矿用高压真空配电装置用C―GIS的研究

【摘要】C-GIS在地面开关柜中已经得到了很大的应用，针对目前矿用高压真空配电装置普遍存在的诸多问题，研制开发了矿用高压真空配电装置用C-GIS，详细介绍C-GIS的特点、基本工作结构和工作原理及应用于高压配电装置时的对外连接。数据表明应用了C-GIS的矿用高压配电装置性能优良、安全性高。

【关键词】C-GIS;矿用装置;高爆;配电装置;煤矿;免维护

引言

目前煤矿井下普遍使用的PBG、BGP系列高压真空配电装置（也可简称高爆），是1993年矿用隔爆型高压真空配电装置联合设计组根据《BGP90-6通用技术条件》、《BGP90-6技术任务书》的要求设计完成，后各生产厂家根据各自情况对其进行小范围的优化，多年来一直在煤矿作为主要的高压配电装置。受当时技术的局限性和客观条件的限制，其各技术性能指标制订的较低，近年来，随着国民经济的快速发展，煤炭行业取得了长足的进步，煤炭产能不断增加，机械化、自动化、智能化水平不断提高，这就对配电装置的各项技术指标及性能提出了更高的要求，现有的配电装置已经无法满足煤矿高产、高效、安全发展的需求。

主要存在以下问题：（1）在高压真空配电装置的手车式结构中，随着动、静触头开合次数的增加，触头表面会因开合时产生的热量而逐步氧化，进而使动、静触头的接触电阻增大，而逐步增大的接触电阻最终导致触头异常发热并形成恶性循环：温升、膨胀、收缩、氧化，电阻增大、再度温升，甚至出现起弧烧损触头现象。（2）由于技术、环境因素的影响，陶瓷真空灭弧装置在运行一段时间后，真空度降低现象。真空度降低将严重影响真空断路器开断过电流的能力，并导致断路器的使用寿命急剧下降，严重时会引起开关爆炸。（3）目前使用的高压真空断路器实际断路器的分断时间一般都80ms～150ms。若供电线路中发生短路故障，往往引起越级跳闸，进而引发井下大面积停电。（4）目前高压真空配电装置一次则高压线路和二次则低压线路均在一个箱体内，走线没有严格区分，不但会产生电磁干扰，而且高电压可能串入低压回路，造成设备损坏。（5）目前高压真空配电装置所有带电体均在隔爆腔内，长期运行后，易产生凝露和污闪，甚至对操作人员的生命安全造成一定威胁。

针对以上问题，以煤矿井下使用量巨大的PBG和BPG系列高压真空配电装置为突破口，通过对CGIS的研究，开发出一种额定电流大、分断速度快、开断能力强、寿命长、维护量小的新型高压真空配电装置。

1.C-GIS简介

柜式气体绝缘金属封闭开关设备C-GIS（Cubicle Gas Insulated Switchgear），简称C-GIS（图1），是一种用于10～35kV 或更高电压输配电系统以接受或分配电能并能对电力系统正常运行和故障情况下实行控制、保护、测量、监视、通讯等功能的新型开关设备，在地面电力系统中已经得到广泛应用。通过把气体绝缘技术、密封技术与金属封闭开关设备制造技术有机地相结合，将各高压元件设置在箱形密封容器内，并充入较低压力的绝缘气体，利用现代加工手段而制成，具有体积小，可靠性高，能适应恶劣环境条件下使用等优点。

CGIS应用与矿用高压真空配电装置，将会很好的解决目前高爆存在的诸多问题，会使井下供电更安全可靠，真正实现井下供电的无人值守。该装置完成后将具有以下特点：

1）实现隔爆腔体内一次高压带电体的全密封设计;所有配电装置无需人工电缆连接，使供电更安全。

2）采用新型充气式气腔，将真空断路器、互感器、变压器等一次带电体全部安装在充满氮气的气腔中，是产品体积进一步减小。由于使用氮气作为绝缘气体，可实现产品30年免维护，同时符合环保要求;

3）隔爆腔内充气腔所有元器件为一个整体机构，无需传统的高压绝缘子、穿墙套管，使隔爆腔内内部结构更简洁;

4）单台装置的额定电流可达1000A以上，可满足现场设备容量不断增加的要求;

