淺談低壓開(kāi)關(guān)柜的溫升

陳家旺

淺談低壓開(kāi)關(guān)柜的溫升

陳家旺

（廈門(mén)華電開(kāi)關(guān)有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

隨著電網(wǎng)的發(fā)展和設(shè)備技術(shù)的提高，開(kāi)關(guān)柜在電網(wǎng)中已大量使用。通過(guò)討論溫升的定義，指出了開(kāi)關(guān)柜發(fā)熱的原因，并分析了如何有效改善開(kāi)關(guān)柜溫升的措施。

開(kāi)關(guān)柜；溫升；環(huán)境溫度；改善措施

1 溫升的定義

溫升是指開(kāi)關(guān)柜中的各個(gè)部件高出環(huán)境溫度。開(kāi)關(guān)柜在通電后產(chǎn)生電流熱效應(yīng)，隨著時(shí)間的推移，開(kāi)關(guān)柜中各個(gè)部件的溫度不斷上升直至穩(wěn)定，此時(shí)測(cè)得開(kāi)關(guān)柜各個(gè)部件表面的溫度為最終溫度，溫度的單位為℃。上升的溫度中超過(guò)周?chē)諝獾臏囟龋ōh(huán)境溫度）的這一部分溫度稱(chēng)為溫升。有些關(guān)于溫升方面的文章中，經(jīng)常把溫升的單位寫(xiě)成℃，單位用攝氏度（℃）來(lái)表示溫升是不妥當(dāng)?shù)模瑴厣膯挝粦?yīng)為開(kāi)氏度（K）。溫升用公式表示為：

=2－1（1）

式（1）中：為溫升；1為環(huán)境溫度，室溫不允許超過(guò)40 ℃；2為開(kāi)關(guān)柜各部件發(fā)熱狀態(tài)下的溫度。

溫升極限值是指不造成開(kāi)關(guān)柜的載流部件和/或相鄰部件損壞的最高溫升值，與開(kāi)關(guān)柜的載流導(dǎo)體及其包覆絕緣材料、支撐絕緣材料的允許工作溫度有關(guān)。

2 引起開(kāi)關(guān)柜發(fā)熱的有關(guān)因素分析

開(kāi)關(guān)柜溫度升高的過(guò)程就是各個(gè)部件發(fā)熱的過(guò)程。開(kāi)關(guān)柜在正常的工作情況下，由于各種損耗造成各部件的發(fā)熱，開(kāi)關(guān)柜的損耗主要有電阻損耗、渦流損耗。

2.1 電阻損耗

開(kāi)關(guān)柜的載流部件在正常工作情況下，通過(guò)不超過(guò)額定值的電流，而在電流流過(guò)的回路上必然存在著一定的回路電阻，因此在此電阻上會(huì)產(chǎn)生損耗，這就是電阻損耗。開(kāi)關(guān)柜的載流部件主要就是各電器元件和導(dǎo)體，這些部件與電源和負(fù)載連接在一起，形成了電流回路。回路電阻損耗主要包括：電器元件本身的電阻損耗，導(dǎo)體的電阻損耗，還有就是所有連接處的接觸電阻損耗。

2.2 渦流損耗

開(kāi)關(guān)柜的損耗除了以上的各種電阻損耗外，還存在著極易被忽視的渦流損耗。導(dǎo)體在磁場(chǎng)不均勻的環(huán)境中移動(dòng)，自身產(chǎn)生的能量消耗指的是渦流損耗，在自身運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的閉合電流稱(chēng)為渦流。對(duì)于開(kāi)關(guān)柜來(lái)講，此處的導(dǎo)體指的是有較高磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率的鐵構(gòu)件。

開(kāi)關(guān)柜在正常工作時(shí)，主回路和各分支回路都會(huì)通電流，在每一相回路的周?chē)鷷?huì)存在電磁場(chǎng)。各個(gè)回路的走向不同，電流大小不同，在整個(gè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的電磁場(chǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜。傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為，把同一回路的三相從同一孔中穿過(guò)，總電流幾乎為0，就可防止渦流出現(xiàn)。其實(shí)不盡然，要看這個(gè)孔是怎樣的孔，如果是一個(gè)鋼板上的孔，且回路的電流是與鋼板垂直的方向穿過(guò)，是可以減小渦流的；但如果回路電流的流向是與鋼構(gòu)件平行的，當(dāng)鋼構(gòu)件與導(dǎo)電回路距離較近時(shí)，仍然會(huì)在該鋼構(gòu)件上產(chǎn)生較大的渦流。

