高壓開關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：高壓開關柜在運行中經常由于溫升過高引發故障，因此，溫升問題廣受關注。文章對開關柜的溫升原理進行了簡單描述，進而從結構設計和運行維護兩個方面對預防溫升過高的方案進行了分析。

關鍵詞：開關柜；溫升；柜體設計

開關柜作為電力系統中需求量日益增大的一類產品，其能否穩定運行決定著用戶的用電質量與安全。溫升是衡量開關柜能否穩定運行的重要因素。

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

1 溫升原理簡述

根據熱平衡原理，開關設備的溫升決定于發熱和散熱兩方面的情況。

高壓電器的熱源主要來自三方面：一是電流通過導體產生的電阻損耗；二是鐵磁體內產生的渦流、磁滯損耗；三是交流電器絕緣體內產生的介質損耗。降低產品熱量產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 結構設計方面

由式（1）、（2）、（3）、（4）來看，開關柜的發熱量與電阻、電流及導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，柜中銅排的規格選取應有一定裕量；柜體與手車的裝配尺寸應設計合理，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磁的不銹鋼板以減小渦流損耗等。

由式（5）、（6）、（7）可得，開關柜的散熱量與熱源的導熱率、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計成迷宮式結構，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；在柜內加裝風機，以強制對流散熱的方式帶走柜內熱量等。

傳統的開關柜溫升設計主要依賴經驗設計，以開關柜能夠通過溫升試驗為準。但工程設計中，元器件的規格、種類、位置等常有變化，這時開關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濟的。

近年，國內同行將有限元軟件應用于開關類產品設計，嘗試使用仿真軟件強大的計算分析能力來為產品設計提供依據。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下的發熱數據；并在西高院完成了樣機的溫升試驗[3]。朱琦琦、程立建立了結構和運行環境類似的導體的表面散熱系數關系模型，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，應注意柜內灰塵、蜘蛛網的及時清除，以免開關柜運行條件惡劣而發熱量增加。鑒于中置柜的動靜觸頭咬合處為異常溫升高發區，應重點觀察梅花觸頭的彈簧等構件的狀況，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；同時應對觸頭涂抹導電膏來降低接觸電阻，從而減小該處發熱量。

由于導致開關柜過熱故障的原因較復雜，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測系統，實時監測開關柜溫升狀況。目前在線監測系統多用來監測手車動靜觸頭、母排等處的溫升。

目前，實現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的測量點溫度[6]。隨著技術發展，溫升在線監測系統的可靠性必定會有所提高，在開關柜中的應用會越來越廣泛。

3 結束語

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

參考文獻

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

[2]黃恒禧.應用高壓開關柜溫升的簡易算法及降低相應發熱的技術措施[J].福建建筑，2008（3）：91-93.

[3]趙力楠，趙力鵬.真空發電機斷路器用鋁支架的設計和發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.高壓開關柜溫升在線監測系統[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測系統[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，主要從事開關柜結構研究與設計工作。