KYN28型配電柜的結構改造及溫升控制試驗研究

陳 成

（無錫科技職業(yè)學院，江蘇 無錫214028）

0 引言

KYN28型中置式鎧裝配電柜是配電柜市場上一種典型的高壓開關設備，它可以配置ABB公司生產(chǎn)的VD4、國內(nèi)各廠家生產(chǎn)的VS1（ZN73）、GE公司生產(chǎn)的VB2等多種型號的真空斷路器以及C3系列的固定負荷開關。KYN28型配電柜是我國高壓配電柜行業(yè)的主導設備，它具有體積小巧、外形美觀、結構剛性好，檢修方便，互換性好等特點。

近年來，隨著中壓輸配電開關設備的大容量、大電流趨勢發(fā)展，用電負載不斷增大，由于工作產(chǎn)生過熱而引發(fā)設備故障的現(xiàn)象，已經(jīng)成為我國高壓配電柜行業(yè)面臨的主要技術問題。

配電柜中的熱源主要由各種電阻產(chǎn)生，柜內(nèi)發(fā)熱功率高于散熱功率，想要降低配電柜的發(fā)熱功率，主要還是從怎樣減小各種電阻和減小鄰近效應、集膚效應對電阻的影響，但僅僅依靠降低配電柜發(fā)熱來控制配電柜的溫升是遠遠不夠的，從目前的技術水平看，減小接觸電阻的手段非常有限，并且成本高，因此還必須考慮改善配電柜的散熱條件，散熱最有效的手段就是強制風冷。筆者結合企業(yè)實際工作經(jīng)歷，從改善配電柜散熱條件方面來討論如何進行配電柜的溫升控制。

對比改造前的配電柜結構，從增加柜體散熱面積和增加通風口面積、增加強制風冷方式和柜內(nèi)風道冷卻方式、改進靜觸頭設計及靠近熱源處材料涂覆黑色電泳漆等幾方面進行KYN28型配電柜的結構改造設計。

1 增加柜體散熱面積和通風口面積

工程上熱對流散熱功率Py，一般計算公式：

其中：Py表示對流散熱功率；SC表示柜體散熱面積；ΔTS表示外界空氣與散熱面的溫度差。

工程上熱輻射散熱功率Pr，一般計算公式：

其中：Pr表示柜體散熱功率；ε表示柜體表面輻射系數(shù)；Tm表示允許溫升；ΔTs同上；Sr表示柜體輻射表面積。

根據(jù)以上兩個式子可知，增加柜體散熱面積是減少配電柜散熱的關鍵，一般來說配電柜的柜頂、前面和后面是主要散熱面，由于配電柜結構特征，很難改動和提高這三個主要散熱面面積，可以考慮把不能散熱的兩側改進成可以散熱，以此來提高散熱面積。

企業(yè)放置大電流配電柜時，可以在并排安裝的配電柜左右兩側與其它配電柜間距約0.2 m距離，基于美觀和安全，可以在空隙處前面和后面安裝封板，柜頂不封，保證空氣流通，以此增加柜體兩側散熱面積[1]。

1.1 柜體自然通風下散熱計算

配電柜通風口處自然對流的散熱功率，一般計算公式為：Pv=CPρ（gH/Tm）× 103。

其中：CP表示空氣主壓比熱；ρ表示空氣密度；g表示重力加速度；H表示吸排氣口高度差；Tm表示許用溫升；ΔTa表示柜體內(nèi)部空氣溫升值；Ae表示吸排氣等效面積；A1、A2表示吸氣口、排氣口面積；K1、K2表示吸氣口、排氣口局部阻力系數(shù)。

1.2 柜體發(fā)熱功率計算

配電柜中由于采用各種措施控制感應發(fā)熱，所以PC磁感應的熱功率可以忽略。電流互感器采用穿心式電流互感器，其發(fā)熱同樣可以忽略，因此配電柜內(nèi)實際發(fā)熱功率為

其中：PT表示導體電阻；PT表示接觸電阻；PD表示斷路器內(nèi)部電阻。

根據(jù)電阻與發(fā)熱功率的關系，又可以表示為PZ=I2（RT+RJ+RD）。

由此可知，改善柜體散熱情況可通過增大通風口面積來實現(xiàn)。可以改進柜體原先的吸、排氣口（孔口面積0.05 m2）中吸氣口孔口面積增至0.08 m2，排氣口孔口面積不能再變，以此增大通風口面積，提升散熱效果。

