產(chǎn)品知識
箱型氣體絕緣交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備（C-GIS）優(yōu)化設(shè)計
| 文章標(biāo)題：箱型氣體絕緣交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備（c-gis）優(yōu)化設(shè)計摘要：本文介紹40.5kvc-gis的絕緣結(jié)構(gòu)、斷路器機構(gòu)傳動和氣室強度等內(nèi)容進行的研究，對重要參數(shù)進行了理論計算、分析及驗證，并提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進措施，反映了高壓開關(guān)設(shè)備研發(fā)手段的技術(shù)發(fā)展趨勢。英文摘要：thistextintroducestheresearchinganalysistowards40.5kvc-gis,suchastheinsulatingconstruction,theoperatingdeviceofcircuitbreaker,andthestrengthmeasuresofthegascontainer.notonlygivesthetheoreticalcalculation,analysisandverificationofitsimportantparameter,thistextalsobringsupmeasuresofthestructuralimprovement.theseresultsreflectthedevelopmenttrendofmoderndevelopingmeansofhigh-voltageswitchgearresearchanddevelopment.關(guān)鍵詞：sf6氣體絕緣、c-gis、cae、優(yōu)化英文關(guān)鍵詞：thesf6gasinsulation,c-gis,cae,optimizing |
| 1、前言：隨著國家經(jīng)濟的發(fā)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(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合我國的具體情況，發(fā)展城市軌道交通已經(jīng)勢在必行。發(fā)展城市軌道交通對城市電力系統(tǒng)的供給能力提出了更高的要求。作為電力系統(tǒng)中的重要一環(huán)，對高壓開關(guān)設(shè)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(fā)展起來的高新技術(shù)的成套配電裝置，中壓c-gis產(chǎn)品已然成為國內(nèi)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(guān)設(shè)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(yōu)越性。自2001年始，我廠確定了xgn69-40.5kvc-gis產(chǎn)品的研發(fā)任務(wù)，通過選型論證、關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和試制、研究性試驗等階段的工作，產(chǎn)品已于2003年6月份在西高所通過了全部的型式試驗，產(chǎn)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(zhì)，一次帶電部分全部封閉于金屬氣室中，能夠適應(yīng)各種應(yīng)惡劣的運行環(huán)境。該產(chǎn)品在設(shè)計過程中大量采用了cae手段進行設(shè)計優(yōu)化，對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)進行計算分析，與試驗結(jié)果相比照，使該產(chǎn)品的各方面特性參數(shù)都具有較大的裕度，產(chǎn)品可靠性大為提高。本文針對產(chǎn)品設(shè)計過程中部分cae關(guān)鍵技術(shù)的研究結(jié)論進行敘述，討論了高壓開關(guān)設(shè)備研發(fā)手段的技術(shù)發(fā)展趨勢。2、c-gis電場分析和優(yōu)化設(shè)計絕緣是電器設(shè)備結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，通過電場分析并采用cae手段優(yōu)化設(shè)計可以既經(jīng)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(guān)柜應(yīng)用的主要是稍不均勻電場結(jié)構(gòu)，當(dāng)sf6間隙中的最大場強達到某一數(shù)值eb時，間隙擊穿。擊穿電壓ub=ηebdη為絕緣利用系數(shù)，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(chǎn)品的額定絕緣水平值作為擊穿電壓，設(shè)充氣壓力p=0.15mpa（abs），結(jié)合柜內(nèi)電極結(jié)構(gòu)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(dāng)sf6沿面絕緣結(jié)構(gòu)中的最大場強達到某一數(shù)值ef時，發(fā)生閃絡(luò)。閃絡(luò)電壓為：uf=ηefdη為絕緣利用系數(shù)，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(shù)電場分析及優(yōu)化上述計算僅提供了c-gis絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計的初值。更細致的設(shè)計應(yīng)該基于對電場強度的計算和優(yōu)化。以下是對c-gis母聯(lián)器進行電場分析的實例。圖1所示為母聯(lián)器及安裝示意結(jié)構(gòu)。套管采用環(huán)氧樹脂材料，一側(cè)處于sf6氣體中；另一側(cè)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(qū)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(qū)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(chǎn)品充氣壓力為0.04mpa（環(huán)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(shù)為1.002，環(huán)氧樹脂材料的介電常數(shù)為3.5。圖2為所獲得的優(yōu)化結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。3、操作機構(gòu)的機械特性分析和優(yōu)化設(shè)計該產(chǎn)品斷路器配用彈簧操作機構(gòu)，對機構(gòu)的分析主要是實現(xiàn)斷路器合、分閘運動的機械動力學(xué)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(yōu)化機械行程特曲線、機構(gòu)完成既定運動后的剩余能量，以及機構(gòu)桿件間傳遞的機械利益和效率。3.1.1機構(gòu)cae數(shù)學(xué)模型的建立在滅弧室結(jié)構(gòu)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(gòu)設(shè)計應(yīng)從分閘特性入手，當(dāng)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(yōu)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(gòu)的確定，設(shè)計準(zhǔn)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(gòu)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(yōu)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(shè)計油緩沖油隙的依據(jù)。其分析結(jié)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(shè)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(gòu)的要求來確定；第二步：傳動機構(gòu)的確定，設(shè)計準(zhǔn)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(yīng)力和沖擊的角度出發(fā)，另一方面要較高的合閘速度來減小預(yù)擊穿時間，減小觸頭磨損量；第四步：動力分析，通過優(yōu)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(yōu)化分析結(jié)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(shè)計要求。3.2機構(gòu)可靠性分析主要內(nèi)容：（1）分析機構(gòu)構(gòu)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(yīng)的運動，優(yōu)化計算的結(jié)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(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化分析氣室作為c-gis組件的安裝基礎(chǔ)，以及考慮密封受壓的設(shè)計壓力條件，及內(nèi)部燃弧故障工況的承壓等，需要對氣室剛度進行設(shè)計計算。氣室由薄板構(gòu)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(cè)面在設(shè)計壓力條件下的形變計算結(jié)果。氣室最大變形在0.35mm以下。5、結(jié)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(shè)計（cad），關(guān)鍵結(jié)構(gòu)均通過cae工具分析計算，在電場、機構(gòu)傳動以及結(jié)構(gòu)強度等方面進行了優(yōu)化設(shè)計,使產(chǎn)品具有高可靠性。產(chǎn)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(chǎn)品設(shè)計上還實現(xiàn)了智能化功能?？梢钥隙ǎ摦a(chǎn)品將會成為今后一個階段內(nèi)國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)c-gis中的領(lǐng)軍產(chǎn)品，在發(fā)展城市電力系統(tǒng)的供給能力,建設(shè)城市軌道交通電力系統(tǒng)的過程中將表現(xiàn)出其小型化，智能化，高可靠性，免維護的優(yōu)良特性。參考文獻：1．朱德恒，嚴(yán)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(xué)出版社，19923．徐國政張節(jié)容錢家驪黃渝瓏編著高壓斷路器原理和應(yīng)用清華大學(xué)出版社，2000作者簡介：王安心，1995年畢業(yè)于湖南大學(xué)機制專業(yè)，工程師，從事輸變電開關(guān)設(shè)備設(shè)計。現(xiàn)任天水長城開關(guān)廠高壓電器研究所cae設(shè)計室主任，本項目的主要開發(fā)人和項目負責(zé)人。 |