验，获取了不同 开断电流下的电弧特性，为今后中压真空灭弧室的 设计提供了参考依据。 度等具有良好的效果 ｊ。然而，由于某些中压真空 灭弧室中电弧随着电流不断增大，仍然出现收缩现 象，造成了触头表面局部严重烧蚀，严重影响了电 流的开断和触头的电寿命。因此，为了研究灭弧室 １磁场仿真模型的建立 本文运用有限元分析法计算中压真空灭弧室 内部的磁场分布，其原理：将所处理的对象划分为 内部的磁场分布，提高中压真空灭弧室的开断性 能，本文应用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件建立了真空灭弧室 内部磁场计算的仿真模型，设置了材料属性和边界 有限个单元（包含若干个节点），根据磁场偏微分方 程求解一定边界条件与初始条件下每个节点处的 矢量磁势，从而求解出磁场的其他物理量 Ｊ。矢 量磁势为 Ｂ＝ ×Ａ （１） 条件，并采用ＡＮＳＹＳ仿真软件对真空灭弧室内部弧 柱中心平面的纵向磁场分布进行了计算，指出了影 收稿日期：２０１４—０２—２０。 式中：Ｂ为磁感应强度； 为矢量磁势。 作者简介：孙巍（１９８５一），男，２０１２年毕业于西安交通大学，硕士， 助理工程师，主要研究方向为高压电气设备仿真分析、诊 断及带电检测。 矢量磁势式（１）满足了高斯磁通定律和法拉第 电磁感应定律，所以应用高斯电通定律和安培环路 定律，就得到了磁场偏微分方程和拉普拉斯算子： 第４期 孙巍，等：基于ＡＮＳＹＳ的中压真空灭弧室内部磁场的仿真分析 ０一、 穗 馋龃 ４ ２ Ｏ ８ ６ ４ ２ Ｏ ２ ４ ６ ・３０１・ 涡流效应会引起滞后，当滞后时间ｔ大于一定 值后，电弧会集中烧蚀阳极表面，致使阳极温度升 高，从而对真空断路器的开断性能造成影响。因 此，对滞后时间ｔ的研究尤为重要。为了得到电弧 中心平面纵向磁场的滞后时间，首先应按电弧中心 平面纵向磁场的磁感应强度随时间变化的表达式 进行计算，然后由其实部和虚部确认纵向磁场滞后 于电流的相位角，进而计算出纵向磁场的滞后时间 ｔ。电弧中心平面沿 轴径向的纵向磁场实部和虚 部的分布曲线如图３所示。电弧中心平面沿 轴径 向的纵向磁场滞后时间分布曲线如图４所示。 －Ｕ Ｏ４・０．Ｕ３－Ｕ ０２－０ ０１ ０ ０ ０１ ０ ０２ ０ ０３ ０ ０４ 距离 图３电弧中心平面沿 轴径向的纵向 磁场实部和虚部的分布 Ｆｉｇ．３ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｃ ｃｅｎｔｅｒ ｐｌａｎｅ ａｌｏｎｇ ａｘｉｓ ｒａｄｉａｌ ａｘｉａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｏｆｔｈｅ ｒｅａｌ ａｎｄ ｉｍａｇｉｎａｒｙ ｐａｒｔ －０ ０４—０．０３－０ ０２－ｏ ｏｌ Ｄ ｏ Ｕ】Ｏ．０２ ｏ０３ ｏ ０４ 距离，ｍ 图４电弧中心平面沿ｘ轴径向的纵向 磁场滞后时间分布 Ｆｉｇ．４ ＬｏｎｇｉｔｕｔＦｍａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｆｅｌｄ ｌａｇ ｔｉｍｅ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｃ ｃｅｎｔｅｒ ｐｌａｎｅ ａｌｏｎｇ ｈｔｅ ａｘｉｓ ｒａｄｉａｌ 从图３中可以得出：电弧中心平面最大磁感应 强度的有效值为１２．３５ ｍＴ，相位滞后０．３２ ｒａｄ，电弧 中心平面上的纵向磁场的磁感应强度随时间变化 的表达式为 Ｂ：１２．３５￣／２ｃｏｓ（３１４ｔ一０．３２） 式中：Ｂ为磁感应强度，ｍＴ。 从图４中可以看出，在电弧中心平面的中心处 纵向磁场的滞后时间最长，最长滞后时间为 １．０１ｍｓ，在电弧边缘处纵向磁场的滞后时间最短。 ３．２瞬态磁场仿真计算结果 通过对中压真空灭弧室内部稳态磁场的计算， 得到了在长期工作时间内灭弧室内部纵向磁场随 时间变化的规律。但是，这并不能准确反映出在特 定的较短时间内纵向磁场的变化规律，还需要进行 瞬态磁场的仿真计算。所以，本文具体分析在１／２ 工频电流周期（０．０ｌ ｓ）的特定时间内，中压真空灭 弧室内部纵向磁场的分布情况。 对磁场仿真模型施加１／２周期有效值为 ３１５０ Ａ的工频交流电流，分别得到在输人电流峰值 时刻和过零时刻中压真空灭弧室内部电弧中心平 面的纵向磁场分布。输入电流峰值时刻，真空灭弧 室内部电弧中心平面的纵向磁场分布如图５所示。 