2.3 改善開(kāi)關(guān)柜溫升的措施

開(kāi)關(guān)柜的溫度變化基本上受到自身的發(fā)熱效果和散熱速度之間的影響，在進(jìn)行溫度改良和變化的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)從兩個(gè)方向著手：①減少電阻的損耗；②提升散熱效率。

2.3.1 減少損耗

根據(jù)上述的分析，要減少損耗主要考慮減少電阻損耗和渦流損耗，故可采取以下措施。

2.3.1.1 減少電器元件本身的電阻

由于目前多數(shù)的開(kāi)關(guān)柜廠(chǎng)家都是組裝型工廠(chǎng)，即由采購(gòu)電器元件、殼體、銅排等流程裝配而成，因此，電器元件本身的電阻是開(kāi)關(guān)柜廠(chǎng)家無(wú)法控制的。開(kāi)關(guān)柜廠(chǎng)家只能是在電器元件選型時(shí)，選用具有一定規(guī)模的廠(chǎng)家生產(chǎn)的性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠的電器元件，嚴(yán)格控制合格供應(yīng)商，靠供應(yīng)商的質(zhì)量保證體系來(lái)保證電器元件的產(chǎn)品質(zhì)量。

2.3.1.2 減小導(dǎo)體電阻

導(dǎo)體選擇合適的截面積，既要考慮到經(jīng)濟(jì)性，但又不能過(guò)小，應(yīng)滿(mǎn)足載流量要求；應(yīng)當(dāng)將導(dǎo)體的導(dǎo)電率加以控制，保證T2銅的導(dǎo)電率大于97%IACS；銅排加工時(shí)的折彎半徑盡可能大，如果折彎半徑過(guò)小，將造成加工處應(yīng)力集中，引起電阻增大，同時(shí)還可能造成折彎破裂。

2.3.1.3 減少渦流損耗

載流導(dǎo)體穿越柜體時(shí)，導(dǎo)磁材料應(yīng)三相共筒，否則應(yīng)采用非導(dǎo)磁性材料。開(kāi)關(guān)柜中常用的非導(dǎo)磁性材料有奧氏體不銹鋼、鋁及絕緣材料等。柜后的封板宜采用絕緣材料制作，柜后的框架宜采用奧氏體不銹鋼制作，可減少柜體發(fā)熱。固定母線(xiàn)框的螺栓可采用奧氏體不銹鋼，或者改變固定方式，使得穿越螺栓的電磁場(chǎng)磁力線(xiàn)盡可能短，增大螺栓與導(dǎo)體的距離，這些措施可避免螺栓因渦流損耗發(fā)熱。對(duì)于大電流開(kāi)關(guān)柜（電流≥3 200 A），銅排搭接處用的緊固螺栓也應(yīng)采用奧氏體不銹鋼螺栓。開(kāi)關(guān)柜中的某些隔板由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因，避不開(kāi)電磁場(chǎng)的影響，可在會(huì)形成渦流的部分采用插入縫隙增加阻力的方法來(lái)減小渦流損耗。

2.3.2 改善開(kāi)關(guān)柜散熱條件

開(kāi)關(guān)柜的散熱過(guò)程為：柜內(nèi)電器元件發(fā)熱并傳導(dǎo)至載流導(dǎo)體。高溫導(dǎo)體通過(guò)對(duì)流、輻射等方式向柜內(nèi)空氣及柜體散熱。柜內(nèi)空氣通過(guò)對(duì)流向周?chē)諝馍幔耋w通過(guò)表面以對(duì)流和輻射等方式向周?chē)諝馍帷ｉ_(kāi)關(guān)柜的散熱方式主要有傳導(dǎo)散熱、對(duì)流散熱和輻射散熱，故為改善開(kāi)關(guān)柜散熱條件可采取以下措施。

2.3.2.1 改善傳導(dǎo)散熱

電器元件的樁頭處是溫度較高的地方，特別是大電流（6 300 A）的框架式斷路器，其樁頭處是溫升試驗(yàn)考核的重點(diǎn)。因此，為盡快將斷路器樁頭處的熱量散發(fā)出來(lái)，一方面要保證樁頭處的導(dǎo)體連接符合產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)要求，保證合適的搭接面積和導(dǎo)體截面；另一方面，可考慮在樁頭處加裝散熱裝置。

2.3.2.2 改善對(duì)流散熱

對(duì)流散熱指的是物體表面與其他流體之間相接觸，并且其中存在明顯的溫度差異狀態(tài)下進(jìn)行的傳熱現(xiàn)象。在開(kāi)關(guān)柜的散熱過(guò)程中對(duì)流散熱是具有代表性的散熱形式。

