C-GIS產(chǎn)品的溫升研究

厲復新　李首領(lǐng)　劉衛(wèi)濤

摘? 要：隨著社會經(jīng)濟高速的發(fā)展，我國電氣技術(shù)也得到了極大發(fā)展。充氣柜（簡稱C-GIS）是目前開關(guān)柜發(fā)展的趨勢，近年來的用量也在逐年增大，但大電流產(chǎn)品的溫升問題仍然在困擾著絕大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)，如何有效解決及控制大電流產(chǎn)品溫升成了必須思考的問題。為此，該文分別從降低發(fā)熱量、增大散熱量和提高耐熱性能3個方面提出具體的解決方案，以期有效解決溫升問題，僅供大家參考。

關(guān)鍵詞：充氣柜;技術(shù)難題;溫升;解決方案

中圖分類號：TM591? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

我國電力事業(yè)的飛速發(fā)展，對設備的可靠性、經(jīng)濟性、適應性的要求也越來越高。C-GIS產(chǎn)品的出現(xiàn)，在很大程度上推動了電力電氣事業(yè)發(fā)展的進程，提高了供電可靠性，減少了投資，也體現(xiàn)了今后中壓用開關(guān)的發(fā)展趨勢。C-GIS（Cubicle type Gas Insulated Switchgear），學名箱式氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設備，俗稱充氣柜，是近十幾年來發(fā)展起來的一種中壓成套系列化產(chǎn)品，它將各高壓元器件全部安裝于密封氣室內(nèi)，充以低壓力的絕緣氣體作為絕緣介質(zhì)，在增加了可靠性的同時，可以大大縮小產(chǎn)品外形尺寸，進而縮小占地面積。充氣柜的出現(xiàn)，是開關(guān)柜產(chǎn)品的一次革命性的升級。與常規(guī)空氣絕緣開關(guān)柜相比，在經(jīng)濟性、適用性、可靠性、小型化等方面都具有明顯的優(yōu)勢，代替常規(guī)開關(guān)柜是必然的趨勢，近年來的用量也在逐年增大，尤其在軌道交通領(lǐng)域用量非常大。

引入了絕緣氣體介質(zhì)，帶來了諸多的好處，但與此同時也在產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)和工藝方面提出了更高的要求，帶來了一系列的技術(shù)問題。一直以來困擾充氣柜產(chǎn)品的技術(shù)難題，一是絕緣，二是溫升。經(jīng)過了十幾年的發(fā)展，絕緣問題已經(jīng)得到解決，但是大電流產(chǎn)品的溫升問題仍然在困擾著絕大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)。筆者自2001年開始一直從事充氣柜產(chǎn)品的開發(fā)研究和工程設計工作，以下是根據(jù)多年經(jīng)驗總結(jié)出的幾點心得，謹供大家參考。

1 問題根源

充氣氣室是充氣柜產(chǎn)品必不可少的核心部件之一，同時也是帶來充氣柜溫升問題的根源所在。氣室既是導電部件的安裝基礎又是絕緣氣體的裝載容器，其結(jié)構(gòu)布局阻礙了氣室內(nèi)熱量的散發(fā)，它把主回路密封其中，內(nèi)外隔絕而不能形成任何的對流，僅能通過輻射散熱。

2 解決方案

針對充氣柜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，要解決其溫升難題，應從降低發(fā)熱量、增大散熱量和提高耐熱性能3個方面入手。

2.1 降低發(fā)熱量

2.1.1 降低導體損耗

電流流過導體時，導體會發(fā)熱產(chǎn)生電阻損耗，其發(fā)熱功率P為：P=I2R

顯而易見，當電流值I一定時，降低回路的電阻值R是減少發(fā)熱降低損耗的最直接方法。降低回路電阻可采取的有效措施主要有：1）適當增大導體截面積以降低電流密度，此方法見效最快，但需增加一定成本;2）導體連接處增大接觸面積，提高接觸壓力。3）嚴格控制導體原材料電阻率。

2.1.2 降低渦流損耗

如果在產(chǎn)品設計時因選材不當產(chǎn)生渦流，也會產(chǎn)生發(fā)熱。在充氣柜產(chǎn)品中，易產(chǎn)生渦流的地方主要在穿芯式的絕緣子（包括氣室間連接絕緣子和母線套管等）和連接電纜的內(nèi)、外錐式插座。采用不銹鋼和鋁等非鐵磁性材料可以很好地解決渦流損耗問題。

