提高GIS开关设备载流能力的研究

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  【摘 要】 对GIS开关电器产品导电回路导电材料的比较,选择综合性能最佳的材料制作导体,根据不同的使用要求,设计选择不同的触头结构,通过合理的结构设计,改善开关电器的热效应,提高导电回路载流能力
  【关键词】 GIS开关设备 导电材料的比较选择 触头的设计与选择 改善热效应
  
  1 概述
  
  随着我国电力工业的迅猛发展,GIS电器开关产品不断更新换代,向着高参数、小型化、智能型方向发展。其中高参数就包括大电流,因此本文就以小型化、大电流GIS在研发过程中,围绕如何提高载流能力问题进行了分析与探讨。使设计的产品更具有技术先进、成熟可靠的特点。
  开关设备的导电回路总是由若干零部件构成。两个零件通过机械连接方式互相接触而实现导电。当高压开关设备的载流导体与电接触构件长期通过工作电流,或短时通过短路故障电流时,均会引起发热。由于导体有电阻,因此发热产生电阻损耗,当然提供良好的散热措施也是很关键的因素。由于零部件的温度升高可使其物理、化学性能发生变化,机械和电气性能下降,可能导致产品发生故障,造成事故。载流量的大小与导体的结构、回路电阻、允许温升和环境条件等因素有关。这样选择导电体、电接触材料及电接触方式(即载流部件)就显得非常关键。
  
  2 提高载流能力的有关因素
  
  2.1 导体的导电特性、机械特性影响着导体的载流量
  导体的材料及加工方案的选择是贯穿产品设计制造整个过程的关键:母线是GIS各功能单元(或元件)之间的联络导体,起汇集与分配电能的作用,其可靠性至关重要。但在制造的过程中,不能一味考虑载流量,还要考虑易于加工及降低成本。金属材料的允许温度取决于其机械强度的变化,也与加工前后电阻的稳定性有关。母线的电阻损耗和母线的材质、制造技术、焊接工艺水平关系较大,材质越好,母线接头的焊接工艺水平越高,其电阻就越小,温升也就越低,发热损耗也就越小,导体的载流量就越大。
  


  
  2.1.1 导体材料优缺点比较
  在GIS中常用的导电材料及主要参数如表1。
  紫铜的导电及导热性能优良(导热系数380W/m·℃),具有极好的塑性,可以承受各种形式的冷热压力加工。紫铜导体一般采用型材加工而成,其铸造性能差。如图1所示的导体,制造这种导体需要先对序号1零件进行压弯,然后加工序号1和序号2焊接配合部分,再用直流氩弧焊接,最后加工成型。但铜的焊接性能较差,铜焊接后焊接变形较大,在焊缝和近缝区容易引起热裂纹,焊接时容易产生气孔。因此焊缝金属的成形差,造成表面处理很困难,焊缝和近缝区表面打磨后存在缺陷及夹渣的可能性大,导致焊缝区的电阻率上升和强度降低。另一方面,紫铜导体的材料及加工成本,均比铝导体高出3倍左右。
  国内GIS生产厂家的导体多采用铸造铝合金ZL101A,铸造铝合金ZL101A的铸造性能良好,流动性高、无热裂倾向、线收缩小、气密性高,有相当高的耐蚀性,但稍有产生集中缩孔和气孔的倾向。从表1中可以看出,铸造铝合金ZL101A具有较高的强度。但铸造铝合金ZL101A的电阻率比较大,在载流能力相同的条件下,采用铸造铝合金ZL101A做导体,就必须加大载流截面积。
  


  纯铝具有密度小、耐蚀性好、塑性好、导电和导热性能好,不能通过热处理强化,切削性不好,焊接性能优良,抗拉强度太低(见表1)。当导体长期通过工作电流,或短时通过短路故障电流时,均会引起发热,温度升高可使其物理、化学性能发生变化,材料逐渐软化(铝的软化点温度为150℃),机械强度和电气性能下降,可能导致产品发生故障,造成事故。
  铝合金6063具有密度小、耐蚀性好、塑性好、导电和导热性能较好外,中等的强度(见表1),冷加T性能好,焊接性能优良,利用交流氩弧焊机的“阴极破碎作用”清除铝合金焊接部位表面的氧化膜,焊接接头的热影响区和焊件的变形量小,保证了焊缝质量及内部的纯洁,从而保证焊缝处的电阻率变化不大,电阻稳定性比较好:最后可采用交流钨极氩弧焊机在不使用焊剂的条件下对焊缝进行整形,消除气孔并能提高焊缝的表面质量。
  从导电性能来比较:最好是紫铜,依次为纯铝、铝合金6063、铸造铝合金ZL101A:从制造角度和成本来比较:最好是铸造铝合金ZL101A,依次为铝合金6063、纯铝、紫铜。紫铜的制造成本高、焊缝区表面存在缺陷的可能性大,制造质量的稳定性差,同等体积下重量是铝的三倍:纯铝强度太低,满足不了要求。因此,对于大电流的产品的导体材料,选用6063合金具有电阻率较低、强度较高、加工工艺性较好并且成本低的特点。
  
