关于ZF6-252 GIS用新型4000A共箱母线的一些改进

辛　鹏新东北电气集团高压开关有限公司

关于ZF6-252 GIS用新型4000A共箱母线的一些改进

辛鹏
新东北电气集团高压开关有限公司

在ZF6-252 GIS用新型4000A共箱母线新产品试制的过程中，通过对温升试验结果的分析，结合参考文献中介绍的知识及以往的设计经验，对共箱母线导电回路的组成零部件，进行了一些改进。这些改进以降低导体和电接触位置的电阻为侧重点，并且改进的效果得到试验的验证，简要的说明了设计结构与产品回路电阻以及温升之间的一些关系。

共箱母线；温升；电接触；电阻

一、ZF6-252 GIS用新型4000A共箱母线

ZF6-252型六氟化硫封闭式组合电器是按引进日本国日立公司制造技术进行国产化的、具有当代国际先进水平的高压电器设备。主母线采用三相共箱式结构，其余均采用分相式结构。在其基础上，新型252kV GIS用额定电流4000A主母线沿用三相共箱式结构，对导体、触头进行了一些改进，以提高通过持续电流的能力。ZF6-252kV GIS用主母线由罐体、导体、触头、支撑绝缘子四类零部件组成。ZF6-252kV GIS用共箱母线分为若干节，节节之间首尾相连，通过法兰互相对接。内部装配三相导体，三相导体的轴心分别为三角形的三个顶点，属于典型的三角形布置方式。

二、原设计的结构

额定电流是设备能够持续通过的电流。高压电器设备持续通过电流时都会发热。高压电器发热的主要问题在于，零部件温度过高可能使材料的物理、化学性能起变化，机械性能和电气性能下降，最后导致高压电器的工作故障，甚至造成严重事故。GIS母线的额定电流的确定必须要通过型式试验——温升试验来验证。要通过温升试验，首先要控制各个位置温升不超过标准要求。这里仅讨论了主回路的温升控制的问题。

设备中的发热主要来源于其导电回路的电阻损耗。电流流经设备的导电部分时，由于导体电阻，因此发热产生电阻损耗。回路电阻由回路中各导电体固有电阻和各触头和连接处的接触电阻组成。导体的固有电阻与导体的截面积和电阻率有关，增大导体截面积，使用电阻率更低的材料都可以降低导体的固有电阻。接触电阻则与很多因素有关，如电接触形式，触头的材料，接触面的情况（粗糙度、氧化层厚度等），接触压力，接触点的数量等。

为了降低回路电阻，共箱母线试验样机设计的过程中已经采取了一些措施：第一，增大触头直径。第二，增大导体直径和壁厚。第三，铜的过渡导体。

三、新设计中的一些改进

在试验前，对主回路电阻进行例行测量，实测值与预期值十分接近。所以排除了装配原因导致试验不能通过的可能。根据对试验样机各部分回路电阻的测量，触头两侧电阻为6～8微欧，导体，导体电阻为30多微欧。导体与支撑绝缘子之间的固定连接处电阻为1微欧左右，几乎测量不到。所以，降低回路电阻必须从触头、导体入手。具体实施过程如下：

1.计算原触头压紧弹簧的刚度，从而求出每片触指的压紧力。触指的向心力主要来自压紧弹簧长度伸长产生的拉力。

FK0：每根弹簧的向心力（N）；K：弹簧刚度（N/mm）；l0：弹簧自由状态长度（mm）；D2：装入触头后弹簧圈中心线直径（mm）；n：触指片数。

每个接触点的接触压力为：FK=4 FK0/2=2 FK0。

经计算，原设计的每个接触点的接触压力FK约为17N。根据产品设计及试验的经验，通常认为将每个触点的接触压力FK设定在20～30N比较合理。相比之下原设计接触压力偏低。另外滑动频繁的电接触点，不适合采用较大的接触压力。但共箱母线梅花触头属于不经常滑动的电接触。通常只有在现场对接装配和解体检修共箱母线过程中才会出现梅花触头分离的情况，因此不必担心较高的接触压力会对电接触表面产生不良影响，可以取较高的接触压力。在改进设计中通过修改弹簧刚度，将接触压力FK增大到20～21N，以降低接触电阻。

2.测量每根导体的电阻，计算其电导率。为了排除仪器误差对测量结果的影响，对不同导体进行了多次测量，得出长度2米的导体其平均电阻约为15μΩ。根据以下公式计算：

l：导体的长度，单位为m；S：导体的截面积，单位为mm2；ρ：导体的电阻率，单位为Ω·mm2/m；γ：导体的电导率，单位为S·m/ mm2。

得到原设计使用的导体铝合金材料电导率约为27 S·m/ mm2。降低固有电阻，必须要提高材料电导率。查阅我公司企业标准，找到一种电导率可达到32 S·m/mm2的铝合金材料。如果使用这种材料可有效降低导体的固有电阻。并且这个材料的价格与原来的材料相差不大，不会造成成本的大幅上升，可以确保产品的经济效益。因此将导体材料改为该种铝合金。预计2米导体的电阻值可下降2～3μΩ。

3.原设计触指数量已经增加到了极限，由于绝缘性能限制，不能继续增大触头直径，也就无法进一步增加触指。因此在改进设计中在原有触指的电接触面设计一个凹槽，使每个触指都有2个接触位置，在不增加触指数量的条件下增加了接触点的数量。为方便加工，该凹槽形状设计的十分简单，提高了加工工艺性，控制了生产成本。

以上改进既没有过多的提高生产成本，又提高了产品性能。在实施改进后，实测触头接触电阻由6～8μΩ降到3～4μΩ。整体回路电阻也相应下降了8～9μΩ。在2015年下半年进行的第二次持续电流为4000A共箱母线温升试验中，触头位置的温升值较前一次下降了8K左右，其余位置也不同程度出现降低，以上的改进收到了预期的效果，为后续的产品设计和开发打下了一个新的基础。此后在新的一轮新产品开发过程中，在上述结构的基础上，对共箱母线外壳实施了改进，顺利通过了持续电流为4400A温升试验。

结语

从以上的新产品试制的实践过程中可以看出，共箱母线的电阻对其持续通过电流时的温升有明显的影响。这种影响在一定程度上是由设计结构决定的。在工艺条件可行和经济效益合理的前提下，适当的设计结构可以有效的降低产品的温升值。

[1]黎斌.SF6高压电器设计[M]，北京：机械工业出版社，2003

[2]徐国政，张节容，钱家骊，黄瑜珑.高压断路器原理和应用[M]，北京：清华大学出版社，2000