C-GIS产品的温升研究

厉复新　李首领　刘卫涛

摘  要：随着社会经济高速的发展，我国电气技术也得到了极大发展。充气柜（简称C-GIS）是目前开关柜发展的趋势，近年来的用量也在逐年增大，但大电流产品的温升问题仍然在困扰着绝大多数生产企业，如何有效解决及控制大电流产品温升成了必须思考的问题。为此，该文分别从降低发热量、增大散热量和提高耐热性能3个方面提出具体的解决方案，以期有效解决温升问题，仅供大家参考。

关键词：充气柜;技术难题;温升;解决方案

中图分类号：TM591                文献标志码：A

0 引言

我国电力事业的飞速发展，对设备的可靠性、经济性、适应性的要求也越来越高。C-GIS产品的出现，在很大程度上推动了电力电气事业发展的进程，提高了供电可靠性，减少了投资，也体现了今后中压用开关的发展趋势。C-GIS（Cubicle type Gas Insulated Switchgear），学名箱式气体绝缘金属封闭开关设备，俗称充气柜，是近十几年来发展起来的一种中压成套系列化产品，它将各高压元器件全部安装于密封气室内，充以低压力的绝缘气体作为绝缘介质，在增加了可靠性的同时，可以大大缩小产品外形尺寸，进而缩小占地面积。充气柜的出现，是开关柜产品的一次革命性的升级。与常规空气绝缘开关柜相比，在经济性、适用性、可靠性、小型化等方面都具有明显的优势，代替常规开关柜是必然的趋势，近年来的用量也在逐年增大，尤其在轨道交通领域用量非常大。

引入了绝缘气体介质，带来了诸多的好处，但与此同时也在产品的设计、生产和工艺方面提出了更高的要求，带来了一系列的技术问题。一直以来困扰充气柜产品的技术难题，一是绝缘，二是温升。经过了十几年的发展，绝缘问题已经得到解决，但是大电流产品的温升问题仍然在困扰着绝大多数生产企业。笔者自2001年开始一直从事充气柜产品的开发研究和工程设计工作，以下是根据多年经验总结出的几点心得，谨供大家参考。

1 问题根源

充气气室是充气柜产品必不可少的核心部件之一，同时也是带来充气柜温升问题的根源所在。气室既是导电部件的安装基础又是绝缘气体的装载容器，其结构布局阻碍了气室内热量的散发，它把主回路密封其中，内外隔绝而不能形成任何的对流，仅能通过辐射散热。

2 解决方案

针对充气柜产品的结构特点，要解决其温升难题，应从降低发热量、增大散热量和提高耐热性能3个方面入手。

2.1 降低发热量

2.1.1 降低导体损耗

电流流过导体时，导体会发热产生电阻损耗，其发热功率P为：P=I2R

显而易见，当电流值I一定时，降低回路的电阻值R是减少发热降低损耗的最直接方法。降低回路电阻可采取的有效措施主要有：1）适当增大导体截面积以降低电流密度，此方法见效最快，但需增加一定成本;2）导体连接处增大接触面积，提高接触压力。3）严格控制导体原材料電阻率。

2.1.2 降低涡流损耗

如果在产品设计时因选材不当产生涡流，也会产生发热。在充气柜产品中，易产生涡流的地方主要在穿芯式的绝缘子（包括气室间连接绝缘子和母线套管等）和连接电缆的内、外锥式插座。采用不锈钢和铝等非铁磁性材料可以很好地解决涡流损耗问题。

2.2 增大散热量

2.2.1 提高辐射率

充气柜散热最主要的途径就是通过气室外表面辐射散热，而在气室内部，主回路导体也是通过辐射向绝缘气体传热继而将热量传导给气室内壁，因此，提高导体的辐射率是增大散热量的有效方法。辐射热功率P为：

P=5.67×10-8εSc[（273℃+T1）4-（273℃+T2）4]

其中，Sc—辐射表面积，m2。

T1—发热体温度，℃。

T2—受热体温度，℃。

ε—辐射率。

以SF6充气柜为例，在SF6气体中，表面裸露的导体辐射率一般在0.1（有光泽）～0.6（无光泽），数值非常低。我们在导体表面采用黑色无光电泳处理，可以将辐射率提高到0.9左右;同时将气室的外表面也喷上黑色油漆。温升试验表明，经过此表面处理之后，主回路温升值明显下降。

2.2.2 增大有效散热面积

首先，在进行气室设计时，应遵循以下原则：1）在满足一次主接线方案、主母线形式及元器件的连接方式等前提下，可以适当加大气室的表面积。2）如果产品是双气室或三气室结构，不同气室间连接时要预留空气层，如图1所示;3）气室的宽度要比柜宽至少小10 mm以上，这样在实际并柜使用中，相邻两柜的气室之间会预留出空气间隙，对散热和安装都有好处;如果气室下方的底架宽出部分尺寸允许，还可以在上面开孔，就可以使两柜间的空气间隙上下贯通，如图2所示。

第二，在气室外表面（包括密封板）安装散热片，对增加散热、降低温升有很好的效果，如果散热片涂成黑色则效果更佳。此处应特别注意的是，散热片和气室表面贴合要紧，中间应均匀涂抹导热系数不低于3的导热硅脂。

2.2.3 采取冷却技术

在柜内气室外的适当位置加装风机，加快气室表面及周围空气的流动，从而有效加速热量的散发。这种增加散热的方式虽然收效立竿见影，在国内外的产品中也有使用记录，但不推荐优先使用。

2.3 提高耐热性能

温升允许值很大程度上取决于所选用的绝缘件的绝缘等级，不同等级的绝缘件的耐热性能也会不同，温升允许值就会有较大差别。提高绝缘件的绝缘等级可以解决一定的温升问题，但是也同时会增加产品的制造成本，所以绝缘件并非绝缘等级越高越好，还应结合经济性考虑。

由于计算机技术、传感技术的飞速发展，各项焊接技术的不断更新，所以，C-GIS将向着高可靠性、免维护、低成本、智能化的方向发展。另外，产品组件的模块化、小型化设计，装配元件的无损探伤技术等，也都是C-GIS今后发展的方向。

3 结语

温度过高就会破坏气室内各元件的功能，因此妥善解决气室内主回路导体的温升问题，是决定充气柜产品性能的关键因素之一。该文中以上所总结的各种解决方案均在实际工作中成功应用。笔者所在的河南森源电气股份有限公司自2009年开始研发和生产充气柜产品，目前产品已经实现了多品种、系列化，产品电压等级涵盖了12 kV～40.5 kV，所有产品的温升指标均按照额定电流的1.1倍，通过权威检测机构的型式试验。

参考文献

[1]独田娃，朱忠建.中压C-GIS箱型气室设计与散热研究[J].电工技术，2013（10）：26-27.

[2]江春梅，张爱金，徐春林，等.充气柜的温升控制分析[J].电气制造，2013（4）：23-25.