35kV多單元共氣箱充氣柜的設(shè)計(jì)研發(fā)

（青島特銳德電氣股份有限公司）

35kV多單元共氣箱充氣柜的設(shè)計(jì)研發(fā)

于德翔 屈東明 郭攀 黨景濤 由恒遠(yuǎn)

（青島特銳德電氣股份有限公司）

35kV充氣柜相對(duì)常規(guī)設(shè)備價(jià)格比較高，因此目前存在一定的推廣難度。本文闡述了一種成本較低的多單元共箱式充氣柜方案。項(xiàng)目在研發(fā)過(guò)程中，針對(duì)多單元大容量氣箱的強(qiáng)度問(wèn)題，充分利用先進(jìn)的仿真技術(shù)和檢驗(yàn)手段，采用優(yōu)化加強(qiáng)設(shè)計(jì)保證了結(jié)構(gòu)整體變形量；并在多單元?dú)庀涞膬?nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化了電場(chǎng)分布，內(nèi)部元件局部進(jìn)行了加強(qiáng)，以及實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的可擴(kuò)展性等技術(shù)；項(xiàng)目在樣機(jī)制造和驗(yàn)證過(guò)程中，科學(xué)規(guī)劃，嚴(yán)格工藝，并一次性通過(guò)了型式試驗(yàn)；本項(xiàng)目成本低、可靠性高，具有較好的推廣價(jià)值。

多單元充氣柜；共箱式

0 引言

GIS按結(jié)構(gòu)分有以下幾種：分相式、主母線三相共筒、全三相共筒、復(fù)合式或稱(chēng)混合式、箱式。箱式GIS又稱(chēng)C-GIS。其密封殼體為方箱型，較圓形氣箱耐壓抗變形能力弱，因此多為滅弧容量小的10～35kV產(chǎn)品[1]。C-GIS以其高可靠性和免維護(hù)等優(yōu)勢(shì)目前在中壓領(lǐng)域已經(jīng)得到了較大范圍推廣，但是由于成本較高，價(jià)格為常規(guī)產(chǎn)品的2～3倍，因此依然不能被廣泛接受。35kV中壓系統(tǒng)主要應(yīng)用于農(nóng)網(wǎng)，其一次方案通常比較簡(jiǎn)單，一般為3個(gè)斷路器單元[2-3]。而通過(guò)將2個(gè)以上功能單元的充氣柜合為一個(gè)共箱充氣柜，將大大產(chǎn)品的制造成本，另外C-GIS柜存在較多的套管連接漏氣問(wèn)題，由于本方案相互連接端口少，也可以有效的降低漏氣幾率；因此在成本和可靠性上具有一定的優(yōu)勢(shì)，有利于35kV的C-GIS的推廣。

1 C-GIS氣箱單元設(shè)計(jì)

為便于加工并實(shí)現(xiàn)多單元方案及靈活擴(kuò)展功能，氣箱選用方箱型結(jié)構(gòu)，氣箱的設(shè)計(jì)主要考慮其耐壓強(qiáng)度，另外在焊縫工藝上質(zhì)量要求更加嚴(yán)格。

1.1 氣箱原材料及結(jié)構(gòu)

采用方箱結(jié)構(gòu)，經(jīng)仿真模擬充氣后單面承受的壓力可達(dá)8500kg以上，因此設(shè)計(jì)中內(nèi)部采用50×25不銹鋼方管型材，焊接成框架結(jié)構(gòu)，用以支撐氣室強(qiáng)度。氣箱密封用的板材，選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼板304。

工藝要求方面，利用現(xiàn)代先進(jìn)的板材下料、折彎、焊接設(shè)備以及氦氣檢漏技術(shù)，使密封箱體的精度、剛度、強(qiáng)度提高，漏氣率降低。

1.2 氣箱設(shè)計(jì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)校驗(yàn)[4-5]