电流峰值和过零时刻，真空灭弧室内部电弧中心平 面沿 轴径向纵向磁场的分布曲线如图６所示。 ０ ０ ００２ ０ ００５ ０ ００７ ０．００９ ０ ０１２ ０ ０１４ ０ ０１７ ００１９ ０ ０２２ 图５ 电流峰值时刻电弧中心平面的纵向磁场分布图 Ｆｉｇ．５ Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｃ ｃｅｎｔｅｒ ｐｌａｎｅ ａｔ ｐｅａｋ ｃｕｒｒｅｎｔ 图６电流峰值和过零时刻电弧中心平面 沿 轴径向纵向磁场的分布 Ｆｉｇ．６ Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｃ ｃｅｎｔｅｒ ｐｌａｎｅ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ａｘｉｓ ｒａｄｉｌａ ａｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｅａｋ ａｎｄ ｚｅｒｏ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｔｉｍｅ 从图５和图６中可以看出：１）在输入电流的峰 值时刻，电弧中心平面的纵向磁场呈“钟”形分布， 电弧中心平面的中心区域纵向磁场强度较大，最大 有效值达到１７．９ ｍＴ，但是此区域的纵向磁场分布 ∈越呲 ８ ６ ４ ２・３０４・ 黑龙江电力 第３６卷 （上接第２９８页） ３）模型为抽水蓄能机组的调度提供了一种新 制［Ｊ］．水力发电，２００７（９）：５９—６１． ＳＨＩ Ｒｏｎｇｗｅｉ．Ｅｎｖｉｏｎｍｅｎｔｒ ｆａｃｔｏｒｓ’Ｓ ｉｄｅｎｔｉｉｃａｔｉｆｏｎ，ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｎｄ 策略，同时与传统的低谷抽水高峰发电调度策略能 ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ Ｓｈａｈｅ ｐｕｍｐｅｄ—ｓｔｏｒａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｈｙｄｒｏｐｅｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，２００７（９）：５９—６１． 够取得较好的衔接，实现平稳过渡，同时也说明传 统调度策略的经济性和合理性。 ［６］崔继纯，刘殿海，梁维列。等．抽水蓄能电站经济环保效益分 析［Ｊ］．中国电力，２００７（１）：５—１Ｏ． ＣＵＩ Ｊｉｃｈｕｎ，ＬＩＵ Ｄｉｎｈａｉ，ＩａＪＩＡＮＧ Ｗｅｉｌｉｅ，ｅｔ ａ１．Ｂｅｎｅｆｉｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆ ｅｃｏｎｏｍｉｏｃ ｅｎｖｉｏｎｍｅｎｔｒ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｕｍｐｅｄ －ｓｔｏｒａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｔａ－ 参考文献 ［１］ＢＡＳＵ Ｍ．Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｗ￣－＇ｎｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｇｏａｌ—ａｔｔｍｎｍｅｍ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｄｉｓｐａｔｃｈ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｍ— ｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００６，３４（９）：１０１５—１０２５． ｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，２００７（１）：５一ｌ０． ［７］刘连玉．两部制电价的突破口——优先对抽水蓄能电站试行两 部制电价［Ｊ］．水力发电，２００１（１）：５０—５２． ＬＩＵ Ｌｉｎｙｕ．