產品知識
箱型氣體絕緣交流金屬封閉開關設備（C-GIS）優化設計
| 文章標題：箱型氣體絕緣交流金屬封閉開關設備（c-gis）優化設計摘要：本文介紹40.5kvc-gis的絕緣結構、斷路器機構傳動和氣室強度等內容進行的研究，對重要參數進行了理論計算、分析及驗證，并提出了結構優化改進措施，反映了高壓開關設備研發手段的技術發展趨勢。英文摘要：thistextintroducestheresearchinganalysistowards40.5kvc-gis,suchastheinsulatingconstruction,theoperatingdeviceofcircuitbreaker,andthestrengthmeasuresofthegascontainer.notonlygivesthetheoreticalcalculation,analysisandverificationofitsimportantparameter,thistextalsobringsupmeasuresofthestructuralimprovement.theseresultsreflectthedevelopmenttrendofmoderndevelopingmeansofhigh-voltageswitchgearresearchanddevelopment.關鍵詞：sf6氣體絕緣、c-gis、cae、優化英文關鍵詞：thesf6gasinsulation,c-gis,cae,optimizing |
| 1、前言：隨著國家經濟的發展，城市化進程不斷深入，城市容量也急劇擴充。參考國外交通發展狀況，結合我國的具體情況，發展城市軌道交通已經勢在必行。發展城市軌道交通對城市電力系統的供給能力提出了更高的要求。作為電力系統中的重要一環，對高壓開關設備高可靠性、少維護、小型化方面的要求不斷提高。作為國際上新發展起來的高新技術的成套配電裝置，中壓c-gis產品已然成為國內電力市場的一個新的選擇方向。與其他相同電壓等級的開關設備相比較，其科技含量很高，具有體積小，可靠性高，使用范圍廣等優越性。自2001年始，我廠確定了xgn69-40.5kvc-gis產品的研發任務，通過選型論證、關鍵技術基礎研究、產品結構設計和試制、研究性試驗等階段的工作，產品已于2003年6月份在西高所通過了全部的型式試驗，產品額定電壓40.5kv，額定電流2000a、額定開斷電流31.5ka，采用真空開斷，利用sf6氣體作為絕緣介質，一次帶電部分全部封閉于金屬氣室中，能夠適應各種應惡劣的運行環境。該產品在設計過程中大量采用了cae手段進行設計優化，對關鍵結構和數據進行計算分析，與試驗結果相比照，使該產品的各方面特性參數都具有較大的裕度，產品可靠性大為提高。本文針對產品設計過程中部分cae關鍵技術的研究結論進行敘述，討論了高壓開關設備研發手段的技術發展趨勢。2、c-gis電場分析和優化設計絕緣是電器設備結構中的重要組成部分，通過電場分析并采用cae手段優化設計可以既經濟合理又安全可靠的解決c-gis中的絕緣問題。2.1sf6氣體間隙絕緣的工程計算開關柜應用的主要是稍不均勻電場結構，當sf6間隙中的最大場強達到某一數值eb時，間隙擊穿。擊穿電壓ub=ηebdη為絕緣利用系數，為間隙中平均場強eav與最大場強emax之比，d為sf6間隙距離，eb在作粗略估算時可用下表的工程擊穿場強ebt值將40.5kv產品的額定絕緣水平值作為擊穿電壓，設充氣壓力p=0.15mpa（abs），結合柜內電極結構的變化，η取值定為為0.25~0.5，則按50hz工頻耐壓計算出的間隙距離為4.35—2.17cm；按雷電沖擊電壓計算出的間隙距離為7.28—3.64cm。2.2sf6沿面絕緣的工程計算當sf6沿面絕緣結構中的最大場強達到某一數值ef時，發生閃絡。閃絡電壓為：uf=ηefdη為絕緣利用系數，d為sf6間隙距離ef在作粗略估算時可用下表的工程擊穿場強eft值同上條件，可得50hz工頻耐壓下的爬電距離為6.51—3.25cm；雷電沖擊電壓下的爬電距離為8.85—4.42cm。2.3cae技術電場分析及優化上述計算僅提供了c-gis絕緣結構設計的初值。更細致的設計應該基于對電場強度的計算和優化。以下是對c-gis母聯器進行電場分析的實例。圖1所示為母聯器及安裝示意結構。套管采用環氧樹脂材料，一側處于sf6氣體中；另一側處于空氣中，圖中顯示為未并柜，主母線未與旁柜連同的工況。