摘要：本文介绍40.5kV C-GIS的绝缘结构、断路器机构传动和气室强度等内容进行的研究，对重要参数进行了理论计算、分析及验证，并提出了结构优化改进措施，反映了高压开关设备研发手段的技术发展趋势。

关键词：SF6气体绝缘、C-GIS、CAE、优化

1、    前言：
随着国家经济的发展，城市化进程不断深入，城市容量也急剧扩充。参考国外交通发展状况，结合我国的具体情况，发展城市轨道交通已经势在必行。发展城市轨道交通对城市电力系统的供给能力提出了更高的要求。作为电力系统中的重要一环，对高压开关设备高可靠性、少维护、小型化方面的要求不断提高。作为国际上新发展起来的高新技术的成套配电装置，中压C-GIS产品已然成为国内电力市场的一个新的选择方向。与其他相同电压等级的开关设备相比较，其科技含量很高，具有体积小，可靠性高，使用范围广等优越性。自2001年始，我厂确定了XGN69-40.5kV C-GIS产品的研发任务， 通过选型论证、关键技术基础研究、产品结构设计和试制、研究性试验等阶段的工作，产品已于2003年6月份在西高所通过了全部的型式试验，产品额定电压40.5kV，额定电流2000A、额定开断电流31.5kA，采用真空开断，利用SF6气体作为绝缘介质，一次带电部分全部封闭于金属气室中，能够适应各种应恶劣的运行环境。该产品在设计过程中大量采用了CAE手段进行设计优化，对关键结构和数据进行计算分析，与试验结果相比照，使该产品的各方面特性参数都具有较大的裕度，产品可靠性大为提高。本文针对产品设计过程中部分CAE关键技术的研究结论进行叙述，讨论了高压开关设备研发手段的技术发展趋势。
2、    C-GIS电场分析和优化设计
绝缘是电器设备结构中的重要组成部分，通过电场分析并采用CAE手段优化设计可以既经济合理又安全可靠的解决C-GIS中的绝缘问题。
2.1 SF6气体间隙绝缘的工程计算
开关柜应用的主要是稍不均匀电场结构，当SF6间隙中的最大场强达到某一数值Eb时，间隙击穿。
击穿电压  Ub =η´ Eb´d                                    
   η为绝缘利用系数，为间隙中平均场强Eav与最大场强Emax之比，d为SF6间隙距离，Eb在作粗略估算时可用下表的工程击穿场强Ebt值

            
将40.5kV产品的额定绝缘水平值作为击穿电压，设充气压力p=0.15MPa（abs） ，结合柜内电极结构的变化，η取值定为为0.25~0.5，则按50Hz工频耐压计算出的间隙距离为4.35—2.17cm；按雷电冲击电压计算出的间隙距离为7.28—3.64cm。 
2.2  SF6沿面绝缘的工程计算
当SF6沿面绝缘结构中的最大场强达到某一数值Ef时，发生闪络。闪络电压为：    Uf =η´ Ef ´d      
η为绝缘利用系数， d为SF6间隙距离
Ef在作粗略估算时可用下表的工程击穿场强Eft值

         
同上条件，可得50Hz工频耐压下的爬电距离为6.51—3.25cm；雷电冲击电压下的爬电距离为8.85—4.42cm。
2.3 CAE技术电场分析及优化
    上述计算仅提供了C-GIS绝缘结构设计的初值。更细致的设计应该基于对电场强度的计算和优化。
以下是对C-GIS母联器进行电场分析的实例。
图1所示为母联器及安装示意结构。套管采用环氧树脂材料，一侧处于SF6气体中；另一侧处于空气中，图中显示为未并柜，主母线未与旁柜连同的工况。因套管附近电场区域基本围绕棒状母线进行轴对称型分布，故可简化为在穿过中心轴线的平面中取对称轴上半部分电场区域进行计算。