Ｂｒｅａｋｔａｈｒｏｕｇｈ ｏｆ ｔｏｗ—ｐａｒｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｐｒｉｃｅ—ｉｍｐｌｅｍｅｎ— （２］ＫＵＬＫＡＲＮＩ Ｐ ｓ，ＫＯＴＨＡＲＩ Ａ Ｇ，ＫＯＴＨＡＲＩ Ｄ Ｐ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｅｃｏ＋ ｎｏｍｉｃ ａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｄｉｓｐａｔｃｈ ｕｓｉｎｇ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｎｅｕ— ｔｉｎｇ ｔｗｏ—ｐａｒｔ ｅｌｅｃｔｉｒｃｉｔｙ ｐｒｉｃｅ ｉｎ ｐｕｍｐｅｄ－ｓｔｏｒａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｈｙｄｒｏｐｅｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，２００１（１）：５０—５２． ｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０００， ２８（１）：３卜４４． ［８］王开艳，罗先觉，吴玲，等．清洁能源优先的风一水一火电力系 统联合优化调度［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１３（１３）：２７—３５． ＷＡＮＧ Ｋａｉｙａｌｌ，ＬＵＯ Ｘｉｎｊｕｅ，ＷＵ Ｌｉａｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｏｐｔｉｍａｌ ｄｉｓｐａｔｃｈ ｆ ｏｗｉｎｄ—ｈｙｄｒｏ—ｔｈｅｒｍａｌ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｐｒｉｏｒｉｔｙ ｇｉｖｅｎ ｔｏ ｃｌｅａｎ ｅｎ・ ［３］孙薇．市场条件下抽水蓄能电站效益综合评价及运营模式研 究［Ｄ］．保定：华北电力大学，２００７． ＳＵＮ Ｗｃｉ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｂｅｎｅｆｉｔ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｅｒ－ ａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｏｆ ｐｕｍｐｅｄ—ｓｔｏｒａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｉｔｏｎ ｏｆ ｅｒｇｙ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ ＣＳＥＥ，２０１３（１３）：２７—３５． ［９］袁铁江，晁勤，吐尔逊・伊不拉音，等．大规模风电并网电力系 统动态清洁经济优化调度的建模［Ｊ］．中国电机工程学报， ２０１０（３１）：７—１３． ｍａｒｋｅｔ［Ｄ］．Ｂａｏｄｉｎｇ：Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ２ｏｏ７． ［４］林义国．白云抽水蓄能电站工程效益与环境影响分析［Ｊ］．能源 与环境，２０１１（５）：５８—５９． ＬＩＮ Ｙｉｏｏ．Ａｎａｇｌｙｓｉｓ ｏｆ ｂｅｎｅｆｉｔ ａｎｄ ｅｎｖｉｏｎｍｅｎｔｒ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｂａｉｙｕｎ ＹＵＡＮ Ｔｉｅｊｉｎｇ，ＣＨＡＯ Ｑｉａｎ，ＴＯＥＲＸＵＮ Ｙｉｂｕｌａｙｉｎ，ｅｔ ａ１．Ｏｐｔｉ— ｍｉｚｅｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ａｎｄ ｅｎｖｉｏｎｍｅｎｔ－ｒｆｉｅｎｄｌｒｙ ｄｉｓｐａｔｃｈｉｎｇ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｆｏｒ ｐｕｍｐｅｄ－ｓｔｏｒａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉ— ｒｏｎｍｅｎｔ，２０ｌｌ（５）：５８—５９． ｌａｒｇｅ・ｓｃａｌｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｆｏ ｈｔｅ ＣＳＥＥ， ２０１０（３１）：７—１３． ［５］史荣伟．沙河抽水蓄能电站对环境因素的识别、评价和控 （责任编辑郭金光）