  2.1.2导体材料的选型
  经过以上的研究对比:综合考虑后决定除了几种形状复杂的异型导体采用铸造铝合金ZL101A外,其余导体采用铝合金6063进行设计。
  按照小型化、大电流的设计思路,在满足绝缘距离的条件下设计的导体外圆直径为φ70mm。根据导体短路时允许的电流密度的公式:
  j=I/A式中I——热稳定电流(A):
  A——导体截面积(mm2):
  i——电流密度(A/mm2)。
  热稳定电流,取40kA,铝材在4s的热稳定时间允许电流密度j的经验数值为40A/mm2,计算出导体的壁厚不小于5mm,考虑壁厚对管材强度的影响等因素,将导体的壁厚确定为不小于10mm。对于需要进行压弯的导体直接采用棒料。
  
  2.2 触头的设计与选择影响着载流量
  在高压电器产品中,各种类型的触头对产品的性能、产品的容量以及产品的可靠性均起着决定性作用。所以在产品设计中,选择合理的触头类型是完善设计、提高产品功效的关键。
  从物理意义上说,固体表面总是凹凸不平的,所以触头的接触只能是局部的,只有保持足够大的接触压力,才会降低接触电阻。
  各类触头形状各异,用途不同,但从其工作原理划分,触头分为自力型触头、非自力型触头。自力型触头是以触头材料自身的变彤所产生的屈服弹力来提供接触压力的,其变形量有限,因材料屈服弹力有限,所以接触压力有限,回路电阻的设计量有一定下限,常见的有指形触头、盘形触头等:非自力型触头是靠弹力零件的弹力、零件的装配及配合尺寸等因素来保证其接触压力和稳定性的。所以可通过选用更高弹力的弹力件来提高接触压力,满足设计要求。常见的有梅花触头、块状指型触头等。
  通过对比两类触头的特性:接触压力是触头设计的关键,接触压力决定了接触电阻的大小,接触电阻决定着触头温升,触头温升直接影响着触头导体的载流量。同时,触头在设计及选用时,单片触指的变形量直接决定了触头的配合尺寸及加工公差准确度,决定着 触头的接触压力大小,使用寿命长短等项参数。
  


  
  2.2.1非自力型触头触片设计、接触压力计算及动热稳定性
  如图2所示,设触指最小截面尺寸宽度为。和厚度为6,电流密度为jo,则触指片数n=In/(abjo)。从触指数表达式可以看出,a和6之间就须合理配合:即集肤效应小、散热面积大、接触点多。这样,接触电阻小,载流能力就会提高。基于这些因数触片的厚度。通常取4-5mm,触指最小导电截面的宽度b取4-7mm,电流密度取7A/mm2。当热稳定电流40kA时,铜触指电流密度常取6A/mm2。则触指片数大约是24个。这与目前我们采取的触指数是一样的。
  在设计时选用强力弹簧来提供接触压力,因为当有足够大的力将两个触头压紧时,接触面上最高的微观尖峰就会发生变形压平,接触面增大,使收缩电阻减小。另外,只有保持触指有足够大的压力,才能使触指在分合闸过程中将表面氧化膜挤破,保证接触良好,减小表面膜电阻。从而降低接触电阻。还有非自力型触头流过短路电流时,因电流流经接触点而出现电流收缩现象,产生收缩电动力(其方向是朝着推开触指方向);由于各触指电流方向相同又同时产生相互吸引的电动力,此力与弹簧抱紧力一起增加了触头的电动稳定性。
  非自力型触头的接触压力可通过设计弹力件的弹力来满足。非自力型触头的变形量既包括触片的挠度,也包括弹力件的弹性变形量。常用的静态、冲击变形量经验选用值见表2。
  


