高壓開關(guān)柜溫升問題分析及解決方案探討

杜麗　丁永生　姜富修　胡遠輝

摘 要：高壓開關(guān)柜在運行中經(jīng)常由于溫升過高引發(fā)故障，因此，溫升問題廣受關(guān)注。文章對開關(guān)柜的溫升原理進行了簡單描述，進而從結(jié)構(gòu)設(shè)計和運行維護兩個方面對預(yù)防溫升過高的方案進行了分析。

關(guān)鍵詞：開關(guān)柜；溫升；柜體設(shè)計

開關(guān)柜作為電力系統(tǒng)中需求量日益增大的一類產(chǎn)品，其能否穩(wěn)定運行決定著用戶的用電質(zhì)量與安全。溫升是衡量開關(guān)柜能否穩(wěn)定運行的重要因素。

由于柜體設(shè)計緊湊且內(nèi)部間隔防護等級較高，開關(guān)柜散熱較為困難[1]。在大電流中置柜中，溫升問題更為突出。在實際運行中，發(fā)熱問題解決得不好，會導(dǎo)致高壓開關(guān)柜本體或內(nèi)部設(shè)備提前老化，造成設(shè)備損壞和用戶停電[2]。

1 溫升原理簡述

根據(jù)熱平衡原理，開關(guān)設(shè)備的溫升決定于發(fā)熱和散熱兩方面的情況。

高壓電器的熱源主要來自三方面：一是電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的電阻損耗；二是鐵磁體內(nèi)產(chǎn)生的渦流、磁滯損耗；三是交流電器絕緣體內(nèi)產(chǎn)生的介質(zhì)損耗。降低產(chǎn)品熱量產(chǎn)生主要從減少電阻損耗和渦流、磁滯損耗兩方面考慮。

2 解決方案分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計方面

由式（1）、（2）、（3）、（4）來看，開關(guān)柜的發(fā)熱量與電阻、電流及導(dǎo)磁體的磁通密度成正比。載流回路的電流由負載決定，無可改變。因此，在設(shè)計中常采取的措施有：考慮銅排的折彎及搭接處的接觸電阻，柜中銅排的規(guī)格選取應(yīng)有一定裕量；柜體與手車的裝配尺寸應(yīng)設(shè)計合理，以確保接觸電阻能夠滿足需要；手車的回路電阻必須滿足要求；母線套管的安裝板選用不導(dǎo)磁的不銹鋼板以減小渦流損耗等。

由式（5）、（6）、（7）可得，開關(guān)柜的散熱量與熱源的導(dǎo)熱率、輻射率及散熱面積成正比，與散熱路徑長度成反比。因此，設(shè)計中常采取的措施有：將隔室的金屬隔板噴涂黑漆來提高隔板的輻射率；在柜頂、門板等位置開散熱窗，形成散熱通道，門板上的散熱窗可設(shè)計成迷宮式結(jié)構(gòu)，既可散熱又能夠滿足燃弧試驗要求；合理布置元器件位置，確保散熱通道暢通，以免散熱路徑太長造成散熱困難；在柜內(nèi)加裝風機，以強制對流散熱的方式帶走柜內(nèi)熱量等。

傳統(tǒng)的開關(guān)柜溫升設(shè)計主要依賴經(jīng)驗設(shè)計，以開關(guān)柜能夠通過溫升試驗為準。但工程設(shè)計中，元器件的規(guī)格、種類、位置等常有變化，這時開關(guān)柜能否通過溫升試驗就難以保證，而柜型稍有變化就進行溫升試驗是不經(jīng)濟的。

近年，國內(nèi)同行將有限元軟件應(yīng)用于開關(guān)類產(chǎn)品設(shè)計，嘗試使用仿真軟件強大的計算分析能力來為產(chǎn)品設(shè)計提供依據(jù)。趙力楠、趙力鵬通過建立斷路器鋁支架三維模型，利用有限元仿真計算得到了模型在工頻額定電流6300A下的發(fā)熱數(shù)據(jù)；并在西高院完成了樣機的溫升試驗[3]。朱琦琦、程立建立了結(jié)構(gòu)和運行環(huán)境類似的導(dǎo)體的表面散熱系數(shù)關(guān)系模型，提出了一種載流件長期溫升的電熱耦合仿真方法[4]。

2.2 運行維護方面

在日常檢修中，應(yīng)注意柜內(nèi)灰塵、蜘蛛網(wǎng)的及時清除，以免開關(guān)柜運行條件惡劣而發(fā)熱量增加。鑒于中置柜的動靜觸頭咬合處為異常溫升高發(fā)區(qū)，應(yīng)重點觀察梅花觸頭的彈簧等構(gòu)件的狀況，及時更換新零件以防動靜觸頭的接觸壓力過小造成接觸電阻增大；同時應(yīng)對觸頭涂抹導(dǎo)電膏來降低接觸電阻，從而減小該處發(fā)熱量。

由于導(dǎo)致開關(guān)柜過熱故障的原因較復(fù)雜，且一旦溫升過高將引起嚴重后果，因此，客戶希望可以加裝溫升在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測開關(guān)柜溫升狀況。目前在線監(jiān)測系統(tǒng)多用來監(jiān)測手車動靜觸頭、母排等處的溫升。

目前，實現(xiàn)溫度測量的方法主要有兩種：光纖溫度傳感器法和紅外溫度傳感器法[5]。光纖法測量需引出光纖電纜，存在沿面放電問題，且造價較高；紅外傳感器接收物體的電磁輻射進行溫度測量，缺點是只可測量在傳感器直視范圍內(nèi)的測量點溫度[6]。隨著技術(shù)發(fā)展，溫升在線監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性必定會有所提高，在開關(guān)柜中的應(yīng)用會越來越廣泛。

3 結(jié)束語

高壓開關(guān)柜元件布置緊湊，散熱較為困難。對于開關(guān)柜運行中的溫升問題，應(yīng)從以下四個方面著手解決：（1）在設(shè)計階段給予高度重視，采取各種措施控制整體發(fā)熱量并提高柜體散熱能力。（2）仿真分析軟件在開關(guān)產(chǎn)品領(lǐng)域中的探索應(yīng)用，有望使之成為行之有效的溫升設(shè)計輔助工具。（3）在運行維護階段注意觀察柜內(nèi)元器件狀況，及時改善開關(guān)柜運行條件，減小因零部件老化發(fā)生溫升故障的可能。（4）溫升在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，將有效減小開關(guān)柜發(fā)生溫升故障的概率，使用戶用電更加穩(wěn)定可靠。

參考文獻

[1]孫淵.KYN28-12/T3150-40中置式開關(guān)柜溫升問題的研究[J]真空電器技術(shù)，2001（1）：16-18.

[2]黃恒禧.應(yīng)用高壓開關(guān)柜溫升的簡易算法及降低相應(yīng)發(fā)熱的技術(shù)措施[J].福建建筑，2008（3）：91-93.

[3]趙力楠，趙力鵬.真空發(fā)電機斷路器用鋁支架的設(shè)計和發(fā)熱仿真計算的試驗驗證[J].高壓電器，2012（9）：63-66.

[4]朱琦琦，程立.一種仿真估算載流件長期溫升的方法[J].高壓電器，2014（5）：99-102.

[5]田毅，黃新波.高壓開關(guān)柜溫升在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].高壓電器，2010（3）：64-67+71.

[6]鄧本再，胡濤.基于藍牙的斷路器觸點和母線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].高壓電器，2006（3）：225-227+230.

作者簡介：杜麗（1987-），女，碩士研究生，工程師，主要從事開關(guān)柜結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計工作。