基于10kV開關柜結構的發熱問題分析

摘要：KYN28A-12型10kV中置式開關柜發熱問題改善可以從發熱損耗抑制與散熱效果提升兩方面進行分析。在發熱問題，降低接觸電阻減小電阻熱效應、抑制渦流和磁滯損耗是主要手段;在散熱方面，通過設計合理的導體結構、增大導體散熱面積、優化柜內換氣通道強迫風冷等一系列方法可以達成理想的效果。

關鍵詞：中置式開關柜;發熱;散熱

引言

KYN28A-12型10kV中置式開關柜具有絕緣性能良好、操作可靠、五防功能齊全、運行可靠等優點，在城市電網中占據越來越大的比重，但局部過熱現象時有發生，容易加速導體氧化以及絕緣材料老化，降低運行可靠性。開關柜設計時，發熱、散熱通風問題成了結構設計時首要考慮的內容，研究10kV開關柜發熱問題，改善開關柜結構與性能對電力系統安全穩定性具有重要意義。

1 10kV中置式開關柜簡介

KYN28A-12是中置式開關柜的常見型號，其中K表示鎧裝金屬封閉開關設備，Y表示移動式，N表示戶內型，28A為設計系列序號，12kV表示額定電壓等級。

1）開關柜結構

10kV中置式開關柜主要由固定的柜體和可移動的真空斷路器手車兩大部分組成，柜體又可分為母線室、斷路器室、電纜室、繼電器儀表室四個部分，主要部件有開關手車、操作機構、斷路器、接地開關、互感器、保護裝置等。

開關柜結構示意圖

2）開關柜的發熱與散熱

A）熱量來源

開關柜柜內發熱主要來源于電流流過電阻產生的熱效應以及交變磁場在周圍導磁金屬材料中發生的渦流損耗。

一是開關柜內導體熱效應產生熱量。電阻熱效應的計算公式是P=I2R。電流大小主要受負荷影響，負荷增加流經開關柜內導體的電流大小也隨之增加;接觸電阻過大則可能造成接觸電阻劇增從而引起局部過熱，甚至使觸頭發生熔焊。

二是渦流損耗發熱。柜內金屬隔板在交變磁場的作用下，將在隔板截面內產生渦流從而引起隔板發熱，該發熱量與金屬導磁性、導電性、截面積有密切關系。

B）散熱途徑

一般認為，導熱的方式有熱傳導、對流、輻射。對流是指流體內部由于各部分溫度、密度不同，從而在重力作用下造成的相對流動，是開關柜內最為重要的散熱途徑。

3）開關柜溫升試驗標準

由于開關柜的運行情況復雜多樣，精確的理論計算非常困難，在熱穩定計算的基礎上通常實際生產投運前會抽查開關柜溫升試驗。

溫升試驗一般從開關柜母線室分支母線通過銅排引出施加電壓，通過升壓使導體電流達到額定電流的1.1倍，每隔一段時間記錄一次測溫點數據，前后兩次溫差無變化則認為溫度穩定，此時測溫數據減去環境溫度即為溫升試驗數據。

2 發熱問題改進

1）發熱損耗抑制

開關柜柜內發熱主要來源于電流流過電阻產生的熱效應以及交變電流在周圍導磁金屬材料中發生的渦流損耗。

A）限制接觸電阻

影響接觸電阻的因素主要有材料性質、表面涂敷、接觸面積與平整程度和接觸壓力等幾個方面：

一是材料性質。對開關柜而言，對觸頭的要求主要是以下兩點：一是長期工作中，要求電接觸在長期通過額定電流時，溫升不超過標準要求，接觸電阻要保持穩定;二是在短時通過短路電流時，要求電接觸不發生熔焊或觸頭材料的噴濺等。一般觸頭使用純銅材質，表面鍍銀處理。

二是表面涂敷。在觸頭位置涂抹滴點高、有效時間長的電力復合脂，一方面可阻斷觸頭表面與空氣（O2、水分等）接觸產生電化學腐蝕，另一方面增大了有效接觸面，有效降低了接觸電阻。

三是改善接觸面積與表面平整度。開關柜內動靜觸頭的接觸面積通常與梅花觸頭數量、觸頭直徑以及觸頭插入深度有關，觸頭直徑越大、梅花觸頭數量越多、插入深度約深，則接觸面積越大、接觸電阻越小。

四是保證接觸壓力。動靜觸頭的表面壓力主要與彈簧數量、彈簧勁度系數、彈簧直徑、觸頭對中性有關。

B）降低渦流和磁滯

我局規定，對于額定電流≥3150A的開關柜及隔離柜，其前柜上隔板、后柜頂板、后柜母線室上隔板、后柜母線室封板、后柜中彎板、穿墻套管安裝隔板等導流導體進出磁感應隔板，必須采用非導磁的不銹鋼板。對于額定電流1250A及以下開關柜，后柜母線室穿墻套管封板必須采用非導磁的不銹鋼板，其它分支穿透的隔板應采用冷軋鋼板或敷鋁鋅板。

2）散熱效果提升

A）導體結構

開光柜內母線、各跨線橋、以及主變變低都采用了母排結構，其設計需考慮載流量、電暈、動穩定、熱穩定等因素。通常采用薄而寬的矩形、槽形、圓管形等導體形狀，矩形母排、管形導體最為常見。

B）導體顏色

實踐證明當物體為輻射源時，物體表面顏色越深則輻射能力越強，故部分廠家在設計中采用非接觸面采取表面涂黑漆的處理方式。

C）導體散熱面積

為增加導體散熱面積，通常在開關柜內溫度高、易發熱的導體表面上安裝散熱裝置，通過導體與散熱器的接觸直接傳導熱量。散熱器一般具有良好的導熱性，并制作成特殊的長條形或圓管形等形狀，增加與空氣的接觸面積，從而獲得良好的散熱效果。