3)    螺钉坎件,电位等于地。
4)    金属安装法兰（用于使套管与柜体相连），电位等于地。
产品充气压力为0.04MPa（环境温度20℃时）。施压按雷电冲击耐压峰值185kV计算， SF6气体相对介电常数为1.002，环氧树脂材料的介电常数为3.5。
图2为所获得的优化结构下的电场分布图。
在电场计算中，可以直观得到电场强度的局部极值点，通过改变局部形状、布置等结构要素，去降低最大场强值，并使固体绝缘件表面的路径与电力线尽量平行等，使实际电场场强比该气压下SF6气体的击穿场强留有一定裕度，即可确定其绝缘具体结构。
3、    操作机构的机械特性分析和优化设计
该产品断路器配用弹簧操作机构，对机构的分析主要是实现断路器合、分闸运动的机械动力学方面的计算。
3.1 机械特性分析
目的为获得断路器触头合、分运动的优化机械行程特曲线、机构完成既定运动后的剩余能量，以及机构杆件间传递的机械利益和效率。
3.1.1 机构CAE数学模型的建立
在灭弧室结构一定的情况下，分闸速度（行程特性曲线）是断路器的开断性能的决定性因素，所以对断路器机构设计应从分闸特性入手，当分闸特性满足后，再对合闸运动特性进行分析，并从动力配合角度对分合闸特性进行优化。
3.1.2 断路器分闸特性的分析
第一步：负载特性曲线的确定，初步由真空灭弧室的要求来确定；
第二步：传动机构的确定，设计准则为：使断路器触头开距得以满足，且
        解决触头变直问题及提高传动效率问题等；
第三步：运动分析，通过操作机构输出大轴和动触头运动的匹配，得到分闸速度和输出大轴与油缓冲碰撞速度；
第四步：动力分析，通过优化确定分闸簧和触头簧所要提供的能量，利用输出大轴与油缓冲碰撞速度曲线作为设计油缓冲油隙的依据。
其分析结果（未计油缓冲器阻尼）见图3，从图中可查到分闸速度为1.75m/s，（开距为15mm）,后实测分闸速度为1.7m/s，满足设计要求。
3.1.3断路器合闸特性的分析
第一步：负载特性曲线的确定，初步由分闸簧和触头簧及合闸电动力对操作机构的要求来确定；
第二步：传动机构的确定，设计准则为： 保证触头在以接触后就能可靠地接触；
第三步：运动分析，使断路器触头合闸速度得以满足，一方面从降低机械应力和冲击的角度出发，另一方面要较高的合闸速度来减小预击穿时间，减小触头磨损量；
第四步：动力分析，通过优化合闸能量，对临界反弹合闸速度进行分析，解决弹跳问题等。
 

      
 其优化分析结果见图4，从图中可查到合闸前10 ms时，合闸速度为0.8m/s,，满足设计要求。
3.2 机构可靠性分析
主要内容：
（1）    分析机构构件的运动和影响受力，降低强烈的冲击变形，解决机械强度和刚度的问题，
（2）    合成凸轮轮廓并研究相应的运动，
优化计算的结论如下：
（1）    合闸能量降低了60%；
（2）    传动效率提高了30%；
（3）    凸轮的受力从200000N降至62000N以下（ 见图5）,从根本上解决凸轮滚子和凸轮的寿命问题。

4、    气室结构刚度优化分析
气室作为C-GIS组件的安装基础，以及考虑密封受压的设计压力条件，及内部燃弧故障工况的承压等，需要对气室刚度进行设计计算。气室由薄板构成的，通常采用加强板厚和加强筋的方法来提高强度，通过分析计算才能确定气室的板件厚度、加强筋的截面和布置位置、方式等。
图6为气室一端侧面在设计压力条件下的形变计算结果。气室最大变形在0.35mm以下。

5、    结论
我厂XGN69-40.5（Z）/T2000-31.5C-GIS,  全部零部件采用三维计算机辅助设计（CAD），关键结构均通过CAE工具分析计算，在电场、机构传动以及结构强度等方面进行了优化设计,使产品具有高可靠性。产品除全面完成型式试验外,还累计完成了10余万次的机械可靠性增长试验。另外,该产品设计上还实现了智能化功能。可以肯定，该产品将会成为今后一个阶段内国内自主知识产权C-GIS中的领军产品，在发展城市电力系统的供给能力,建设城市轨道交通电力系统的过程中将表现出其小型化，智能化，高可靠性，免维护的优良特性。

参考文献：
1．    朱德恒，严璋 主编 高电压绝缘
2．    尚振球 郭文元 编 高压电器 西安交通大学出版社，1992
3．    徐国政 张节容 钱家骊 黄渝珑 编著 高压断路器原理和应用 清华大学出版社，2000