2 強制風冷方式與柜體風道設計

同等情況下，強制對流降溫效果是自然散熱的3～8倍，因此可以采用強制風冷來有效降低溫升[2]。

強制風冷送風量的一般計算公式：

其中：V表示強制送風量；Pq表示散熱功率；CP、ρ、ΔTa同上；ξ表示通風口阻力系數(shù)。

柜體后上蓋板安裝330（m3/h）送風量150FZY2-D型號軸流風機2只；母線室選用安裝于蓋板左右側面的150FZY2-D型號軸流風機2只；氣道上方選用安裝于蓋板前面的150FZY2-D型號軸流風機2只；前柜選用安裝于斷路器室底部，2 250（m3/h）送風量GFD850-155型號橫流風機1只，并且使得出風口直接對準斷路器框架。

風道冷卻可以科學控制氣流，改善散熱效果，規(guī)定氣流流通路徑，并合理分配氣流至各單元與組件，同時可以減低冷空氣輸送阻力，避免被大型元件阻塞而造成風量損耗，基于此種原因，設計了風道冷卻方式。

首先在橫流風機上部開設小室，設計隔板尺寸減小至小室口，迫使送風量都在風道內(nèi)流動，氣道頂端設置三個軸流風機，柜體前下門設置密小網(wǎng)孔，構成針對真空斷路器和觸頭盒進行散熱的氣流路徑。

由于母排全部集中于后柜，后柜發(fā)熱量較大。同樣在柜體后柜下端和母線室后隔板上設置密小網(wǎng)孔，安裝軸流風機于母線室上端和后上覆板處，促使氣流b和氣流c相互對流。通過對主母排的快速風冷，使觸頭盒內(nèi)熱量通過母排更快散熱，這在金屬傳導中也是散熱效率最高的。

3 靜觸頭的改進設計

觸頭盒內(nèi)由于發(fā)熱量高，空間狹小，散熱困難，最容易達到和超過溫升規(guī)定范圍，因此必須優(yōu)化靜觸頭結構。改進前母線和柜體底部可視接觸部分為銅管截面，面積很小，改進后采用整體式結構，由銅棒加工而成，這樣可增大母線和柜體底部接觸面積，減小阻值。柜體底部采用槽型結構，以此增大靜觸頭散熱面積，提升散熱效率。由于內(nèi)部聚集的熱空氣溫度很高，為方便此部分熱空氣對流散熱，在靜觸頭上、下部分別設計改造加工3×φ7 mm小孔。試驗證明，通過在上、下部各開三個小孔，既提高了靜觸頭散熱效率，又不影響靜觸頭強度。為節(jié)約成本，可先用銅坯鍛造粗毛坯，后精加工成靜觸頭的工藝方法，如圖1所示。

圖1 靜觸頭改進后示意圖

4 靠近熱源處材料涂覆黑色電泳漆

在靠近熱源處材料涂覆黑色電泳漆，可以合理提升熱量輻射系數(shù)，改善柜內(nèi)散熱效果。在柜體內(nèi)靠近熱源處隔板與側板處涂覆黑色電泳漆，在靠近熱源處的安裝觸頭盒中間隔板、互感器安裝板、母線室與電纜室隔板等位置處同樣涂覆黑色電泳漆，并通過傳導到柜體進行散熱，起到較好的降溫效果。涂覆黑色電泳漆情況如圖2企業(yè)現(xiàn)場實際拍攝所示。

