摘要：随着经济的发展，工程建设越来越复杂，使用条件变化很大、地域越来越广，尤其是地下、高原、冻土、沿海、潮湿等环境条件，人口密集的地区、大型工矿企业、高层建筑等场合，因占地面积、空间限制等因素，如我国大城市的地铁、轻轨建设项目中首选的最佳中压配电设备就是C-GIS；环境条件差、可靠性要求高的建设工程、地下建筑、高原地区，空间狭小的高层建筑、集中的工商业区等是使用C-GIS的最佳场合；在西部地区，因海拔高、风沙大，如高原变电站等的建设，C-GIS是最佳的中压配电设备；在沿海地区以及污秽、潮湿的场合下，因环境条件潮湿、盐雾大、温湿度变化大、污秽，由绝缘问题而扩大的事故时有发生，也应是中压C-GIS最佳的使用场所。
关键词：C-GIS充气柜；电流2500A；温升；散热装置
引言：受各种环境条件的限制，中压C-GIS（简称充气柜）越来越普及，市场上迫切需要开发大电流2500A的充气柜。充气柜开发设计初期，对于难度较大的关键项，采用ProE软件进行模拟装配，并对强度、传动及其电场和发热等采用CAE技术进行仿真分析计算，在此基础上进行了模型机的投试和性能验证。为了保证额定及1.1倍额定电流条件下，温升满足标准规定的限制，为此做了大量的分析研究，专门设计了散热装置，并对母线做了特殊处理。
1充气柜断路器二次接线回路的优化
跳跃现象是在断路器分合闸命令同时存在且不撤销的情况下，断路器分合位置不断转换的不正常现象。在对断路器进行合闸操作时，若此时线路发生短路，并且断路器触头卡涩，则会发生跳跃现象，这主要是由断路器结构导致的，断路器的主触头行程都比较小，如10~12KV真空断路器的主触头行程只有8~10mm，它不能承受连续的多次合闸冲击，否则，真空泡易受到毁坏。防止跳跃现象是指防止断路器的跳跃现象，简称防跳。如何实现防跳功能呢？
这里需要用到防跳回路。防跳回路：合闸线圈得电使断路器合闸，同时断路器常开接点闭合使得防跳继电器得电，防跳继电器的常闭接点打开使得合闸回路断开防止断路器再次合闸。这里有两种情况：
①当断路器处于合闸状态下，若给出分闸命令，且同时给出持续合闸命令（即给出合闸命令并一直按住），则断路器只能执行合闸后分闸，且分闸后不再进行合闸，尽管“合闸”命令没有取消。
②当断路器处于分闸状态下，若给出合闸命令，且同时给出持续分闸命令（即给出分闸命令并一直按住），则断路器只能进行一次分闸，且分闸后不再进行合闸，尽管“合闸”命令没有取消。需要说明的是，尽管真空断路器的防跳回路电路原理图基本相同，但还是有所差异，特别是自制的断路器机构，充气柜的断路器机构就是自制的，它与目前市场上主流的一些断路器厂家的机构原理有很大的不同。
2C-GIS气箱单元设计
为便于加工并实现多单元方案及灵活扩展功能，气箱选用方箱型结构，气箱的设计主要考虑其耐压强度，另外在焊缝工艺上质量要求更加严格。
2.1气箱原材料及结构
采用方箱结构，经仿真模拟充气后单面承受的压力可达8500kg以上，因此设计中内部采用50×25不锈钢方管型材，焊接成框架结构，用以支撑气室强度。气箱密封用的板材，选用优质不锈钢板304。工艺要求方面，利用现代先进的板材下料、折弯、焊接设备以及氦气检漏技术，使密封箱体的精度、刚度、强度提高，漏气率降低。
2.2气箱设计强度设计校验
在气体绝缘柜设计中，SF6气体作为充气柜绝缘介质，其额定充气压力为0.04Mpa，爆破压力为0.186Mpa。按爆破压力设计该充气柜每平方米理论设计载荷为18600kg(即18.6t)。该充气柜不锈钢气室外壳最大面面积将达为0.60m2，因此充气柜需承受的最大压力为11.16t。可行性研究时，采用三维仿真模拟对产品进行设计和结构模拟，进行预装配，避免设计错误和配合问题；对气箱的强度进行预设压力仿真，找到薄弱的气箱强度，从而提高评审的直观性和可信度。箱焊接后，预充对应压力的空气，在多单元的12kV组合电器动态模拟实验室进行强度检验，再次查找气箱强度的薄弱点，并进一步修正。经过多次校验和修正，样机充气壳体的设计压力为0.1MPa，充气隔室SF6气体额定充气压力0.04MPa，最高工作压力为0.06MPa，补气报警压力为0.02MPa，最低工作压力为0.01MPa。
