關(guān)于ZF6-252 GIS用新型4000A共箱母線的一些改進

辛　鵬新東北電氣集團高壓開關(guān)有限公司

關(guān)于ZF6-252 GIS用新型4000A共箱母線的一些改進

辛鵬
新東北電氣集團高壓開關(guān)有限公司

在ZF6-252 GIS用新型4000A共箱母線新產(chǎn)品試制的過程中，通過對溫升試驗結(jié)果的分析，結(jié)合參考文獻中介紹的知識及以往的設(shè)計經(jīng)驗，對共箱母線導(dǎo)電回路的組成零部件，進行了一些改進。這些改進以降低導(dǎo)體和電接觸位置的電阻為側(cè)重點，并且改進的效果得到試驗的驗證，簡要的說明了設(shè)計結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品回路電阻以及溫升之間的一些關(guān)系。

共箱母線；溫升；電接觸；電阻

一、ZF6-252 GIS用新型4000A共箱母線

ZF6-252型六氟化硫封閉式組合電器是按引進日本國日立公司制造技術(shù)進行國產(chǎn)化的、具有當(dāng)代國際先進水平的高壓電器設(shè)備。主母線采用三相共箱式結(jié)構(gòu)，其余均采用分相式結(jié)構(gòu)。在其基礎(chǔ)上，新型252kV GIS用額定電流4000A主母線沿用三相共箱式結(jié)構(gòu)，對導(dǎo)體、觸頭進行了一些改進，以提高通過持續(xù)電流的能力。ZF6-252kV GIS用主母線由罐體、導(dǎo)體、觸頭、支撐絕緣子四類零部件組成。ZF6-252kV GIS用共箱母線分為若干節(jié)，節(jié)節(jié)之間首尾相連，通過法蘭互相對接。內(nèi)部裝配三相導(dǎo)體，三相導(dǎo)體的軸心分別為三角形的三個頂點，屬于典型的三角形布置方式。

二、原設(shè)計的結(jié)構(gòu)

額定電流是設(shè)備能夠持續(xù)通過的電流。高壓電器設(shè)備持續(xù)通過電流時都會發(fā)熱。高壓電器發(fā)熱的主要問題在于，零部件溫度過高可能使材料的物理、化學(xué)性能起變化，機械性能和電氣性能下降，最后導(dǎo)致高壓電器的工作故障，甚至造成嚴重事故。GIS母線的額定電流的確定必須要通過型式試驗——溫升試驗來驗證。要通過溫升試驗，首先要控制各個位置溫升不超過標準要求。這里僅討論了主回路的溫升控制的問題。

設(shè)備中的發(fā)熱主要來源于其導(dǎo)電回路的電阻損耗。電流流經(jīng)設(shè)備的導(dǎo)電部分時，由于導(dǎo)體電阻，因此發(fā)熱產(chǎn)生電阻損耗。回路電阻由回路中各導(dǎo)電體固有電阻和各觸頭和連接處的接觸電阻組成。導(dǎo)體的固有電阻與導(dǎo)體的截面積和電阻率有關(guān)，增大導(dǎo)體截面積，使用電阻率更低的材料都可以降低導(dǎo)體的固有電阻。接觸電阻則與很多因素有關(guān)，如電接觸形式，觸頭的材料，接觸面的情況（粗糙度、氧化層厚度等），接觸壓力，接觸點的數(shù)量等。

為了降低回路電阻，共箱母線試驗樣機設(shè)計的過程中已經(jīng)采取了一些措施：第一，增大觸頭直徑。第二，增大導(dǎo)體直徑和壁厚。第三，銅的過渡導(dǎo)體。

三、新設(shè)計中的一些改進

在試驗前，對主回路電阻進行例行測量，實測值與預(yù)期值十分接近。所以排除了裝配原因?qū)е略囼灢荒芡ㄟ^的可能。根據(jù)對試驗樣機各部分回路電阻的測量，觸頭兩側(cè)電阻為6～8微歐，導(dǎo)體，導(dǎo)體電阻為30多微歐。導(dǎo)體與支撐絕緣子之間的固定連接處電阻為1微歐左右，幾乎測量不到。所以，降低回路電阻必須從觸頭、導(dǎo)體入手。具體實施過程如下：