圖2 材料發(fā)黑處理的位置

5 改進前后溫升試驗數(shù)據(jù)對比

在工程設計中，對改進措施是否有效的最好檢驗手段就是做溫升試驗[3]。

5.1 溫升試驗方案

溫升試驗采用SLQ-82大電流發(fā)生器，溫升試驗環(huán)境應盡可能模擬現(xiàn)場環(huán)境，并且要在最惡劣的環(huán)境中進行：

1）環(huán)境溫度14℃；

2）周圍風速不大于0.5 m/s；

3）試驗電流4 000 A；

4）銅排規(guī)格三根10×120 mm2；

5）如果實測溫升在1 h內(nèi)的溫升增加不超過1 K就認為溫升達到穩(wěn)定狀態(tài)。

6）配電柜兩側邊屛應安裝在柜上，防止來自外部的過度加熱和冷卻。

在溫升試驗方案中，需要對配電柜中以下部位進行溫升檢測：主母排本體、主母排的聯(lián)接處、斷路器靜觸頭、斷路器梅花觸頭、斷路器觸臂、斷路器內(nèi)部聯(lián)接處。根據(jù)規(guī)定，以上位置是配電柜在運行時最容易發(fā)生局部過熱的部位，尤其是動靜觸頭聯(lián)結處和斷路器內(nèi)部聯(lián)結處。由于這兩處位置接觸電阻較大，并且空間狹小和對流條件差，運行中最容易發(fā)生過熱故障[4]。因此在試驗中必須把這些易發(fā)熱的部位挑選出來，并對其進行檢測，了解在運行過程中溫升的實際數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行分析、比較，從而找出柜內(nèi)真正的發(fā)熱點，有助于對過熱故障的解決。

5.2 改進前后溫升試驗具體情況比較

配電柜改進前的結構，在后覆板上加了三個型號為150FZY2-D軸流風機，前下門和后下門上都開了通風孔，通風口處焊濾網(wǎng)，柜頂上四周加散熱孔，梅花觸頭和靜觸頭都采用鍍厚銀，采用穿心式互感器。該設計雖然考慮了柜體的散熱，如強迫風冷、開散熱孔，但許多措施沒有實施到位：

首先，只在后柜采用強迫風冷，忽略了前柜散熱，前后柜之間幾乎是密閉的，熱空氣無法進行對流，觸頭盒內(nèi)和斷路器室內(nèi)的散熱條件沒有得到改善，因此單在后柜進行強迫風冷是不夠的。

其次，前后門上的散熱面積太小，因為考慮到配電柜防護等級要求，所以在通風處焊空氣濾網(wǎng)，其孔徑小于1 mm，因此對流的局部損失系數(shù)很大。

最后，動靜觸頭配合處的接觸電阻大，靜觸頭的結構不合理使此處溫度相對較高，并且在設計中主回路增加了了一處接觸電阻，增加了配電柜的發(fā)熱功率。

通過溫升試驗，我們感覺改進前的結構設計是有缺陷的，柜內(nèi)各處的溫升都超過標準規(guī)定要求，柜內(nèi)熱量較高，容易引發(fā)事故。

配電柜改進后，在結構設計上，將150FZY2-D型號軸流風機分別安裝于上蓋板（2只），母線室（左右各一只），氣道上方（2只）；將GFD850-155型號橫流風機安裝于柜體前柜斷路器室底端（1只），風機出風口直吹斷路器框架：靜觸頭采用圖1結構，并且梅花觸頭和靜觸頭都采用鍍厚銀；采用穿心式電流互感器。前后門的散熱面積擴大；水平母線后隔板開散熱孔，使電纜室和母線室熱空氣可以對流。

通過溫升試驗，可以看出以上結構改進措施是富有成效的，配電柜內(nèi)各處的溫升，尤其是觸頭盒內(nèi)的溫度都比原先改進前降低許多，并且都符合標準規(guī)定要求。

6 結束語

雖然溫升試驗是檢驗配電柜溫升的唯一手段，并且在測試中盡量模擬現(xiàn)場環(huán)境，但也有其局限性。樣柜是單臺試驗，樣柜的兩側都可以散熱，而實際運行中配電柜并不是單臺排列的，兩側還有其他柜，這些柜也同樣需要散熱，因此真正可以散熱的只有配電柜頂部、正面和背面共三個散熱面；配電柜的溫升還與當?shù)丨h(huán)境（如溫度、濕度、空氣中的粉塵）有密切聯(lián)系，環(huán)境差，形成的接觸電阻就越大，配電柜的發(fā)熱功率也就越大?，F(xiàn)場的實際溫升數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)是有差別的，實際溫升數(shù)據(jù)要高于試驗數(shù)據(jù)，實際溫升數(shù)據(jù)收集需在以后的工作中不斷積累，以此作為對配電柜調(diào)整、改良的依據(jù)。