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2.3气箱设计强度验证
焊接工艺检查主要是对充气壳体应进行抽真空试验，压力为0.01MPa（20℃时绝对值）或以下，保持时间为30min，试验后压力不得升高；应无影响真空断路器、三位置隔离开关操作和影响固体绝缘母线、电缆终端接头联接的任何永久变形和损坏。每一种充气壳体进行试验压力为0.3MPa、保持时间为1min压力耐压试验，试验后壳体不得破坏或损坏，不允许有永久变形。试验后的壳体不得在产品中使用。试验时压力释放装置由密封盖板替代。
3柜体设计
设计初期对该产品进行关键技术项细致分解，并付诸逐步实施。对于难度较大的关键项，如充气隔室设计、三工位隔离开关设计等采用ProE软件进行模拟装配，并对强度、传动及其电场和发热等采用CAE技术进行仿真分析计算，在此基础上进行了模型机的投试和性能验证，做了大量的基础性研究，对充气隔室加强筋的布置进行了分析设计。通过对强度、绝缘、散热等方面的分析验证，最终确定了2500A方案。柜体采用薄不锈钢板和合理布置的加强筋焊接的双充气隔室，即主母线充气隔室和断路器隔室。
两个充气隔室为密封隔室，低压力SF6气体绝缘；气室由3mm厚不锈钢板焊接成型；气室防护等级为IP65；隔室后部设有释压爆破膜；顶部设有安装检修盖板。主母线充气隔室内装主母线、分支母线、母线联接器插座和母线套管及三工位隔离开关的主回路；三工位隔离开关操作机构安装于隔室外部，可实现其工作、隔离、接地的功能且各功能互锁；通过母线联接器和母线联接器插座可实现柜间主母线的电气连接；母线套管实现主母线充气隔室与断路器充气隔室的电气连接的同时兼作三工位隔离开关主回路的支撑件，简化了结构。通过旋转轴唇形密封圈实现三工位隔离开关隔室内外的动密封连接。断路器隔室内装真空断路器的主回路、分支母线和内锥式电缆插接座；断路器所配一体化弹簧操作机构安装于隔室外部，通过密封波纹管实现断路器隔室内外的动密封连接；内锥式电缆插接座安装于隔室底部，即作为隔室内母线支撑，也可实现与柜外电缆、避雷器及电压互感器等相连接。最终柜体宽度确定为800mm。
4 2500A设计难点
由于柜体尺寸较小，发热部件密封在充气隔室中，电流又达到2500A,因此温升作为此次设计的难点。为了保证额定及1.1倍额定电流条件下，温升满足标准规定的限制，为此做了大量的分析研究，专门设计了散热装置，并对母线做了特殊处理
5绝缘介质的研究概况
SF6气体因为具有优良的绝缘特性，在C-GIS产品中被广泛的使用，基于环保的要求，许多厂家都在纷纷进行相关绝缘介质的试验与研究工作。研究表明C-GIS中SF6含量可降低到85%～90%，这种情况下混合气体的雷电冲击强度比纯SF6还高；在N2气研究方面，国内上海天灵开关厂有限公司走在行业的前列，目前12kV系列产品已全部采用N2气，40.5kV的产品采用SF6添加一定比例的N2气，SF6的用气量大大减少；日本富士公司已开发出使用压缩空气的C-GIS2100型24kV充气柜，在绝缘介质的选用方面，对以上的研究成果根据实际可以借鉴。
结束语
12kV多单元共气箱充气柜的设计和制造，充分利用了先进的仿真技术和可靠的检验技术，从源头上提高了开发效率和成功率，在制造过程中遵循科学手段，严格控制加工组装流程，严格控制关键环节精度，保证了样机的一次成功。
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论文作者:徐帅,李红雷,陈利民
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/16
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