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真空灭弧室结构是否合理对真空开关开断性能有着重要影响。目前国内外专家学者在对灭弧室触头结构设计中大多仅考虑了灭弧室的电气性能，而忽略了触头的机械性能。在灭弧室合闸过程中，动、静触头碰撞时产生的合闸冲击力具有时间短、强度高等特点，在多次合闸操作后，灭弧室触头极有可能在循环冲击载荷作用下发生疲劳破坏，导致触头实际工作寿命远低于预期寿命，因此开展真空灭弧室触头疲劳寿命研究是有必要的。
灭弧室合闸过程中的触头冲击碰撞现象是一个极其复杂的非线性程度很高的问题。冲击载荷作用下，触头结构内部应力以波的形式高速传播，在遇到界面尺寸改变时将产生反射、叠加等现象，在结构内部形成复杂的应力应变状态，对触头结构疲劳寿命有着重大影响。在研究触头冲击碰撞问题时最直观的方法是实验法，通过搭建实验装置可直接对触头合闸冲击力及触头寿命进行测量，但测量结果受实验装置的影响较大，需要大量实验数据进行验证以避免测量结果偶然性。
大连交通大学机械工程学院、平高集团有限公司的董华军、李东恒、钟建英、朱晔、郭方准，在2022年第15期《电工技术学报》上撰文，对真空断路器操动机构合闸动态特性进行计算；然后在LS-DYNA中根据触头结构设计接触关系，建立触头结构有限元模型，将动、静触头碰撞时刻的速度作为初始条件，计算触头结构在合闸碰撞过程中各时刻的应力应变；在nCode软件中建立触头疲劳寿命分析流程，将触头碰撞过程应力应变计算结果、材料E-N曲线输入到nCode软件中，通过雨流计数法对冲击载荷历程进行计数统计，计算出触头合闸冲击下的疲劳累计损伤及分布，预测出触头疲劳寿命及危险区域，并对支撑盘结构进行优化以提高触头结构疲劳寿命。
图1 VS1操动机构动力学仿真模型
图2 触头模型
他们在此基础上分析了支撑盘结构对触头疲劳寿命的影响，得出以下结论：
1)通过对灭弧室触头冲击过程进行显示动力学分析，可知触头合闸过程中杯座开槽根处及触头片开槽末端为高应力危险区域，易发生破坏。
2)基于Miner累积损伤理论和局部应力应变疲劳理论，对触头结构进行疲劳寿命分析，可知触头疲劳寿命危险区域基本与高应力危险区域相对应，同为触头片及杯座开槽根处。
3)触头支撑盘结构对触头疲劳寿命的影响较大，其中当支撑盘为圆柱和圆筒型时，触头机械性能相对较差；支撑盘为凸台型时，触头的机械性能较好，能使触头结构应力分布更加合理，其疲劳寿命可达13970次，基本满足触头额定寿命要求。
图3 凸台支撑盘触头结构疲劳寿命及损伤分布
科研人员指出，本课题的研究成果为触头结构疲劳寿命预测及优化提供了理论参考。另外，他们也表示，本次研究在真空灭弧室冲击疲劳研究中未考虑电动斥力、温度等对触头结构疲劳寿命产生的影响，因此触头结构在载流环境下运行的寿命预测和评估工作仍需进一步研究和完善。
本文编自2022年第15期《电工技术学报》，论文标题为“12kV真空灭弧室触头合闸冲击下疲劳寿命研究”。本课题得到国家自然科学基金和辽宁省自然科学基金计划资助项目的支持。
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