箱型气体绝缘交流金属封闭开关设备（C-GIS）优化设计
来源：电气商情网 作者： 日期：08-03-21 16:27:08
摘要：本文介绍40.5kvc-gis的绝缘结构、断路器机构传动和气室强度等内容进行的研究，对重要参数进行了理论计算、分析及验证，并提出了结构优化改进措施，反映了高压开关设备研发手段的技术发展趋势。
英文摘要：thistextintroducestheresearchinganalysistowards40.5kvc-gis,suchastheinsulatingconstruction,theoperatingdeviceofcircuitbreaker,andthestrengthmeasuresofthegascontainer.notonlygivesthetheoreticalcalculation,analysisandverificationofitsimportantparameter,thistextalsobringsupmeasuresofthestructuralimprovement.theseresultsreflectthedevelopmenttrendofmoderndevelopingmeansofhigh-voltageswitchgearresearchanddevelopment.
关键词：sf6气体绝缘、c-gis、cae、优化
英文关键词：thesf6gasinsulation,c-gis,cae,optimizing
绝缘是电器设备结构中的重要组成部分，通过电场分析并采用cae手段优化设计可以既经济合理又安全可靠的解决c-gis中的绝缘问题。
2.1sf6气体间隙绝缘的工程计算
开关柜应用的主要是稍不均匀电场结构，当sf6间隙中的最大场强达到某一数值eb时，间隙击穿。
击穿电压ub=η´eb´d
η为绝缘利用系数，为间隙中平均场强eav与最大场强emax之比，d为sf6间隙距离，eb在作粗略估算时可用下表的工程击穿场强ebt值
3)螺钉坎件,电位等于地。
4)金属安装法兰（用于使套管与柜体相连），电位等于地。
产品充气压力为0.04mpa（环境温度20℃时）。施压按雷电冲击耐压峰值185kv计算，sf6气体相对介电常数为1.002，环氧树脂材料的介电常数为3.5。
图2为所获得的优化结构下的电场分布图。
在电场计算中，可以直观得到电场强度的局部极值点，通过改变局部形状、布置等结构要素，去降低最大场强值，并使固体绝缘件表面的路径与电力线尽量平行等，使实际电场场强比该气压下sf6气体的击穿场强留有一定裕度，即可确定其绝缘具体结构。
3、操作机构的机械特性分析和优化设计
该产品断路器配用弹簧操作机构，对机构的分析主要是实现断路器合、分闸运动的机械动力学方面的计算。
3.1机械特性分析
目的为获得断路器触头合、分运动的优化机械行程特曲线、机构完成既定运动后的剩余能量，以及机构杆件间传递的机械利益和效率。
3.1.1机构cae数学模型的建立
在灭弧室结构一定的情况下，分闸速度（行程特性曲线）是断路器的开断性能的决定性因素，所以对断路器机构设计应从分闸特性入手，当分闸特性满足后，再对合闸运动特性进行分析，并从动力配合角度对分合闸特性进行优化。
3.1.2断路器分闸特性的分析
第一步：负载特性曲线的确定，初步由真空灭弧室的要求来确定；
第二步：传动机构的确定，设计准则为：使断路器触头开距得以满足，且
解决触头变直问题及提高传动效率问题等；
第三步：运动分析，通过操作机构输出大轴和动触头运动的匹配，得到分闸速度和输出大轴与油缓冲碰撞速度；
第四步：动力分析，通过优化确定分闸簧和触头簧所要提供的能量，利用输出大轴与油缓冲碰撞速度曲线作为设计油缓冲油隙的依据。
其分析结果（未计油缓冲器阻尼）见图3，从图中可查到分闸速度为1.75m/s，（开距为15mm）,后实测分闸速度为1.7m/s，满足设计要求。
3.1.3断路器合闸特性的分析
第一步：负载特性曲线的确定，初步由分闸簧和触头簧及合闸电动力对操作机构的要求来确定；
第二步：传动机构的确定，设计准则为：保证触头在以接触后就能可靠地接触；
第三步：运动分析，使断路器触头合闸速度得以满足，一方面从降低机械应力和冲击的角度出发，另一方面要较高的合闸速度来减小预击穿时间，减小触头磨损量；
第四步：动力分析，通过优化合闸能量，对临界反弹合闸速度进行分析，解决弹跳问题等。
5、结论
我厂xgn69-40.5（z）/t2000-31.5c-gis,全部零部件采用三维计算机辅助设计（cad），关键结构均通过cae工具分析计算，在电场、机构传动以及结构强度等方面进行了优化设计,使产品具有高可靠性。产品除全面完成型式试验外,还累计完成了10余万次的机械可靠性增长试验。另外,该产品设计上还实现了智能化功能。可以肯定，该产品将会成为今后一个阶段内国内自主知识产权c-gis中的领军产品，在发展城市电力系统的供给能力,建设城市轨道交通电力系统的过程中将表现出其小型化，智能化，高可靠性，免维护的优良特性。
参考文献：
1．朱德恒，严璋主编高电压绝缘
2．尚振球郭文元编高压电器西安交通大学出版社，1992
3．徐国政张节容钱家骊黄渝珑编著高压断路器原理和应用清华大学出版社，2000
作者简介：王安心，1995年毕业于湖南大学机制专业，工程师，从事输变电开关设备设计。现任天水长城开关厂高压电器研究所cae设计室主任，本项目的主要开发人和项目负责人。