  如图3:三根弹簧,两个接触部位。触片对弹簧的作用力为F1,其反作用力(弹簧作用在每片触指的向心力)为FKO,则有FKO=-F1,根据能量守衡定律及表2所列的数据,可算出FKO。根据产品设计及试验的经验,若每根弹簧的向心力为FKO,则每个接触点的接触压力为Fk=3FKO/2=1.5FKO。通常每片触指接触压力FKO设定在20~30N。
  


  
  2.2.2 自力型触头触片设计、接触压力计算及许用变形应力的校核(图4)
  为了提高载流能力,对于大电流(2500A以上)主触头选用电导率较高的铬铜,常取触指数n=20~24,电流密度j=2A/mm2
  


  每片触指的接触压力Fk为:
  Fk=30E×I×e/L3式中 E——触头材料的弹性模量,铬铜E=1.2×103MPa:
  I——触指截面惯性矩(mm4),l=bh3/12;
  e——触指在合闸位置的径向变形量,e=1~1.5mm:
  L——触指长度(mm)。
  L为单片触指长度,L值可由触头的行程决定。从I=bh3/12表达式可看出,为了提高接触压力,增加触指厚度比增加触指宽度更为有效。因自力型触头在材料屈服强度范围内由弯曲应力提供接触压力的,其变形量有限,所以在计算接触压力时,必须反复校核σmax不得超过材料的许用弯曲应力[σ](见表3)及变形量应小于单片触指在材料许用弯曲应力内的最大挠度(见表4)。
  对自力型触头主要进行弯曲强度验算。触指根部(见指形触头A—A断面)为弯曲变形危险截面,合闸时该截面最大弯曲应力为σw=FkL/W<[σ],式巾抗弯截面模量W=bh2/6。
  
  3 改善热效应措施
  
  3.1 增大导体表面积有利于散热
  在前面的导体材料选型中确定导体直径时已经考虑了导体的散热问题,导体直径在击φ60mm、壁厚在6mm时已能满足短路状态下的载流要求,在满足绝缘距离的条件下设计的导体外圆直径为φ70mm,将导体的表面积相对加大了36.1%,提高了导体的散热能力。
  


  
  3.2导体制作工艺有利于降低发热量
  从导体的制作工艺方面考虑降低发热量主要有以下两方面:一方面是尽量保证焊缝处的电阻率与母材基本一致,因此焊接用焊丝要选用与铝合金6063的化学成分相同或接近的材料:另外,用交流氩弧焊机焊接,可利用交流氩弧焊机的“阴极破碎作用”清除铝合金焊接部位表面的氧化膜,焊接接头的热影响区和焊件的变形量小,保证了焊缝质量及内部的纯洁,从而保证焊缝处的电阻率变化不大,电阻稳定性比较好:最后可采用交流钨极氩弧焊机在不使用焊剂的条件下对焊缝进行整形,消除气孔并能提高焊缝的表面质量。另一方面提高导体搭接面的有效接触面积,为了保证导体连接处接触的可靠性,降低搭接面处的发热,因此在考虑导体加工工艺时,将导体两端的搭接面(如图l中左侧外圆和右侧端面)在导体焊接后加工,保证了两端面的位置度,在装配时保证了搭接面的有效接触面积,从而减小搭接面的发热。
  


  
  3.3母线附近采用屏蔽罩有利于散热
  因电流增大时,母线附近发热较严重,所以在导体的连接处采用屏蔽罩。利用高导电材料制成的屏蔽罩实现电磁屏蔽,利用导体中感应电流的去磁作用削弱附近的磁场,减小发热,降低温升,提高导体的载流量,同时屏蔽罩上开有通气孔。
  
  3.4采取铝合金外壳有利于散热
  主回路导体和外壳自身的发热需从外壳表面散人大气中。因而,外壳直径越大,散热越有利,温升越低。一般对于三相一壳型GIS大都采用钢制外壳,但当额定电流超过2000A时,采用钢制外壳就要采取隔磁措施,以减少涡流损耗。所以采用非磁性材料铝代替钢铁材料制作外壳,减小磁滞损耗。常用铝合金外壳更为经济。
  
  4 结论
  
  我们主要从降低回路电阻和改善热效应的角度出发,讨论导电体材料、触头结构对提高载流量的影响。无论自力型触头还是非自力型触头,单片触指的变形量影响着相应连接处的接触电阻,直接决定着相应回路电阻及接触面温升等技术参数。两类触头在装配时,接触压力一定要均匀,否则分布在每个触指上的电流不同,长期运行后就会发生接触不良而过热。触指的发热会恶性循环,一个触指接触不良就会漫延整个触头接触不良。所以在产品的设计过程中应设计合适的接触压力,同时采取良好散热措施。
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