D）換氣通道優化

當設計中導體擁有足夠的散熱面積時，換氣通道的設計尤為重要。開關柜內導體周圍的空氣被不斷的加熱，減小了空氣密度，熱空氣上升，冷空氣下降，從而形成自然對流。

我局規定，對于3150A及以上大電流柜靜觸頭盒需與靜觸頭配套，為五孔型，且不應用全密封形式，靜觸頭盒上應有對流風道或采用熱管傳導式散熱器，以滿足溫升要求。

E）強迫風冷

強迫風冷是通過外置風機強制改變空氣流動方向，加速導體周圍空氣流動速度，加快熱量的傳遞。加裝風機是當前眾多廠家提升大電流柜散熱效果、解決溫升試驗不合格問題的主要手段，根據熱空氣上升冷空氣沉降的原理，一般采取下柜進風、柜頂出風的強風路徑。

3 典型發熱缺陷案例分析

1）110kV某變電站10kV某線F15開關柜母線室故障

2015年03月21日，110kV某變電站站10kV某線F15開關柜母線測量溫度47℃，周圍其他位置最高24℃，即刻電流僅為68A，當天最高值為90A，發熱現象明顯。緊急停電后發現，斷路器手車C相母線側動觸頭和動觸頭臂以及極柱上端嚴重燒損，活門內C相母線側靜觸頭、靜觸頭盒以及分支母線同樣燒損嚴重。

通過停電檢查分析后，故障原因總結為靜觸頭和分支母線固定螺絲未緊固，表面接觸壓力小，接觸面存在縫隙導致接觸電阻偏大，導體發熱形成氧化層后接觸電阻進一步增大，引起惡性循環，最終導致動靜觸頭、觸頭壓緊彈簧、絕緣護套等位置過熱熔化。

2）110kV某變電站溫升不合格處理

2018年8月，由廣州廣高高壓電器有限公司提供的開關柜溫升試驗結果不合格。大電流柜測量指標中，觸頭最高溫升76.1（K），用螺栓的或與其等效的聯結最高溫升74.1（K），正常操作中可觸及的部件最高溫升29.4（K），正常操作中不需觸及的部件最高溫升41.8（K），均超過有關標準;小電流柜導體表面溫升限值超出技術條件書要求值，觸頭最高溫升59.8（K），用螺栓的或與其等效的聯結最高溫升62.4（K）。

★注：外殼溫升在正常操作中可觸及的部件不超過20K，在正常操作中不需觸及的不超30K，導體表面和對接觸頭部位溫升不得超過55K。

廠家給出的原因分析及其整改措施如下：

原因分析

①動靜觸頭采用1250A的常規參數（靜觸頭為?49、梅花觸頭觸指30片）;

②靜觸頭與觸頭盒連接用的螺栓為普通鋼質螺栓;

③4000A開關柜抽風機功率小（斷路器室頂泄壓通道抽風機3只，功率功率35W;主母線室頂泄壓通道抽風機3只，功率功率35W）。

整改措施

①梅花觸頭、靜觸頭換成1250A加強型（靜觸頭為?55、梅花觸頭觸指36片）;

②靜觸頭與觸頭盒連接用的螺栓換成不銹鋼內六角螺栓;

③采用力矩扳手緊固螺栓，擰緊力達到要求值：45～59N.M;

④4000A開關柜抽風機功率加大（斷路器室頂泄壓通道抽風機3只，功率功率65W;主母線室頂泄壓通道抽風機6只，功率功率65W）。

4 總結與提升

針對開關柜發熱問題，總結出一些設備驗收和檢修維護中值得關注的地方。

1）開關柜驗收

一是重點關注動靜觸頭、梅花觸頭觸指數量、彈簧數量與尺寸規格、插入深度是否符合技術標書及行業標準，觸頭對中性是否良好。

二是關注母排結構、散熱片、導體顏色、換氣通道、大電流柜風機等內容，了解開關柜散熱性能。

三是借助溫升試驗、直阻測試等手段，嚴格按照深圳供電局技術標書的標準進行把關。

2）檢修維護

一是紅外測溫時應把握“外殼溫升在正常操作中可觸及的部件不超過20K，在正常操作中不需觸及的不超30K”的原則，若表面溫度過高，可能存在內部發熱的情況。

二是母線及開關柜維護時，應重點關注觸頭運行工況以及母線室環境。

觸頭情況

應觀察柜內動靜觸頭對中性、深入深度、潤滑程度等問題。

（1）對中性方面，可以通過靜觸頭座外面表磨痕的均勻程度結合手車在搖進搖出過程中觸頭分合前后手車升降情況進行判斷;

（2）深入深度可以測量靜觸頭表面磨痕深度與靜觸頭外平面的距離粗略測算，應落在15mm—25mm區間內。

連接位置緊固程度

檢查開關柜內電流互感器引線接頭、電纜與母排聯接接頭等位置螺栓是否緊固良好，防止在運行中發生振動松動。

開蓋檢查

清掃

（1）清理柜體頂部蓋板及泄壓通道，提升開關柜散熱效果;

（2）母排接觸面應平整緊密，無發熱變色，螺栓及墊片應齊全穩固;

（3）檢查母線室內穿墻套管、支持絕緣子表面整潔，無裂痕和放電痕跡;

（4）主導體母排包覆的絕緣套應完好，裸露部分無銹蝕。

參考文獻

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作者簡介：方大川，浙江大學本科生，2014年入職，深圳供電局有限公司檢修部檢修二班班員。