1.計算原觸頭壓緊彈簧的剛度，從而求出每片觸指的壓緊力。觸指的向心力主要來自壓緊彈簧長度伸長產(chǎn)生的拉力。

FK0：每根彈簧的向心力（N）；K：彈簧剛度（N/mm）；l0：彈簧自由狀態(tài)長度（mm）；D2：裝入觸頭后彈簧圈中心線直徑（mm）；n：觸指片數(shù)。

每個接觸點的接觸壓力為：FK=4 FK0/2=2 FK0。

經(jīng)計算，原設(shè)計的每個接觸點的接觸壓力FK約為17N。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計及試驗的經(jīng)驗，通常認為將每個觸點的接觸壓力FK設(shè)定在20～30N比較合理。相比之下原設(shè)計接觸壓力偏低。另外滑動頻繁的電接觸點，不適合采用較大的接觸壓力。但共箱母線梅花觸頭屬于不經(jīng)常滑動的電接觸。通常只有在現(xiàn)場對接裝配和解體檢修共箱母線過程中才會出現(xiàn)梅花觸頭分離的情況，因此不必擔(dān)心較高的接觸壓力會對電接觸表面產(chǎn)生不良影響，可以取較高的接觸壓力。在改進設(shè)計中通過修改彈簧剛度，將接觸壓力FK增大到20～21N，以降低接觸電阻。

2.測量每根導(dǎo)體的電阻，計算其電導(dǎo)率。為了排除儀器誤差對測量結(jié)果的影響，對不同導(dǎo)體進行了多次測量，得出長度2米的導(dǎo)體其平均電阻約為15μΩ。根據(jù)以下公式計算：

l：導(dǎo)體的長度，單位為m；S：導(dǎo)體的截面積，單位為mm2；ρ：導(dǎo)體的電阻率，單位為Ω·mm2/m；γ：導(dǎo)體的電導(dǎo)率，單位為S·m/ mm2。

得到原設(shè)計使用的導(dǎo)體鋁合金材料電導(dǎo)率約為27 S·m/ mm2。降低固有電阻，必須要提高材料電導(dǎo)率。查閱我公司企業(yè)標準，找到一種電導(dǎo)率可達到32 S·m/mm2的鋁合金材料。如果使用這種材料可有效降低導(dǎo)體的固有電阻。并且這個材料的價格與原來的材料相差不大，不會造成成本的大幅上升，可以確保產(chǎn)品的經(jīng)濟效益。因此將導(dǎo)體材料改為該種鋁合金。預(yù)計2米導(dǎo)體的電阻值可下降2～3μΩ。

3.原設(shè)計觸指數(shù)量已經(jīng)增加到了極限，由于絕緣性能限制，不能繼續(xù)增大觸頭直徑，也就無法進一步增加觸指。因此在改進設(shè)計中在原有觸指的電接觸面設(shè)計一個凹槽，使每個觸指都有2個接觸位置，在不增加觸指數(shù)量的條件下增加了接觸點的數(shù)量。為方便加工，該凹槽形狀設(shè)計的十分簡單，提高了加工工藝性，控制了生產(chǎn)成本。

以上改進既沒有過多的提高生產(chǎn)成本，又提高了產(chǎn)品性能。在實施改進后，實測觸頭接觸電阻由6～8μΩ降到3～4μΩ。整體回路電阻也相應(yīng)下降了8～9μΩ。在2015年下半年進行的第二次持續(xù)電流為4000A共箱母線溫升試驗中，觸頭位置的溫升值較前一次下降了8K左右，其余位置也不同程度出現(xiàn)降低，以上的改進收到了預(yù)期的效果，為后續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)打下了一個新的基礎(chǔ)。此后在新的一輪新產(chǎn)品開發(fā)過程中，在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對共箱母線外殼實施了改進，順利通過了持續(xù)電流為4400A溫升試驗。

結(jié)語

從以上的新產(chǎn)品試制的實踐過程中可以看出，共箱母線的電阻對其持續(xù)通過電流時的溫升有明顯的影響。這種影響在一定程度上是由設(shè)計結(jié)構(gòu)決定的。在工藝條件可行和經(jīng)濟效益合理的前提下，適當(dāng)?shù)脑O(shè)計結(jié)構(gòu)可以有效的降低產(chǎn)品的溫升值。

[1]黎斌.SF6高壓電器設(shè)計[M]，北京：機械工業(yè)出版社，2003

[2]徐國政，張節(jié)容，錢家驪，黃瑜瓏.高壓斷路器原理和應(yīng)用[M]，北京：清華大學(xué)出版社，2000