關于ZF6-252 GIS用新型4000A共箱母線的一些改進

辛　鵬新東北電氣集團高壓開關有限公司

關于ZF6-252 GIS用新型4000A共箱母線的一些改進

辛鵬
新東北電氣集團高壓開關有限公司

在ZF6-252 GIS用新型4000A共箱母線新產品試制的過程中，通過對溫升試驗結果的分析，結合參考文獻中介紹的知識及以往的設計經驗，對共箱母線導電回路的組成零部件，進行了一些改進。這些改進以降低導體和電接觸位置的電阻為側重點，并且改進的效果得到試驗的驗證，簡要的說明了設計結構與產品回路電阻以及溫升之間的一些關系。

共箱母線；溫升；電接觸；電阻

一、ZF6-252 GIS用新型4000A共箱母線

ZF6-252型六氟化硫封閉式組合電器是按引進日本國日立公司制造技術進行國產化的、具有當代國際先進水平的高壓電器設備。主母線采用三相共箱式結構，其余均采用分相式結構。在其基礎上，新型252kV GIS用額定電流4000A主母線沿用三相共箱式結構，對導體、觸頭進行了一些改進，以提高通過持續電流的能力。ZF6-252kV GIS用主母線由罐體、導體、觸頭、支撐絕緣子四類零部件組成。ZF6-252kV GIS用共箱母線分為若干節，節節之間首尾相連，通過法蘭互相對接。內部裝配三相導體，三相導體的軸心分別為三角形的三個頂點，屬于典型的三角形布置方式。

二、原設計的結構

額定電流是設備能夠持續通過的電流。高壓電器設備持續通過電流時都會發熱。高壓電器發熱的主要問題在于，零部件溫度過高可能使材料的物理、化學性能起變化，機械性能和電氣性能下降，最后導致高壓電器的工作故障，甚至造成嚴重事故。GIS母線的額定電流的確定必須要通過型式試驗——溫升試驗來驗證。要通過溫升試驗，首先要控制各個位置溫升不超過標準要求。這里僅討論了主回路的溫升控制的問題。

設備中的發熱主要來源于其導電回路的電阻損耗。電流流經設備的導電部分時，由于導體電阻，因此發熱產生電阻損耗。回路電阻由回路中各導電體固有電阻和各觸頭和連接處的接觸電阻組成。導體的固有電阻與導體的截面積和電阻率有關，增大導體截面積，使用電阻率更低的材料都可以降低導體的固有電阻。接觸電阻則與很多因素有關，如電接觸形式，觸頭的材料，接觸面的情況（粗糙度、氧化層厚度等），接觸壓力，接觸點的數量等。

為了降低回路電阻，共箱母線試驗樣機設計的過程中已經采取了一些措施：第一，增大觸頭直徑。第二，增大導體直徑和壁厚。第三，銅的過渡導體。

三、新設計中的一些改進

在試驗前，對主回路電阻進行例行測量，實測值與預期值十分接近。所以排除了裝配原因導致試驗不能通過的可能。根據對試驗樣機各部分回路電阻的測量，觸頭兩側電阻為6～8微歐，導體，導體電阻為30多微歐。導體與支撐絕緣子之間的固定連接處電阻為1微歐左右，幾乎測量不到。所以，降低回路電阻必須從觸頭、導體入手。具體實施過程如下：

1.計算原觸頭壓緊彈簧的剛度，從而求出每片觸指的壓緊力。觸指的向心力主要來自壓緊彈簧長度伸長產生的拉力。

FK0：每根彈簧的向心力（N）；K：彈簧剛度（N/mm）；l0：彈簧自由狀態長度（mm）；D2：裝入觸頭后彈簧圈中心線直徑（mm）；n：觸指片數。

每個接觸點的接觸壓力為：FK=4 FK0/2=2 FK0。

經計算，原設計的每個接觸點的接觸壓力FK約為17N。根據產品設計及試驗的經驗，通常認為將每個觸點的接觸壓力FK設定在20～30N比較合理。相比之下原設計接觸壓力偏低。另外滑動頻繁的電接觸點，不適合采用較大的接觸壓力。但共箱母線梅花觸頭屬于不經常滑動的電接觸。通常只有在現場對接裝配和解體檢修共箱母線過程中才會出現梅花觸頭分離的情況，因此不必擔心較高的接觸壓力會對電接觸表面產生不良影響，可以取較高的接觸壓力。在改進設計中通過修改彈簧剛度，將接觸壓力FK增大到20～21N，以降低接觸電阻。

2.測量每根導體的電阻，計算其電導率。為了排除儀器誤差對測量結果的影響，對不同導體進行了多次測量，得出長度2米的導體其平均電阻約為15μΩ。根據以下公式計算：

l：導體的長度，單位為m；S：導體的截面積，單位為mm2；ρ：導體的電阻率，單位為Ω·mm2/m；γ：導體的電導率，單位為S·m/ mm2。

得到原設計使用的導體鋁合金材料電導率約為27 S·m/ mm2。降低固有電阻，必須要提高材料電導率。查閱我公司企業標準，找到一種電導率可達到32 S·m/mm2的鋁合金材料。如果使用這種材料可有效降低導體的固有電阻。并且這個材料的價格與原來的材料相差不大，不會造成成本的大幅上升，可以確保產品的經濟效益。因此將導體材料改為該種鋁合金。預計2米導體的電阻值可下降2～3μΩ。

3.原設計觸指數量已經增加到了極限，由于絕緣性能限制，不能繼續增大觸頭直徑，也就無法進一步增加觸指。因此在改進設計中在原有觸指的電接觸面設計一個凹槽，使每個觸指都有2個接觸位置，在不增加觸指數量的條件下增加了接觸點的數量。為方便加工，該凹槽形狀設計的十分簡單，提高了加工工藝性，控制了生產成本。

以上改進既沒有過多的提高生產成本，又提高了產品性能。在實施改進后，實測觸頭接觸電阻由6～8μΩ降到3～4μΩ。整體回路電阻也相應下降了8～9μΩ。在2015年下半年進行的第二次持續電流為4000A共箱母線溫升試驗中，觸頭位置的溫升值較前一次下降了8K左右，其余位置也不同程度出現降低，以上的改進收到了預期的效果，為后續的產品設計和開發打下了一個新的基礎。此后在新的一輪新產品開發過程中，在上述結構的基礎上，對共箱母線外殼實施了改進，順利通過了持續電流為4400A溫升試驗。

結語

從以上的新產品試制的實踐過程中可以看出，共箱母線的電阻對其持續通過電流時的溫升有明顯的影響。這種影響在一定程度上是由設計結構決定的。在工藝條件可行和經濟效益合理的前提下，適當的設計結構可以有效的降低產品的溫升值。

[1]黎斌.SF6高壓電器設計[M]，北京：機械工業出版社，2003

[2]徐國政，張節容，錢家驪，黃瑜瓏.高壓斷路器原理和應用[M]，北京：清華大學出版社，2000