5）新型综合保护装置，提高了装置保护的灵敏度和可靠性，满足了数字化、智能化矿井的要求。

图1 CGIS高压真空配电装置侧视结构图

1.电压互感器;2.三工位隔离开关操作机构;3.固封极柱真空断路器操作机构;4.内锥式插座;5.母排;6.三工位隔离开关;7.电流互感器;8.固封极柱式真空断路器。

图2 气体绝缘金属封闭气箱结构侧视示意图

2.矿用高压真空配电装置用 C-GIS的研究

1.气体绝缘金属封闭气箱的设计与研究

（1）密封气箱的结构

密封气箱从外观上可分为三大类：一是钢板封闭方箱型;二是铝筒或钢筒封闭圆筒型;三是部分圆筒、部分方箱型。根据新型配电装置的空间布置特点和要求，项目中所研制的气箱采用方型结构。其结构描述如下：固封极柱式真空断路器、电流互感器和三工位隔离开关及与之相连的导线密封于气箱中，如图2所示，断路器和三工位隔离开关的操作机构放在气箱外，以方便操作和维护，它们通过密封法兰和密封圈安装于气箱壁上，由密封圈来保证气箱的气密性。

在在气箱的后壁上安装有12只内锥式插座，3只为一组，上面6只为输入电源，下面6只为电源输出，如图3所示;6只为输入电源中3只用于高压绝缘电缆的输入，3只用于设备联台时的电源并接;6只电源输出中3只用于过压吸收装置（压敏电阻）的插接， 3只用于高压绝缘电缆的输出，每组插座具体的插接位置要根据现场的实际情况确定;气箱的前壁上也安装有3只内锥式插座，用于电压互感器的插接。另外所有内锥式插座均通过密封法兰和密封圈安装于气箱壁上，由密封圈来保证气箱的气密性。

图3 内锥式插座在气箱后壁的位置示意图

由于新型CGIS高压真空配电装置的一次高压带电体均密封在气箱内，在打开门盖后，操作人员根本无法触摸到一次高压带电体，不但消除了高压带电体对操作人员的人身威胁，而且避免了井下湿度、煤尘等因素对配电装置的影响，同时由于配电装置的一次回路、二次回路完全分开，独立布置，不但提高了配电装置的安全性能，而且还将电磁干扰特别是启动、停止时的干扰降到最低，提高了二次回路及保护系统的可靠性。

（2）气箱体的材质及加工工艺

气箱壳体的材质拟采用2.5～3mm的不锈钢，通过整板折弯使得焊缝长度最短，同时采用焊接精度高、热影响区小、穿透性高的激光焊接技术，以最大限度的保证密封气箱的加工精度、焊缝质量以及极低的漏气率，同时为保证气箱的强度，还要考虑在箱体上增加加强筋或加强板。

（3）气箱的充气压力

如果充气压力过高，势必增加气箱的漏气率，进而缩短其寿命，增加维护量，在满足使用要求的前提下，金属封闭气箱的充气压力拟设计为0.12MPa，因为气体压力较低，密封问题已经不突出，根据同类产品的实际检测，在现有气箱加工工艺的情况下，正常运行的气箱年漏气率小于0.1%，可满足30年无需加注绝缘气体。

（4）散热问题

解决密封气箱的散热问题通常采用降低导体损耗、降低涡流损耗、提高辐射率、增大散热面积及其他冷却技术。由于气箱中的主要热源是断路器及母线连接头，对断路器课题组选用的固封极柱断路器采用超低电阻灭弧室，因此，主要是通过减小回路电阻，降低电能损耗，来保证断路器的温升在一个合理的范围内，而母线连接头，由于其本身就在绝缘气体中，产品设计容量为1250A，即增加了散热面积，进而保证气箱内的温度;另外，由于气箱的材质选用的是不锈钢，更利于传导散热，综合以上考虑，项目中气箱拟采用自然散热的方式。

（5）气箱气体监测和安全保障措施

为保证设备的可靠性，项目组拟在气箱中安装气体密度继电器（气箱内的绝缘强度取决于绝缘气体密度值的大小，即单位体积内绝缘气体的分子数，它与温度无关。而密度值的大小是通过20℃时充气压力来体现的），通过气体密度继电器，实现气箱的漏气报警功能;同时在气箱外还安装有压力表，可直观的看到气箱的压力状况。出于安全性考虑，在气箱上还要安装有压力释放装置。金属封闭气箱的充气压力设计为0.12MPa，低气压报警压力为0.11MPa，高气压动作压力为0.15MPa，全绝缘最低运行压力为0.10MPa。

