10kV 大電流C- GIS 溫升研究分析

任國萍

（天水長城開關廠集團有限公司，甘肅 天水741018）

1 概述

大電流C-GIS 的發熱問題是目前設計研發階段的一個難點。其主回路各元件發熱點作為熱源其熱能是以球面朝各個方向散逸的，因此將發熱零件的功率消耗跟其有效的散熱表面面積兩個因素加做簡化處理，再進行熱分析，參考計算分析的結論，對產品樣機進行結構改進，并逐一做溫升測試，以測試數據來驗證理論環節的可靠程度，是設計階段不可或缺的過程。本文就大電流C-GIS 存在的發熱問題從技術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

GIS 主回路系統是各高壓電器元件的集合，由斷路器、隔離開關、接地開關等元件組合，同時也是發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 主回路系統發熱體主要由導電回路組成，包括母線聯接器、母線、隔離開關、斷路器、出線套管及各功能單元的聯結導體等，如圖2 所示。

圖2 主回路系統發熱體

2.2 主回路系統散熱體主要由導電回路組成，包括低壓力絕緣氣體、氣室、主回路系統發熱體構成的等效散熱模塊。

3 主回路散熱問題

主回路熱分析問題主要研究的是開關柜主回路系統內部發熱模塊散熱體模塊之間的關系，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熱體產生的熱量經由系統的散熱體模塊快速地傳導至外的部環境中。由系統的發熱體及散熱體或它們的表面組成的等效熱阻，因出現了熱傳導以外的傳遞方式，可能會出現串或并聯的方式，這是由于熱傳遞方式出現了熱傳導以外的傳遞方式的原因，如低壓力絕緣氣體中的對流。

3.1 主回路電熱現象：

主回路常用的金屬導體有銅、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，當接觸電阻由于元件表面接觸狀況不良、表面氧化嚴重、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，導體發熱相應增大，電阻由于電流的熱效應而跟著增大；電阻增大導致溫度增加，如此反復循環，接頭由于溫度升至熔點而熔化；當主回路出現短路故障時，接頭因溫度升高發生熔化，可能會引發火災事故和絕緣破壞事故。

圖3 常用的主回路金屬導體

3.2 氣體中的載流與散熱

中壓金屬封閉開關設備中散熱的主要途徑是對流、傳導、輻射。

4 主回路系統仿真分析及優化

應用分析軟件的電熱耦合和電磁場分析功能，對主回路系統進行電熱和電磁計算，就不同參數的結構對其溫度的影響進行計算分析及仿真優化，對C-GIS 主回路系統內部發熱問題的分析提供理論依據。

4.1 建模

以隔離開關為例：隔離開關由動、靜觸頭和相應的導電體組成。載荷為加在隔離開關進出線兩端的電壓和電流。電熱分析時，由于散熱方式、觸頭導體形狀復雜性，對邊界條件的劃分溫度耦合方式應充分考慮。根據實際情況，對各模塊結構進行合理簡化，并根據實際情況提出相應假設的基礎上進行分析，建立用于主回路熱點耦合瞬態溫度場計算三維有限元模型，如圖4 所示。其中必須考慮材料物理性能參數及主回路表面對流熱交換參數隨溫度的變化。

圖4 簡化的模型

封閉母線的有限元模型從內到外共分為四層：主導體層、主導體和外殼間的sf6 層，外殼導體層、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及主回路表面對流熱交換參數隨溫度的變化。當主回路模擬封閉區域內自然對流時，計算結果將依賴于計算區域內的流體質量。加載求解的溫度分布圖如下圖所示：

圖5 溫度分布圖

4.3 發熱優化

通過多次分析論證，主要通過降低發熱量、降低電流密度、增強輻射和傳導來進行C-GIS 主回路系統優化。

5 結論

大電流C-GIS 的發熱問題一直是行業內研發過程中的難點。由分析計算可以發現，經過降低發熱量、增強輻射和傳導等方式來對C-GIS 主回路系統的優化改進，開關柜主回路的散熱問題得到明顯效果，故而羅列出以下優化改進措施，控制多方因素以完善試驗樣機，提升產品性能：挑選合金導體材料，控制導體電阻率；通過改進搭接方式等降低主回路電阻；優化模塊間結構以降低渦流損耗；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，改進散熱通道或強制冷卻。