2.2 增大散熱量

2.2.1 提高輻射率

充氣柜散熱最主要的途徑就是通過氣室外表面輻射散熱，而在氣室內(nèi)部，主回路導體也是通過輻射向絕緣氣體傳熱繼而將熱量傳導給氣室內(nèi)壁，因此，提高導體的輻射率是增大散熱量的有效方法。輻射熱功率P為：

P=5.67×10-8εSc[（273℃+T1）4-（273℃+T2）4]

其中，Sc—輻射表面積，m2。

T1—發(fā)熱體溫度，℃。

T2—受熱體溫度，℃。

ε—輻射率。

以SF6充氣柜為例，在SF6氣體中，表面裸露的導體輻射率一般在0.1（有光澤）～0.6（無光澤），數(shù)值非常低。我們在導體表面采用黑色無光電泳處理，可以將輻射率提高到0.9左右;同時將氣室的外表面也噴上黑色油漆。溫升試驗表明，經(jīng)過此表面處理之后，主回路溫升值明顯下降。

2.2.2 增大有效散熱面積

首先，在進行氣室設計時，應遵循以下原則：1）在滿足一次主接線方案、主母線形式及元器件的連接方式等前提下，可以適當加大氣室的表面積。2）如果產(chǎn)品是雙氣室或三氣室結(jié)構(gòu)，不同氣室間連接時要預留空氣層，如圖1所示;3）氣室的寬度要比柜寬至少小10 mm以上，這樣在實際并柜使用中，相鄰兩柜的氣室之間會預留出空氣間隙，對散熱和安裝都有好處;如果氣室下方的底架寬出部分尺寸允許，還可以在上面開孔，就可以使兩柜間的空氣間隙上下貫通，如圖2所示。

第二，在氣室外表面（包括密封板）安裝散熱片，對增加散熱、降低溫升有很好的效果，如果散熱片涂成黑色則效果更佳。此處應特別注意的是，散熱片和氣室表面貼合要緊，中間應均勻涂抹導熱系數(shù)不低于3的導熱硅脂。

2.2.3 采取冷卻技術(shù)

在柜內(nèi)氣室外的適當位置加裝風機，加快氣室表面及周圍空氣的流動，從而有效加速熱量的散發(fā)。這種增加散熱的方式雖然收效立竿見影，在國內(nèi)外的產(chǎn)品中也有使用記錄，但不推薦優(yōu)先使用。

2.3 提高耐熱性能

溫升允許值很大程度上取決于所選用的絕緣件的絕緣等級，不同等級的絕緣件的耐熱性能也會不同，溫升允許值就會有較大差別。提高絕緣件的絕緣等級可以解決一定的溫升問題，但是也同時會增加產(chǎn)品的制造成本，所以絕緣件并非絕緣等級越高越好，還應結(jié)合經(jīng)濟性考慮。

由于計算機技術(shù)、傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，各項焊接技術(shù)的不斷更新，所以，C-GIS將向著高可靠性、免維護、低成本、智能化的方向發(fā)展。另外，產(chǎn)品組件的模塊化、小型化設計，裝配元件的無損探傷技術(shù)等，也都是C-GIS今后發(fā)展的方向。

3 結(jié)語

溫度過高就會破壞氣室內(nèi)各元件的功能，因此妥善解決氣室內(nèi)主回路導體的溫升問題，是決定充氣柜產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素之一。該文中以上所總結(jié)的各種解決方案均在實際工作中成功應用。筆者所在的河南森源電氣股份有限公司自2009年開始研發(fā)和生產(chǎn)充氣柜產(chǎn)品，目前產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了多品種、系列化，產(chǎn)品電壓等級涵蓋了12 kV～40.5 kV，所有產(chǎn)品的溫升指標均按照額定電流的1.1倍，通過權(quán)威檢測機構(gòu)的型式試驗。

參考文獻

[1]獨田娃，朱忠建.中壓C-GIS箱型氣室設計與散熱研究[J].電工技術(shù)，2013（10）：26-27.

[2]江春梅，張愛金，徐春林，等.充氣柜的溫升控制分析[J].電氣制造，2013（4）：23-25.