C-GIS產品的溫升研究

厲復新　李首領　劉衛濤

摘? 要：隨著社會經濟高速的發展，我國電氣技術也得到了極大發展。充氣柜（簡稱C-GIS）是目前開關柜發展的趨勢，近年來的用量也在逐年增大，但大電流產品的溫升問題仍然在困擾著絕大多數生產企業，如何有效解決及控制大電流產品溫升成了必須思考的問題。為此，該文分別從降低發熱量、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。

關鍵詞：充氣柜;技術難題;溫升;解決方案

中圖分類號：TM591? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

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

引入了絕緣氣體介質，帶來了諸多的好處，但與此同時也在產品的設計、生產和工藝方面提出了更高的要求，帶來了一系列的技術問題。一直以來困擾充氣柜產品的技術難題，一是絕緣，二是溫升。經過了十幾年的發展，絕緣問題已經得到解決，但是大電流產品的溫升問題仍然在困擾著絕大多數生產企業。筆者自2001年開始一直從事充氣柜產品的開發研究和工程設計工作，以下是根據多年經驗總結出的幾點心得，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，其結構布局阻礙了氣室內熱量的散發，它把主回路密封其中，內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

針對充氣柜產品的結構特點，要解決其溫升難題，應從降低發熱量、增大散熱量和提高耐熱性能3個方面入手。

2.1 降低發熱量

2.1.1 降低導體損耗

電流流過導體時，導體會發熱產生電阻損耗，其發熱功率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

如果在產品設計時因選材不當產生渦流，也會產生發熱。在充氣柜產品中，易產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、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）如果產品是雙氣室或三氣室結構，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不低于3的導熱硅脂。

2.2.3 采取冷卻技術

在柜內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。這種增加散熱的方式雖然收效立竿見影，在國內外的產品中也有使用記錄，但不推薦優先使用。

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品的制造成本，所以絕緣件并非絕緣等級越高越好，還應結合經濟性考慮。

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

3 結語

溫度過高就會破壞氣室內各元件的功能，因此妥善解決氣室內主回路導體的溫升問題，是決定充氣柜產品性能的關鍵因素之一。該文中以上所總結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年開始研發和生產充氣柜產品，目前產品已經實現了多品種、系列化，產品電壓等級涵蓋了12 kV～40.5 kV，所有產品的溫升指標均按照額定電流的1.1倍，通過權威檢測機構的型式試驗。

參考文獻

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