10kV 大電流C- GIS 溫升研究分析

任國(guó)萍

（天水長(zhǎng)城開(kāi)關(guān)廠集團(tuán)有限公司，甘肅 天水741018）

1 概述

大電流C-GIS 的發(fā)熱問(wèn)題是目前設(shè)計(jì)研發(fā)階段的一個(gè)難點(diǎn)。其主回路各元件發(fā)熱點(diǎn)作為熱源其熱能是以球面朝各個(gè)方向散逸的，因此將發(fā)熱零件的功率消耗跟其有效的散熱表面面積兩個(gè)因素加做簡(jiǎn)化處理，再進(jìn)行熱分析，參考計(jì)算分析的結(jié)論，對(duì)產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并逐一做溫升測(cè)試，以測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證理論環(huán)節(jié)的可靠程度，是設(shè)計(jì)階段不可或缺的過(guò)程。本文就大電流C-GIS 存在的發(fā)熱問(wèn)題從技術(shù)層面加以分析論述并提出了可能的解決方案。

2 C-GIS 主回路系統(tǒng)

GIS 主回路系統(tǒng)是各高壓電器元件的集合，由斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)等元件組合，同時(shí)也是發(fā)熱體與散熱體的組合，典型方案如圖1 所示。

圖1 主回路

2.1 主回路系統(tǒng)發(fā)熱體主要由導(dǎo)電回路組成，包括母線聯(lián)接器、母線、隔離開(kāi)關(guān)、斷路器、出線套管及各功能單元的聯(lián)結(jié)導(dǎo)體等，如圖2 所示。

圖2 主回路系統(tǒng)發(fā)熱體

2.2 主回路系統(tǒng)散熱體主要由導(dǎo)電回路組成，包括低壓力絕緣氣體、氣室、主回路系統(tǒng)發(fā)熱體構(gòu)成的等效散熱模塊。

3 主回路散熱問(wèn)題

主回路熱分析問(wèn)題主要研究的是開(kāi)關(guān)柜主回路系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)熱模塊散熱體模塊之間的關(guān)系，以及它們兩者之間最可能的熱傳遞方式。熱分析的主要目的是為了將發(fā)熱體產(chǎn)生的熱量經(jīng)由系統(tǒng)的散熱體模塊快速地傳導(dǎo)至外的部環(huán)境中。由系統(tǒng)的發(fā)熱體及散熱體或它們的表面組成的等效熱阻，因出現(xiàn)了熱傳導(dǎo)以外的傳遞方式，可能會(huì)出現(xiàn)串或并聯(lián)的方式，這是由于熱傳遞方式出現(xiàn)了熱傳導(dǎo)以外的傳遞方式的原因，如低壓力絕緣氣體中的對(duì)流。

3.1 主回路電熱現(xiàn)象：

主回路常用的金屬導(dǎo)體有銅、鋁、錫、銀、鋼等，如圖3 所示。由公式R=ρ×L/S2H 和Q=I2×R×t 可以得出，當(dāng)接觸電阻由于元件表面接觸狀況不良、表面氧化嚴(yán)重、接觸壓力不足、元件表面有效接觸面積變小而增大；由于流電增大時(shí)，導(dǎo)體發(fā)熱相應(yīng)增大，電阻由于電流的熱效應(yīng)而跟著增大；電阻增大導(dǎo)致溫度增加，如此反復(fù)循環(huán)，接頭由于溫度升至熔點(diǎn)而熔化；當(dāng)主回路出現(xiàn)短路故障時(shí)，接頭因溫度升高發(fā)生熔化，可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)事故和絕緣破壞事故。

圖3 常用的主回路金屬導(dǎo)體

3.2 氣體中的載流與散熱

中壓金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備中散熱的主要途徑是對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射。

4 主回路系統(tǒng)仿真分析及優(yōu)化

應(yīng)用分析軟件的電熱耦合和電磁場(chǎng)分析功能，對(duì)主回路系統(tǒng)進(jìn)行電熱和電磁計(jì)算，就不同參數(shù)的結(jié)構(gòu)對(duì)其溫度的影響進(jìn)行計(jì)算分析及仿真優(yōu)化，對(duì)C-GIS 主回路系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)熱問(wèn)題的分析提供理論依據(jù)。

4.1 建模

以隔離開(kāi)關(guān)為例：隔離開(kāi)關(guān)由動(dòng)、靜觸頭和相應(yīng)的導(dǎo)電體組成。載荷為加在隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)出線兩端的電壓和電流。電熱分析時(shí)，由于散熱方式、觸頭導(dǎo)體形狀復(fù)雜性，對(duì)邊界條件的劃分溫度耦合方式應(yīng)充分考慮。根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)各模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，并根據(jù)實(shí)際情況提出相應(yīng)假設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，建立用于主回路熱點(diǎn)耦合瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算三維有限元模型，如圖4 所示。其中必須考慮材料物理性能參數(shù)及主回路表面對(duì)流熱交換參數(shù)隨溫度的變化。

圖4 簡(jiǎn)化的模型

封閉母線的有限元模型從內(nèi)到外共分為四層：主導(dǎo)體層、主導(dǎo)體和外殼間的sf6 層，外殼導(dǎo)體層、外殼外空氣層。

4.2 仿真分析

仿真分析必須考慮材料物理性能參數(shù)及主回路表面對(duì)流熱交換參數(shù)隨溫度的變化。當(dāng)主回路模擬封閉區(qū)域內(nèi)自然對(duì)流時(shí)，計(jì)算結(jié)果將依賴于計(jì)算區(qū)域內(nèi)的流體質(zhì)量。加載求解的溫度分布圖如下圖所示：

圖5 溫度分布圖

4.3 發(fā)熱優(yōu)化

通過(guò)多次分析論證，主要通過(guò)降低發(fā)熱量、降低電流密度、增強(qiáng)輻射和傳導(dǎo)來(lái)進(jìn)行C-GIS 主回路系統(tǒng)優(yōu)化。

5 結(jié)論

大電流C-GIS 的發(fā)熱問(wèn)題一直是行業(yè)內(nèi)研發(fā)過(guò)程中的難點(diǎn)。由分析計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)降低發(fā)熱量、增強(qiáng)輻射和傳導(dǎo)等方式來(lái)對(duì)C-GIS 主回路系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)，開(kāi)關(guān)柜主回路的散熱問(wèn)題得到明顯效果，故而羅列出以下優(yōu)化改進(jìn)措施，控制多方因素以完善試驗(yàn)樣機(jī)，提升產(chǎn)品性能：挑選合金導(dǎo)體材料，控制導(dǎo)體電阻率；通過(guò)改進(jìn)搭接方式等降低主回路電阻；優(yōu)化模塊間結(jié)構(gòu)以降低渦流損耗；提高輻射率；改良散熱模塊，增大散熱表面積以及使用散熱器；提高主要元件的耐熱性能；利用冷卻技術(shù)，改進(jìn)散熱通道或強(qiáng)制冷卻。