一種真空斷路器設計計算

于洪宇 王小煥 張敬濤 汪寧 陳利民 崔世輝

摘? 要：在真空斷路器設計中，強度計算和電場計算占據主要計算內容，通過計算，來判斷設計裕度，以便進行優化設計。

關鍵詞：電場;應力;應變

1 強度計算

本項目借助solidworks軟件的功能對斷路器強度進行校核。合理簡化斷路器三維模型，選取合理的約束、固定點，通過虛擬加載、網格劃分及計算，重點研究斷路器框架和主傳動鏈上零部件的變形，經過多次計算和優化，將斷路器的變形控制在合理的范圍內。

零件的許用應力必須低于材料的極限應力。塑性材料的安全因數ns=1.5-2.0，取ns=2計算得：Q235A許用應力：117MPa，40Cr許用應力：392MPa，45鋼許用應力：185MPa。應變又稱“相對變形”。零件由于載荷使它的幾何形狀和尺寸發生相對改變的物理量。根據ε=？滋σ/E得：

Q235A：0.274×235Mpa/210Gpa=0.0003，40Cr：0.278×785Mpa/215Gpa=0.001，45鋼：0.29×370Mpa/206Gpa=0.0005

斷路器應力分布、應變分布及位移分布分別見圖1、圖2、圖3。由表1分析可知，零件最大應力值均低于許用應力;模型發生應變低于材料允許應變值。由表2計算可知，斷路器三相同期性：（0.052-0.044）/（0.8～1.6）=（0.005～0.01）ms<1ms，滿足斷路器機械技術參數要求，表明斷路器機械強度可靠，其力學性能滿足設計要求。

2 絕緣計算

借助仿真軟件模塊，合理簡化斷路器三維模型，選取相應的材料屬性、介電常數，通過網格劃分、施加載荷，計算斷路器在合閘狀態下的電壓及電場強度分布，并找到場強分布集中區域加以優化。

2.1 三維模型

2.2 參數設置

分析中需要設置的參數：（1）分析中遠場物質的選定，選默認物質空氣。（2）相關材料的選定，按實際部件的材料組成。分別從軟件材料庫中選定，導電體為steel;環氧樹脂為epoxy;空氣為air。（3）相關材料的材料屬性如下：環氧樹脂，介電常數3.6，擊穿場強25kV/mm，空氣擊穿場強為3kV/mm。（4）國家標準規定40.5kV斷路器工頻耐受電壓為185kV，因此在高壓端施加雷電耐受電壓185kV。

2.3 計算結果

由圖5、圖6可知，斷路器模型電壓分布合理，斷路器電場強度最大值發生在滅弧室內部動觸頭與屏蔽罩結合處，考慮到該滅弧室已經成功應用在多個工程商，此處可以忽略。除此外，電場強度值低于空氣電場強度，滿足設計要求。