在氣體絕緣柜設(shè)計(jì)中，SF6氣體作為充氣柜絕緣介質(zhì)，其額定充氣壓力為0.04Mpa，爆破壓力為0.186 Mpa。按爆破壓力設(shè)計(jì)該充氣柜每平方米理論設(shè)計(jì)載荷為18600kg(即18.6t)。該充氣柜不銹鋼氣室外殼最大面面積將達(dá)為0.60m2，因此充氣柜需承受的最大壓力為11.16t?？尚行匝芯繒r(shí)，采用三維仿真模擬對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)模擬，進(jìn)行預(yù)裝配，避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和配合問(wèn)題；對(duì)氣箱的強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)設(shè)壓力仿真，找到薄弱的氣箱強(qiáng)度，從而提高評(píng)審的直觀性和可信度。如圖1，氣箱最薄弱后背板的驗(yàn)證分析圖。

圖1 氣箱背板強(qiáng)度校驗(yàn)分析圖

氣箱焊接后，預(yù)充對(duì)應(yīng)壓力的空氣，在多單元的35kV組合電器動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)，再次查找氣箱強(qiáng)度的薄弱點(diǎn)，并進(jìn)一步修正。

經(jīng)過(guò)多次校驗(yàn)和修正，樣機(jī)充氣殼體的設(shè)計(jì)壓力為0.1MΡa，充氣隔室SF6氣體額定充氣壓力0.04MΡa，最高工作壓力為0.06MΡa，補(bǔ)氣報(bào)警壓力為0.02MΡa，最低工作壓力為0.01MΡa。滿(mǎn)足氣體滅弧的要求，并保證氣箱的整體變形量小于1mm。

1.3 氣箱設(shè)計(jì)強(qiáng)度驗(yàn)證

焊接工藝檢查主要是對(duì)充氣殼體應(yīng)進(jìn)行抽真空試驗(yàn)，壓力為0.01MΡa（20℃時(shí)絕對(duì)值）或以下，保持時(shí)間為30min，試驗(yàn)后壓力不得升高；應(yīng)無(wú)影響真空斷路器、三位置隔離開(kāi)關(guān)操作和影響固體絕緣母線、電纜終端接頭聯(lián)接的任何永久變形和損壞。每一種充氣殼體進(jìn)行試驗(yàn)壓力為0.3MΡa、保持時(shí)間為1min壓力耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)后殼體不得破壞或損壞，不允許有永久變形。試驗(yàn)后的殼體不得在產(chǎn)品中使用。試驗(yàn)時(shí)壓力釋放裝置由密封蓋板替代。

2 多單元GIS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多單元充氣柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因氣箱外形尺寸大，需克服攻關(guān)一系列技術(shù)難題[7-8]：氣箱尺寸較大帶來(lái)的變形問(wèn)題；大氣箱焊接工藝問(wèn)題；大電流母線靈活擴(kuò)展方案的攻關(guān)；解決電場(chǎng)合理分布、長(zhǎng)大母線抗動(dòng)熱穩(wěn)定性能問(wèn)題。

確定設(shè)備的電氣主要參數(shù)：額定電流1250A；額定絕緣水平相間、相對(duì)地1min工頻耐壓95kV，相間、相對(duì)地雷電沖擊耐壓185kV；額定短路開(kāi)斷電流（有效值）31.5kA，額定峰值耐受電流(峰值）80kA/4s；防護(hù)等級(jí)IΡ4X；年漏氣率≤0.02%。

從以下幾個(gè)方面展開(kāi)設(shè)計(jì)：

1）充氣柜全部進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)、擴(kuò)展靈活

所有模塊都可實(shí)現(xiàn)下出線及頂部擴(kuò)展的連接方式，實(shí)現(xiàn)全模塊化設(shè)計(jì)，采用國(guó)際先進(jìn)的插接式固體絕緣母線聯(lián)結(jié)器，保證靈活的擴(kuò)展及配置方案。擴(kuò)展時(shí)不涉及SF6氣體操作。

多單元內(nèi)部之間連接的母線采用氣體絕緣，材質(zhì)為帶圓角的銅排。

可提供單柜或共箱式多單元組合柜，實(shí)現(xiàn)無(wú)限擴(kuò)展，在國(guó)際上35kV電壓等級(jí)充氣柜均為單柜，該方案在國(guó)際上沒(méi)有先例。每三個(gè)回路集中在一個(gè)氣箱內(nèi)全密封系統(tǒng)，不受環(huán)境影響。

