李金輝，劉洋，范冠鵬，邵淑敏，賈華景

(河南森源電氣股份有限公司，河南 長(zhǎng)葛 461500)

0　引　言

由于充氣柜具有體積小、抗干擾性強(qiáng)等獨(dú)特性能，國(guó)內(nèi)外紛紛致力于充氣柜的研制工作，目前大多數(shù)充氣柜均采用SF6氣體進(jìn)行絕緣[1]，但隨著SF6氣體被國(guó)際社會(huì)列為限制排放的溫室氣體之一[2]，為符合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求，建設(shè)更加節(jié)能、環(huán)保的智能電網(wǎng)系統(tǒng)，行業(yè)內(nèi)已開始逐漸研制采用環(huán)保氣體的環(huán)網(wǎng)開關(guān)設(shè)備[3]。在研制的過(guò)程中，我們也需要對(duì)充氣柜的一些主要的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行研究計(jì)算，為后續(xù)的產(chǎn)品試制投產(chǎn)奠定理論參考。

本文以一種新型的XGNA-12環(huán)保型充氣柜為對(duì)象，分別對(duì)其三工位開關(guān)動(dòng)靜觸頭接觸電阻、密封箱體氣體壓力及其水分含量、隔離開關(guān)觸頭壓力等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析。

1　接觸電阻

1.1　接觸電阻的計(jì)算

影響接觸電阻的要素主要有四個(gè)：

(1) 材料的性質(zhì)；

(2)接觸形式；

(3)接觸壓力；

(4)接觸表面的加工情況。

要準(zhǔn)確的計(jì)算接觸電阻是很困難的，通常只能用經(jīng)驗(yàn)公式估算。經(jīng)驗(yàn)公式:

(1)

式中:F—接觸壓力；

m—與接觸形式有關(guān)的系數(shù)，對(duì)點(diǎn)、線、面接觸，分別取0.5、0.7、1[4]；

KC—與接觸材料、表面及接觸方式等有關(guān)的系數(shù)，通常可由試驗(yàn)得出，見表1。

表1　各種材料(表面未氧化)的KC值

如圖1所示，三工位開關(guān)動(dòng)靜觸頭接觸方式為4點(diǎn)接觸，m=0.5；接觸表面都鍍錫，故KC取100；單邊壓力為160～180 N。每個(gè)接觸點(diǎn)的壓力F=160/2=80 N，則接觸電阻為:

圖1　三工位開關(guān)動(dòng)靜觸頭接觸方式

1.2　接觸點(diǎn)的溫升

電流流經(jīng)電器的導(dǎo)電部分時(shí)，導(dǎo)電桿、觸頭等的溫度都要升高。開關(guān)電器的觸頭大多是用截面很大的紫銅制成，紫銅導(dǎo)熱性很好，因此觸頭部分的溫度幾乎相同，稱為觸頭的本體溫度θb。在接觸處，由接觸電阻產(chǎn)生的熱損耗集中在很小范圍內(nèi)。這些熱量只能通過(guò)傳導(dǎo)向觸頭本體傳熱，因此接觸點(diǎn)處的溫度θc要比觸頭本體溫度高[5]。θb與θc之差則稱為接觸點(diǎn)溫升τc，寫成公式為:

θc=θb+τc

(2)

(3)

式中:Uc—接觸電阻電壓降[V]。

金屬材料有這樣的特性，電阻率ρ越大，熱導(dǎo)率λ就越小。對(duì)任何金屬，ρ和λ的乘積只與絕對(duì)溫度T有關(guān)，其公式如下:

λρ=LT

(4)

式中:L稱為洛倫茲(Lorenz)常數(shù)，對(duì)于所有金屬，這個(gè)常數(shù)值都相同，L=2.4×10-8,將式(4)代入式(3)，可得:

若觸頭本體溫度為90 ℃，取絕對(duì)溫度T=θb+273=363 K，I為1.1倍額定電流，I=1.1×630=693 A，可得:

接觸點(diǎn)的熱穩(wěn)定性，如表2所示。

表2　金屬的軟化點(diǎn)和熔點(diǎn)

如表3所示，根據(jù)觸頭材料的熔點(diǎn)及觸電本體溫度θb，可以求出觸頭開始熔化時(shí)的接觸電阻的電壓降:

表3　觸頭熔化時(shí)的Uc值

計(jì)算20 kA，4 s觸頭壓降值。接觸點(diǎn)發(fā)熱在1 s時(shí)基本穩(wěn)定。

Uc=IRc=200 000×8.8×10-6=0.176 V

0.176 V<0.41 V,觸頭不會(huì)熔化。

熔化時(shí)的接觸電阻：

1.3　觸頭的電動(dòng)穩(wěn)定性

電流流經(jīng)接觸點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流收縮現(xiàn)象，產(chǎn)生推開觸頭的電動(dòng)力，大小與電流的平方成正比。電動(dòng)穩(wěn)定性以電流峰值Im表示。觸頭的電動(dòng)穩(wěn)定性，就是在這個(gè)電流的作用下，觸頭收縮電動(dòng)力仍然小于觸頭的接觸壓力。

F—接觸壓力(N)

