10kV 大电流C- GIS 温升研究分析

任国萍

（天水长城开关厂集团有限公司，甘肃 天水741018）

1 概述

大电流C-GIS 的发热问题是目前设计研发阶段的一个难点。其主回路各元件发热点作为热源其热能是以球面朝各个方向散逸的，因此将发热零件的功率消耗跟其有效的散热表面面积两个因素加做简化处理，再进行热分析，参考计算分析的结论，对产品样机进行结构改进，并逐一做温升测试，以测试数据来验证理论环节的可靠程度，是设计阶段不可或缺的过程。本文就大电流C-GIS 存在的发热问题从技术层面加以分析论述并提出了可能的解决方案。

2 C-GIS 主回路系统

GIS 主回路系统是各高压电器元件的集合，由断路器、隔离开关、接地开关等元件组合，同时也是发热体与散热体的组合，典型方案如图1 所示。

图1 主回路

2.1 主回路系统发热体主要由导电回路组成，包括母线联接器、母线、隔离开关、断路器、出线套管及各功能单元的联结导体等，如图2 所示。

图2 主回路系统发热体

2.2 主回路系统散热体主要由导电回路组成，包括低压力绝缘气体、气室、主回路系统发热体构成的等效散热模块。

3 主回路散热问题

主回路热分析问题主要研究的是开关柜主回路系统内部发热模块散热体模块之间的关系，以及它们两者之间最可能的热传递方式。热分析的主要目的是为了将发热体产生的热量经由系统的散热体模块快速地传导至外的部环境中。由系统的发热体及散热体或它们的表面组成的等效热阻，因出现了热传导以外的传递方式，可能会出现串或并联的方式，这是由于热传递方式出现了热传导以外的传递方式的原因，如低压力绝缘气体中的对流。

3.1 主回路电热现象：

主回路常用的金属导体有铜、铝、锡、银、钢等，如图3 所示。由公式R=ρ×L/S2H 和Q=I2×R×t 可以得出，当接触电阻由于元件表面接触状况不良、表面氧化严重、接触压力不足、元件表面有效接触面积变小而增大；由于流电增大时，导体发热相应增大，电阻由于电流的热效应而跟着增大；电阻增大导致温度增加，如此反复循环，接头由于温度升至熔点而熔化；当主回路出现短路故障时，接头因温度升高发生熔化，可能会引发火灾事故和绝缘破坏事故。

图3 常用的主回路金属导体

3.2 气体中的载流与散热

中压金属封闭开关设备中散热的主要途径是对流、传导、辐射。

4 主回路系统仿真分析及优化

应用分析软件的电热耦合和电磁场分析功能，对主回路系统进行电热和电磁计算，就不同参数的结构对其温度的影响进行计算分析及仿真优化，对C-GIS 主回路系统内部发热问题的分析提供理论依据。

4.1 建模

以隔离开关为例：隔离开关由动、静触头和相应的导电体组成。载荷为加在隔离开关进出线两端的电压和电流。电热分析时，由于散热方式、触头导体形状复杂性，对边界条件的划分温度耦合方式应充分考虑。根据实际情况，对各模块结构进行合理简化，并根据实际情况提出相应假设的基础上进行分析，建立用于主回路热点耦合瞬态温度场计算三维有限元模型，如图4 所示。其中必须考虑材料物理性能参数及主回路表面对流热交换参数随温度的变化。

图4 简化的模型

封闭母线的有限元模型从内到外共分为四层：主导体层、主导体和外壳间的sf6 层，外壳导体层、外壳外空气层。

4.2 仿真分析

仿真分析必须考虑材料物理性能参数及主回路表面对流热交换参数随温度的变化。当主回路模拟封闭区域内自然对流时，计算结果将依赖于计算区域内的流体质量。加载求解的温度分布图如下图所示：

图5 温度分布图

4.3 发热优化

通过多次分析论证，主要通过降低发热量、降低电流密度、增强辐射和传导来进行C-GIS 主回路系统优化。

5 结论

大电流C-GIS 的发热问题一直是行业内研发过程中的难点。由分析计算可以发现，经过降低发热量、增强辐射和传导等方式来对C-GIS 主回路系统的优化改进，开关柜主回路的散热问题得到明显效果，故而罗列出以下优化改进措施，控制多方因素以完善试验样机，提升产品性能：挑选合金导体材料，控制导体电阻率；通过改进搭接方式等降低主回路电阻；优化模块间结构以降低涡流损耗；提高辐射率；改良散热模块，增大散热表面积以及使用散热器；提高主要元件的耐热性能；利用冷却技术，改进散热通道或强制冷却。