XGNA-12环保型充气柜技术参数的计算

2017-04-03李金辉刘洋范冠鹏邵淑敏贾华景

电气自动化 2017年6期

李金辉，刘洋，范冠鹏，邵淑敏，贾华景

(河南森源电气股份有限公司，河南长葛 461500)

0　引　言

由于充气柜具有体积小、抗干扰性强等独特性能，国内外纷纷致力于充气柜的研制工作，目前大多数充气柜均采用SF6气体进行绝缘[1]，但随着SF6气体被国际社会列为限制排放的温室气体之一[2]，为符合经济社会发展要求，建设更加节能、环保的智能电网系统，行业内已开始逐渐研制采用环保气体的环网开关设备[3]。在研制的过程中，我们也需要对充气柜的一些主要的技术参数进行研究计算，为后续的产品试制投产奠定理论参考。

本文以一种新型的XGNA-12环保型充气柜为对象，分别对其三工位开关动静触头接触电阻、密封箱体气体压力及其水分含量、隔离开关触头压力等技术参数进行计算和分析。

1　接触电阻

1.1　接触电阻的计算

影响接触电阻的要素主要有四个：

(1) 材料的性质；

(2)接触形式；

(3)接触压力；

(4)接触表面的加工情况。

要准确的计算接触电阻是很困难的，通常只能用经验公式估算。经验公式:

(1)

式中:F—接触压力；

m—与接触形式有关的系数，对点、线、面接触，分别取0.5、0.7、1[4]；

KC—与接触材料、表面及接触方式等有关的系数，通常可由试验得出，见表1。

表1　各种材料(表面未氧化)的KC值

如图1所示，三工位开关动静触头接触方式为4点接触，m=0.5；接触表面都镀锡，故KC取100；单边压力为160～180 N。每个接触点的压力F=160/2=80 N，则接触电阻为:

图1　三工位开关动静触头接触方式

1.2　接触点的温升

电流流经电器的导电部分时，导电杆、触头等的温度都要升高。开关电器的触头大多是用截面很大的紫铜制成，紫铜导热性很好，因此触头部分的温度几乎相同，称为触头的本体温度θb。在接触处，由接触电阻产生的热损耗集中在很小范围内。这些热量只能通过传导向触头本体传热，因此接触点处的温度θc要比触头本体温度高[5]。θb与θc之差则称为接触点温升τc，写成公式为:

θc=θb+τc

(2)

(3)

式中:Uc—接触电阻电压降[V]。

金属材料有这样的特性，电阻率ρ越大，热导率λ就越小。对任何金属，ρ和λ的乘积只与绝对温度T有关，其公式如下:

λρ=LT

(4)

式中:L称为洛伦兹(Lorenz)常数，对于所有金属，这个常数值都相同，L=2.4×10-8,将式(4)代入式(3)，可得:

若触头本体温度为90 ℃，取绝对温度T=θb+273=363 K，I为1.1倍额定电流，I=1.1×630=693 A，可得:

接触点的热稳定性，如表2所示。

表2　金属的软化点和熔点

如表3所示，根据触头材料的熔点及触电本体温度θb，可以求出触头开始熔化时的接触电阻的电压降:

表3　触头熔化时的Uc值

计算20 kA，4 s触头压降值。接触点发热在1 s时基本稳定。

Uc=IRc=200 000×8.8×10-6=0.176 V

0.176 V<0.41 V,触头不会熔化。

熔化时的接触电阻：

1.3　触头的电动稳定性

电流流经接触点时会出现电流收缩现象，产生推开触头的电动力，大小与电流的平方成正比。电动稳定性以电流峰值Im表示。触头的电动稳定性，就是在这个电流的作用下，触头收缩电动力仍然小于触头的接触压力。

F—接触压力(N)

Kc—系数，决定于触头材料和接触形式，铜铜触头一个触指可取Kc=5 000。

2　密封箱体参数

2.1　气体压力

20 ℃时的设计压力为0.02 MPa～0.03 MPa(相对)。

-25 ℃时气体最小压力为:

环境温度40 ℃，温升40 ℃时的最大压力为:

因此，密封箱体的设计相对压力为0.06 MPa。

2.2　密封箱体结构

图2　密封箱体

图3　密封箱体在0.06 MPa下的变形

密封箱体的结构如图2所示，主要分前板、后板以及左右侧板四个部分，每个部分都焊有加强筋，以减小箱体的变形量。

密封箱体在0.06 MPa下的变形如图3所示，最大变形量3.716 mm，在箱体下部，侧板变形量最大3.2 mm。

2.3　水分

水分以水蒸气形式成在，温度骤降时，可能冷凝成露水附着在绝缘表面，从而出现沿面放电事故。

气体中水分凝结成露或冰，取决于气体中水蒸气的分压力和密度在什么温度下达到它饱和值[6]。

如表4所示，在饱和压力下，若此时的温度高于0 ℃则凝结成水否则凝结成冰。因此，只要气体中水蒸气的分压力低于611 Pa，则水蒸气只有在温度低于0 ℃时才能凝结，且以固态冰的形式出现，不会给绝缘性能的降低带来很大的影响。若考虑更安全些，按-10 ℃时出现凝结考虑，则气体中水蒸气的分压力就得低于-10 ℃时水蒸气的饱和压力259 Pa，饱和密度为1.92 g·m-3。