3.内锥式插接结构的设计与研究

3.1 内锥式插座

内锥式电缆插座是一个气密套管元件，主要由铜质导电触头座和包裹在其外部的内锥绝缘套管构成，如图4所示，导电触头座用于连接密封箱体内外的电气连接;内锥绝缘套管用于将导电部件与金属外壳绝缘;固定螺孔用于内锥式插座与插头对接时的固定。

1.铜质导电触头座;2.内锥绝缘套管;3.固定螺栓孔。

图4 内锥式电缆插座实物图

通过密封法兰和密封圈安装于气箱壁上，由密封圈来保证气箱的气密性，如图5所示，通过与内锥式插头相配合，实现箱内电气元件与箱外的电气连接。

图5 内锥式电缆插座在气箱上的安装示意图

3.2 内锥式插头

3.2.1 内锥式电缆插头

内锥式电缆插头用于电器设备的进出线连接。主要由接触环、压紧锥、承力环、绝缘硅橡胶（内锥插拔式终端）、铝外壳组成。如图6所示，接触环采用弹簧压片技术，在插头插入插座时，通过弹簧的形变力的作用，使插头与插座保持充分的接触，进而减小连接处的接触电阻;压紧锥用于电缆铜芯线的固定，将电缆绝缘层剥去一段后铜芯线插入压紧锥内;同时铝外壳在压紧螺栓的作用下，推动塑料压紧件，由塑料压紧件挤压可变形的绝缘硅胶使其填满内锥式插座，从而达到使导电体与空气绝缘的目的;铝外壳还起到支撑电缆插头确保其不变形和发生位移;高压电缆另一侧则与电缆连接器相连。

1.高压电缆;2.铝外壳;3.压紧螺栓;4.塑料压紧件;5.绝缘硅橡胶;6.压紧锥;7.接触环。

图6 内锥式电缆插头实物图

在项目研制的新型高压配电装置中，当需要打开箱体的门盖时，由外壳闭锁机构与真空断路器和三工位开关相配合实现主回路的断开与接地，内锥式插头和插座无需任何动作，因此，彻底消除了原有真空断路器动、静触头因开、合时热烧坏的弊端;同时由于一次回路的输入和输出均采用内锥式电缆插接，与现有真空配电装置相比，不再需要输入、输出接线腔，缩小了配电装置的体积，减少了维护量。

3.2.2 内锥式电压互感器和内锥式避雷器

由于新型配电装置的一次高压带电体全部密封在金属气箱中，因此，相关的一些电气元件必须采用可插拔的，才能满足项目需求，因此，除母线电缆采用内锥式插接以外，项目中还采用了内锥式电压互感器、内锥式过压吸收装置，其接头的结构原理与内锥式电缆插头相同，不再赘述，如图7、图8所示。

图7 内锥式电压互感器

图8 内锥式避雷器

在内锥式插座未被使用时需要用插拔式绝缘堵头将内锥式电缆插座封堵，使高压带电体不，保证供电安全和人身安全。如图9所示。

图9 插拔式绝缘堵头

4.C-GIS高压配电装置的性能参数

本项目完全符合国家对煤矿井下电力系统技术发展要求，能够满足煤矿井下高压配电系统对配电装置智能化、小型化、免维护、高可靠性和安全性的要求，并且会使安全性进一步提高。

项目 单位 数据

额定电压 KV 12

额定绝缘水平 1min工频耐压 KV 42

雷电冲击耐压 75

额定频率 Hz 50

额定电流 A 1000

额定短路开关电流 KA 25

额定短时耐受电流/时间 25

额定峰值耐受电流 63

额定短路关合电流（峰值） 63

触头开距 mm 9±1

相间中心距 150±1.5

合闸不同期 ms ≤2

分闸不同期 ≤2

触头合闸弹跳时间 ≤2

合闸时间 ≤70

分闸时间 ≤40

动静触头允许磨损厚度 mm 3

更加适应提高煤矿井下电气设备自动化水平的要求。促使我国煤矿井下的高压真空配电装置技术水平产生质的飞跃，推动煤矿的电力系统现代化水平向前迈进一大步。