Kc—系數(shù)，決定于觸頭材料和接觸形式，銅銅觸頭一個(gè)觸指可取Kc=5 000。

2　密封箱體參數(shù)

2.1　氣體壓力

20 ℃時(shí)的設(shè)計(jì)壓力為0.02 MPa～0.03 MPa(相對(duì))。

-25 ℃時(shí)氣體最小壓力為:

環(huán)境溫度40 ℃，溫升40 ℃時(shí)的最大壓力為:

因此，密封箱體的設(shè)計(jì)相對(duì)壓力為0.06 MPa。

2.2　密封箱體結(jié)構(gòu)

圖2　密封箱體

圖3　密封箱體在0.06 MPa下的變形

密封箱體的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要分前板、后板以及左右側(cè)板四個(gè)部分，每個(gè)部分都焊有加強(qiáng)筋，以減小箱體的變形量。

密封箱體在0.06 MPa下的變形如圖3所示，最大變形量3.716 mm，在箱體下部，側(cè)板變形量最大3.2 mm。

2.3　水分

水分以水蒸氣形式成在，溫度驟降時(shí)，可能冷凝成露水附著在絕緣表面，從而出現(xiàn)沿面放電事故。

氣體中水分凝結(jié)成露或冰，取決于氣體中水蒸氣的分壓力和密度在什么溫度下達(dá)到它飽和值[6]。

如表4所示，在飽和壓力下，若此時(shí)的溫度高于0 ℃則凝結(jié)成水否則凝結(jié)成冰。因此，只要?dú)怏w中水蒸氣的分壓力低于611 Pa，則水蒸氣只有在溫度低于0 ℃時(shí)才能凝結(jié)，且以固態(tài)冰的形式出現(xiàn)，不會(huì)給絕緣性能的降低帶來(lái)很大的影響。若考慮更安全些，按-10 ℃時(shí)出現(xiàn)凝結(jié)考慮，則氣體中水蒸氣的分壓力就得低于-10 ℃時(shí)水蒸氣的飽和壓力259 Pa，飽和密度為1.92 g·m-3。

表4　水蒸氣的分壓力和密度與溫度關(guān)系

電器設(shè)備中允許的水分含量通常以體積比表示，氣體壓力是由分子平均熱運(yùn)動(dòng)形成的。

氣體分壓力之比=分子密度之比=體積比

水分含量X=Vv/V=Pv/P

其中Vv、Pv為水蒸氣的體積和分壓力；V、P為氣體的體積和充氣壓力。

充氣殼體的充氣壓力為0.13 MPa(絕對(duì))，按-10 ℃出現(xiàn)凝露時(shí)，允許的水分含量X的最大值為：

水分含量

從凝露角度考慮，一定溫度下水蒸氣的飽和壓力是一定的，此在同壓力下允許的水分含量體積比是不同的，氣體壓力越高允許的水分含量的體積比越小。

3　隔離開關(guān)觸頭壓力

圖4　隔離開關(guān)

圖5　觸頭接觸情況　　　圖6　觸頭受力情況

如圖4所示，隔離開關(guān)動(dòng)觸刀的力臂長(zhǎng)度為L(zhǎng)=177.8 mm。觸頭接觸情況如圖5所示，動(dòng)觸刀的兩個(gè)刀片在旋轉(zhuǎn)力的作用下與靜觸頭相接觸，這樣靜觸頭就會(huì)受到力的作用，如圖6所示，F(xiàn)1為支座反力，即隔離軸接觸反力，F(xiàn)2為面接觸壓力，F(xiàn)3為摩擦力,摩擦系數(shù)為0.2。

動(dòng)觸刀觸頭壓緊力的最大值為:

F=180 N

則

F2=Fsin(68)=180×0.92=165 N

F3=F2×0.2=165×0.2=33 N

F1=2×(F2×sin(22)+F3×cos(22))=
2×(165×0.374 6+33×0.927)=186 N

轉(zhuǎn)軸扭矩為:

J=3×186×0.177 8≈100 N·m

4　結(jié)束語(yǔ)

做好環(huán)保型充氣柜的開發(fā)設(shè)計(jì)，離不開對(duì)其技術(shù)參數(shù)的計(jì)算和分析，它有益于我們更清晰的認(rèn)識(shí)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)，使產(chǎn)品在開發(fā)乃至生產(chǎn)試制的各個(gè)環(huán)節(jié)都能夠順利的進(jìn)行，也為環(huán)保型充氣柜重要性能的研究提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張交鎖.中壓環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)電業(yè)(技術(shù)版),2014,4(6): 35-38.

[2] 李建基.非SF6氣體充氣柜(C-GIS)[J].電氣技術(shù)，2006,7(4): 64-67.

[3] 孫竹森，蘭劍.環(huán)保型金屬封閉開關(guān)設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)電業(yè)(技術(shù)版),2014,4(6): 53-56.

[4] 許軍,李坤. 電接觸的接觸電阻研究[J]. 電工材料,2011,39(1):10-13.

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[6] 孫鵬程，王幫田，洪文芳，等. SF6/ N2混合氣體絕緣特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)電力，2012,45(12): 71-75.