2）多單元共箱式組合電器的電場(chǎng)優(yōu)化、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

運(yùn)用三維模擬仿真對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行仿真建模，對(duì)電場(chǎng)和電動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算和仿真。通過(guò)對(duì)母線受力分析，解決母線加長(zhǎng)后引發(fā)的抗動(dòng)熱穩(wěn)定性能降低的問(wèn)題。編制專(zhuān)用于多單元共箱式組合電器的電場(chǎng)模擬程序，通過(guò)大型有限元方程組的求解和數(shù)據(jù)庫(kù)分析，規(guī)避電磁干擾引發(fā)故障的幾率。

3）小型化、免維護(hù)、高可靠性

采用多單元結(jié)構(gòu)后，柜體外形較常規(guī)單柜方案，占地面積減少25%，結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小巧。采用密封壓力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的氣室，免維護(hù)的開(kāi)關(guān)元件和密封電纜頭，達(dá)到終身密封設(shè)計(jì)。采用西門(mén)子自主研發(fā)的高靈敏性壓力釋放裝置，該裝置準(zhǔn)確動(dòng)作，確保運(yùn)行的安全性。

4）不銹鋼密封殼體采用世界領(lǐng)先的激光焊接技術(shù)

激光焊接方式焊縫窄，熱輸入和熱變形小，深寬比大，有利于減小焊接變形，可達(dá)到最大韌力和防爆需要，降低人為因素造成的焊接缺陷，適合規(guī)?；a(chǎn)?！袄涮幚怼焙附蛹夹g(shù)有效保護(hù)樹(shù)脂套管。

氣箱內(nèi)部的加強(qiáng)筋之間連接采用激光焊接，形成框架式結(jié)構(gòu)，對(duì)氣箱強(qiáng)度提供可靠支撐，見(jiàn)圖2。

圖2 不銹鋼氣箱

3 樣機(jī)驗(yàn)證

樣機(jī)的驗(yàn)證過(guò)程主要參照針對(duì)本項(xiàng)目編制的工藝文件和國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證式裝配和實(shí)驗(yàn)，最終完成樣機(jī)后到國(guó)家相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行型式試驗(yàn)。

3.1 樣機(jī)方案

樣機(jī)采用三單元結(jié)構(gòu)，分別為進(jìn)線單元柜、出線單元柜、ΡT單元柜，這三個(gè)單元的兩側(cè)均有擴(kuò)展接口。

該三單元開(kāi)關(guān)柜采用插入式單相固體絕緣母線，母線帶外屏蔽層，母線連接采用硅橡膠絕緣的十字連接套和端頭T形連接套，當(dāng)母線需要擴(kuò)展或調(diào)整時(shí)，不會(huì)涉及有關(guān)SF6氣體的任何操作。

斷路器采用具有高開(kāi)斷性能、壽命長(zhǎng)、維護(hù)少的小型化真空斷路器，真空滅弧室水平布置方式，使得氣室內(nèi)部導(dǎo)體布置方便。

三工位隔離開(kāi)關(guān)放置于密封的SF6氣體殼體內(nèi)，使隔離—接地組合成一體。母線絕緣子和電纜聯(lián)接絕緣子均配有高壓帶電顯示裝置用的傳感器。柜內(nèi)配用環(huán)氧樹(shù)脂澆注穿芯式電磁型電流互感器、插接式電磁型電壓互感器。電纜用T形外錐電纜終端或直型電纜終端連接，可滿(mǎn)足每相1～3根電纜的進(jìn)出線。采用內(nèi)錐插接式避雷器直接與分支母線連接，柜內(nèi)配置了控制和保護(hù)單元。

3.2 制造和驗(yàn)證過(guò)程

3.2.1 氣箱焊接與加工

為保證加工精度，氣箱用的不銹鋼板板材一律采用激光切割、氮?dú)獗Ｗo(hù)下料。焊接主要有四方面要求：焊接件位置正確性、強(qiáng)度、氣密性和外觀質(zhì)量。焊接時(shí)，設(shè)計(jì)定位工裝，保證焊接尺寸的正確，同時(shí)對(duì)焊接造成的變形進(jìn)行控制。