對(duì)流散熱與熱源的表面、熱容、風(fēng)道有關(guān)，因此，可采取如下措施：①增大導(dǎo)體的表面積。斷路器樁頭處的連接銅排可以采用2片5×100的銅排來(lái)替代1片10×100的銅排，截面積不變的情況下，兩片銅排的表面積要比一片銅排大得多，散熱條件更好。通常散熱器都會(huì)設(shè)有很多翅片，其目的也是為了增加散熱表面積。②開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的銅排盡量設(shè)置為豎放，即銅排的長(zhǎng)邊與地面保持垂直。這樣處理一方面可以保證銅排有更多的有效散熱面積；另一方面，也更有利于開(kāi)關(guān)柜柜內(nèi)從下而上形成風(fēng)道，提高對(duì)流散熱的效率。特別是大電流框架式斷路器電流為3 200 A 時(shí)，應(yīng)考慮其接線(xiàn)樁頭設(shè)置為垂直地面方向，這樣對(duì)斷路器樁頭的溫升改善有極大的幫助。③電器元件的布置要有利于對(duì)流散熱，如塑殼斷路器、接觸器豎放要比橫放散熱好，圓柱式電容器的散熱立著裝要比臥著裝好。④根據(jù)熱空氣上升的特性，可以在開(kāi)關(guān)柜的上部開(kāi)排氣孔，下部開(kāi)進(jìn)氣孔，并盡量增大進(jìn)氣孔與排氣孔的高度差，使進(jìn)氣孔的面積與排氣孔的面積相匹配，有利于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)從下而上形成煙囪效應(yīng)，加快對(duì)流散熱。排氣孔的設(shè)置應(yīng)考慮不降低開(kāi)關(guān)柜的防護(hù)等級(jí)。⑤通常開(kāi)關(guān)柜為防止內(nèi)部故障的擴(kuò)散，會(huì)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的內(nèi)部分隔形式要求將開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部分隔成幾個(gè)不同的功能隔室。開(kāi)關(guān)柜內(nèi)必然會(huì)設(shè)置水平方向的隔板，水平隔板將阻礙柜內(nèi)空氣的對(duì)流。因此應(yīng)在水平隔板上設(shè)置通風(fēng)孔，通風(fēng)孔的面積越大越好，至少為水平隔板面積的一半。通風(fēng)孔的設(shè)置還要考慮到隔板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)還要保證柜內(nèi)各間隔之間的防護(hù)等級(jí)不低于IP2X。⑥發(fā)熱較高的電器元件宜設(shè)置在開(kāi)關(guān)柜的下部，以取得最佳的散熱效果。采用強(qiáng)制風(fēng)冷，在進(jìn)氣口和/或排氣口增加風(fēng)機(jī)，加快柜內(nèi)空氣與柜外空氣的交換。但應(yīng)注意風(fēng)機(jī)的風(fēng)向，應(yīng)結(jié)合風(fēng)道的設(shè)計(jì)綜合考慮，通常為下部的進(jìn)氣口的風(fēng)機(jī)向柜內(nèi)吹氣，上部的排氣口向柜外排氣。

2.3.3 改善輻射散熱

散熱器的表面進(jìn)行陽(yáng)極氧化發(fā)黑處理，可以增加輻射系數(shù)。銅排自身的導(dǎo)熱性較好，但是由于表面摩擦力較小，輻射系數(shù)較低。因此，通常要求銅排表面涂漆或套熱縮套管處理，可以增加輻射系數(shù)。熱縮套管與銅排表面應(yīng)緊密貼合，無(wú)氣泡。

3 結(jié)論

隨著低壓開(kāi)關(guān)柜在電網(wǎng)中大量應(yīng)用，低壓開(kāi)關(guān)柜的電流也越來(lái)越大，對(duì)開(kāi)關(guān)柜的溫升是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此開(kāi)關(guān)柜廠(chǎng)家在設(shè)計(jì)和制造的過(guò)程中，應(yīng)把溫升控制作為一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，通過(guò)開(kāi)關(guān)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的不斷改進(jìn)，減少系統(tǒng)的損耗，降低系統(tǒng)的發(fā)熱量，增強(qiáng)開(kāi)關(guān)柜的散熱能力，從而將開(kāi)關(guān)柜的溫升控制在可接受的范圍內(nèi)。

［1］方學(xué)慧.中低壓開(kāi)關(guān)柜行業(yè)智能工廠(chǎng)體系架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.湖北農(nóng)機(jī)化，2019（18）：119.

TM591

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.23.065

2095－6835（2019）23－0140－02

陳家旺（1975—），男，福建廈門(mén)人，本科，工程師，主要研究方向?yàn)殚_(kāi)關(guān)柜設(shè)計(jì)。

〔編輯：張思楠〕