12kV共箱式气体绝缘环网柜气箱的优化设计

周 君 骆祥华 许金亮 党景涛

（青岛特锐德电气股份有限公司）

0 引言

随着开关柜行业的发展，12kV共箱式气体绝缘环网柜因其结构紧凑、体积小、重量轻、全天候、扩展性好、组合灵活、免维护、全封闭等特点[1-2]，迅速被城市配电网环网供电所接受从而广泛应用[3-5]，在配电系统中有着举足轻重的地位。其稳定性及可靠性将直接影响整个配电网络，气箱作为环网柜的核心元件，其结构及制造将对环网柜的安全可靠运行产生直接影响。

到目前为止，气箱的结构设计大部分建立在经验积累的基础之上，缺乏理论的支持，而通过有限元分析软件的应用，能够很好地找出气箱的最大变形位置及应力集中点，从而对气箱结构进行一个整体的优化，以达到设计要求[6]；之后，通过水压试验进一步确定气箱是否满足要求，并最终确定其最大使用压力。

1 气箱分析

CCF（负荷开关单元+负荷开关单元+组合电器单元）模块是三个单元的组合，是共箱式环网柜常见的模块，其气箱采用3mm厚不锈钢板折弯后焊接而成，气箱内外两侧均焊接相应的加强筋，分析前气箱结构如图1所示，图中未增加任何电缆试验套管孔，爆破片在气箱底部左侧位置。

2 峰值压力的确定

气箱在内部发生燃弧故障时将产生巨大的燃弧压力[8-12]，因此，在分析气箱受力变形之前，需要确定发生燃弧时的瞬时峰值压力[13-14]。在此，摒弃以前分析时采用的经验值，通过有限元理论分析，并结合实际经验，确定在不同的位置产生燃弧时，不同燃弧电流，不同爆破片直径（综合考虑气箱强度及爆破片安装）的情况下所产生的峰值压力。内部燃弧数据分析见表1，在取得峰值压力的同时，确定爆破片的尺寸及在气箱底部的位置。

图1 CCF模块气箱结构示意图

表1 内部燃弧数据分析表

在此前提下，利用专业的分析软件，建立 CCF模块气箱真实模型，并写入CCF的真实参数，如：箱体体积、相间距、燃弧时间、绝缘气体、工作压力[7]等。

同时，为使气箱能够满足使用过程中更加苛刻的条件，使所分析的数据更具有参考性，假定气箱温度为 75℃，绝缘气体相对压力 0.03MPa，爆破压力0.12MPa，频率60Hz。

根据以上数据，对气箱爆破时的峰值压力进行分析，结果见表2。

表2 峰值压力结果数据表

从分析数据中可以看出，爆破片直径为 190mm时，峰值压力最小，为0.17MPa。图2为爆破片直径为190mm时，气箱内部燃弧压力随时间的变化曲线，在燃弧 100ms后，燃弧压力达到峰值，换句话说，虽然爆破片的爆破压力为0.12MPa，但气箱内部产生燃弧后，爆破片爆破前，需要一定的响应时间，在爆破片爆破时，气箱内部压力达到峰值压力0.17MPa。因此，在对气箱结构进行强度分析时，燃弧压力采用峰值0.17MPa，分析数据具备较大的权威性。

图2 燃弧压力随时间变化曲线

通过上述分析，将爆破片的直径优化为190mm。

3 气箱机械强度有限元分析

根据天津太钢天管不锈钢有限公司提供的 3mm厚不锈钢板的质量证明书，可以得出此种类型的不锈钢板屈服强度为275MPa（此值假设为设计压力下的许用值），抗拉强度为663MPa（此值假设为燃弧峰值压力下许用值）。

气箱设计压力为0.03MPa（相对值），但由于环网柜使用条件比较恶劣，如使用温度为 75℃或海拔为 3000m等，综合考虑恶劣因素的影响，在本次分析中将设定压力值提高到0.094MPa；根据上述分析，燃弧压力取峰值0.17MPa（相对值），考虑到安全系数，增加 10%容差，即分析中取计算压力为0.187MPa；同时，假设气箱内气体压力作用于气箱内部每个表面。

3.1 气箱结构优化前有限元分析[15-16]

在此前提下，对气箱进行设计压力及燃弧峰值压力两种情况下的有限元分析，分析结果如图3、图4所示。

图3 设计压力下气箱强度分析结果

通过结果分析得出，在设定的相应许用应力前提下，气箱内部拉杆与后板连接处、侧板加强筋处、气箱后板折弯处、顶部加强筋等位置均出现较大的应力集中现象，应力值超出许用值的位置分布较多，因此，气箱结构存在较大的缺陷，在工作压力及峰值压力下存在风险。而且，气箱顶部及后部形变较大，其势将影响开关柜的正常工作。根据分析结果可知，气箱结构需进一步优化。

图4 燃弧峰值压力下气箱强度分析结果

3.2 气箱结构优化后有限元分析

根据分析结果可知，气箱结构问题主要集中在加强筋[17]分布不合理、加强筋数量不足、拉杆及连接圆盘直径较小等方面。因此，对气箱结构做如下修改：

1）气箱内部拉杆直径由8mm增大至12mm，并调整位置，与气箱连接处圆盘直径及厚度增大以均衡气箱受力。

2）提升侧板外部中间加强筋本身强度，并均布加强筋。

3）在气箱后板内部焊接两根U形加强筋，以减少后板的变形及受力。

4）在气箱顶部外侧增加3根纵向加强筋，以减少气箱顶部的变形及受力。

在优化完成后，仍按照原有的假定分析条件对优化后的模型进行分析，分析结果如图5、图6所示。

通过对优化后的数据分析可知：

1）在 0.094MPa的设计压力作用下，最大应变为6mm，发生在气箱后板；最大应力为460MPa，发生于后板上侧折弯处，较优化前已明显降低，且超出许用值区域大面积减少。

图5 设计压力下气箱强度分析结果

图6 爆破压力下分析结果

2）在 0.187MPa的爆破压力下，最大应变为12mm，发生在气箱后板；最大应力为 850MPa，发生于后板上侧折弯处，较优化前已明显降低。

4 结束语

通过对共箱式环网柜气箱的有限元分析，得出以下结论：

1）有限元分析可以在气箱的设计研发中为我们提供理论上的支持，为气箱的进一步优化提供理论依据，避免盲目修改。

2）气箱研发设计过程中合理布置加强筋位置，对气箱减少形变及均布应力起到重要作用。

3）在气箱设计过程中合理利用有限元分析，会大大提高工作效率，降低设计成本。

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