3.2.2 氣箱內(nèi)元器件組裝

元器件在裝配前，需先經(jīng)進(jìn)貨檢驗(yàn)和試驗(yàn)，在確保無(wú)質(zhì)量問(wèn)題的前提下進(jìn)入裝配階段。

裝配前，對(duì)氣箱得衛(wèi)生先進(jìn)行清理和擦拭，確保里面無(wú)灰塵、焊渣等雜質(zhì)。氣箱內(nèi)的所有元器件在裝配前均需用酒精擦拭干凈后再裝配，緊固用標(biāo)準(zhǔn)件的緊固達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)力矩。環(huán)氧樹(shù)脂絕緣件件務(wù)必輕拿輕放，避免劃傷、磕碰。所有銅排需倒圓角，表面進(jìn)行拋光處理，安裝時(shí)嚴(yán)禁磕碰。

3.2.3 柜體裝配

設(shè)計(jì)專(zhuān)用吊裝工具，對(duì)三單元?dú)庀溥M(jìn)行起吊，放置于底座之上，避免無(wú)法起吊或起吊過(guò)程中造成氣箱劃傷、磕碰，同時(shí)便于氣箱得轉(zhuǎn)運(yùn)。

柜體裝配的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件，采用氣動(dòng)或電動(dòng)扳手，進(jìn)行緊固，保證緊固強(qiáng)度。

柜體外表面無(wú)碰傷、劃傷；柜內(nèi)清潔無(wú)雜物，裝配完成后必須清柜。柜門(mén)顏色均勻一致，無(wú)污跡，開(kāi)關(guān)靈活可靠，門(mén)縫整齊均勻。各種銘牌內(nèi)容正確，字跡清晰，安裝 可靠正確。

3.2.4 制造和驗(yàn)證結(jié)果

樣機(jī)制造完畢后，完成了出廠試驗(yàn)，并在蘇州電科院完成型式試驗(yàn)驗(yàn)證，技術(shù)參數(shù)和各項(xiàng)性能滿(mǎn)足產(chǎn)品技術(shù)條件要求。

圖3 多單元樣機(jī)

4 結(jié)束語(yǔ)

35kV多單元共氣箱充氣柜的設(shè)計(jì)和制造，充分利用了先進(jìn)的仿真技術(shù)和可靠的檢驗(yàn)技術(shù)，從源頭上提高了開(kāi)發(fā)效率和成功率，在制造過(guò)程中遵循科學(xué)手段，嚴(yán)格控制加工組裝流程，嚴(yán)格控制關(guān)鍵環(huán)節(jié)精度，保證了樣機(jī)的一次成功。本項(xiàng)目產(chǎn)品成本較常規(guī)C-GIS組合柜成本降低30%以上，加工效率提高20%，本項(xiàng)目樣機(jī)一次性通過(guò)了蘇州電科院型式試驗(yàn)，各項(xiàng)性能參數(shù)均達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，其推廣必將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]王平.中壓C-GIS的應(yīng)用狀況與發(fā)展趨勢(shì)[J],電力設(shè)備2006,(2)：4-9.

[2]徐貴有.40.5kV氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜及其應(yīng)用[J].農(nóng)村電氣化,2007,(10)：45-46.

[3]劉佰珍.中壓C-GIS在開(kāi)發(fā)中的問(wèn)題解析[J].華通技術(shù),2003,(2)：10-13.

[4]于慶瑞,馬志瀛,史瑞林.40.5kV箱型氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備氣室剛度校核[J].機(jī)械研究與應(yīng)用.2005,(4)：98-99.

[5]蔡彬,陳德桂.中壓開(kāi)關(guān)柜中內(nèi)部電弧故障的計(jì)算方法和防護(hù)措施施[J].高壓電器,2003,(1)：8-11.

國(guó)家國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目（2012DFB70180）。

2015-11-25）