因套管附近電場區域基本圍繞棒狀母線進行軸對稱型分布，故可簡化為在穿過中心軸線的平面中取對稱軸上半部分電場區域進行計算。3)螺釘坎件,電位等于地。4)金屬安裝法蘭（用于使套管與柜體相連），電位等于地。產品充氣壓力為0.04mpa（環境溫度20℃時）。施壓按雷電沖擊耐壓峰值185kv計算，sf6氣體相對介電常數為1.002，環氧樹脂材料的介電常數為3.5。圖2為所獲得的優化結構下的電場分布圖。在電場計算中，可以直觀得到電場強度的局部極值點，通過改變局部形狀、布置等結構要素，去降低最大場強值，并使固體絕緣件表面的路徑與電力線盡量平行等，使實際電場場強比該氣壓下sf6氣體的擊穿場強留有一定裕度，即可確定其絕緣具體結構。3、操作機構的機械特性分析和優化設計該產品斷路器配用彈簧操作機構，對機構的分析主要是實現斷路器合、分閘運動的機械動力學方面的計算。3.1機械特性分析目的為獲得斷路器觸頭合、分運動的優化機械行程特曲線、機構完成既定運動后的剩余能量，以及機構桿件間傳遞的機械利益和效率。3.1.1機構cae數學模型的建立在滅弧室結構一定的情況下，分閘速度（行程特性曲線）是斷路器的開斷性能的決定性因素，所以對斷路器機構設計應從分閘特性入手，當分閘特性滿足后，再對合閘運動特性進行分析，并從動力配合角度對分合閘特性進行優化。3.1.2斷路器分閘特性的分析第一步：負載特性曲線的確定，初步由真空滅弧室的要求來確定；第二步：傳動機構的確定，設計準則為：使斷路器觸頭開距得以滿足，且解決觸頭變直問題及提高傳動效率問題等；第三步：運動分析，通過操作機構輸出大軸和動觸頭運動的匹配，得到分閘速度和輸出大軸與油緩沖碰撞速度；第四步：動力分析，通過優化確定分閘簧和觸頭簧所要提供的能量，利用輸出大軸與油緩沖碰撞速度曲線作為設計油緩沖油隙的依據。其分析結果（未計油緩沖器阻尼）見圖3，從圖中可查到分閘速度為1.75m/s，（開距為15mm）,后實測分閘速度為1.7m/s，滿足設計要求。3.1.3斷路器合閘特性的分析第一步：負載特性曲線的確定，初步由分閘簧和觸頭簧及合閘電動力對操作機構的要求來確定；第二步：傳動機構的確定，設計準則為：保證觸頭在以接觸后就能可靠地接觸；第三步：運動分析，使斷路器觸頭合閘速度得以滿足，一方面從降低機械應力和沖擊的角度出發，另一方面要較高的合閘速度來減小預擊穿時間，減小觸頭磨損量；第四步：動力分析，通過優化合閘能量，對臨界反彈合閘速度進行分析，解決彈跳問題等。其優化分析結果見圖4，從圖中可查到合閘前10ms時，合閘速度為0.8m/s,，滿足設計要求。3.2機構可靠性分析主要內容：（1）分析機構構件的運動和影響受力，降低強烈的沖擊變形，解決機械強度和剛度的問題，（2）合成凸輪輪廓并研究相應的運動，優化計算的結論如下：（1）合閘能量降低了60；（2）傳動效率提高了30；（3）凸輪的受力從200000n降至62000n以下（見圖5）,從根本上解決凸輪滾子和凸輪的壽命問題。4、氣室結構剛度優化分析氣室作為c-gis組件的安裝基礎，以及考慮密封受壓的設計壓力條件，及內部燃弧故障工況的承壓等，需要對氣室剛度進行設計計算。氣室由薄板構成的，通常采用加強板厚和加強筋的方法來提高強度，通過分析計算才能確定氣室的板件厚度、加強筋的截面和布置位置、方式等。圖6為氣室一端側面在設計壓力條件下的形變計算結果。氣室最大變形在0.35mm以下。5、結論我廠xgn69-40.5（z）/t2000-31.5c-gis,全部零部件采用三維計算機輔助設計（cad），關鍵結構均通過cae工具分析計算，在電場、機構傳動以及結構強度等方面進行了優化設計,使產品具有高可靠性。產品除全面完成型式試驗外,還累計完成了10余萬次的機械可靠性增長試驗。另外,該產品設計上還實現了智能化功能?？梢钥隙?，該產品將會成為今后一個階段內國內自主知識產權c-gis中的領軍產品，在發展城市電力系統的供給能力,建設城市軌道交通電力系統的過程中將表現出其小型化，智能化，高可靠性，免維護的優良特性。參考文獻：1．朱德恒，嚴璋主編高電壓絕緣2．尚振球郭文元編高壓電器西安交通大學出版社，19923．徐國政張節容錢家驪黃渝瓏編著高壓斷路器原理和應用清華大學出版社，2000作者簡介：王安心，1995年畢業于湖南大學機制專業，工程師，從事輸變電開關設備設計?，F任天水長城開關廠高壓電器研究所cae設計室主任，本項目的主要開發人和項目負責人。 |