12kV大電流開(kāi)關(guān)柜溫升關(guān)鍵技術(shù)研究

許浩

摘要：12 kV固體絕緣開(kāi)關(guān)裝置作為中壓開(kāi)關(guān)裝置的一部分，是電力輸送配電系統(tǒng)的重要組成部分。傳輸系統(tǒng)的電能質(zhì)量受到固體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行可靠性的影響，受其耐熱性和絕緣性能的限制。如何防止由于過(guò)熱、機(jī)械強(qiáng)度降低和絕緣差差導(dǎo)致零部件老化，已成為固體機(jī)柜的關(guān)鍵研究點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：12kV;固體絕緣開(kāi)關(guān)柜;溫度場(chǎng);靜電場(chǎng);

配電網(wǎng)的改造和升級(jí)與新的配電網(wǎng)明顯不同，主要是由于接線(xiàn)方式、設(shè)備基礎(chǔ)、泊位尺寸等的設(shè)置，這就要求大電流開(kāi)關(guān)設(shè)備在柜尺寸和主接線(xiàn)接口上與原來(lái)的開(kāi)關(guān)設(shè)備相一致，這使得原來(lái)增加開(kāi)關(guān)空間和載流段尺寸的方法，使開(kāi)關(guān)的額定電流不能滿(mǎn)足要求。

一、大電流金屬封閉開(kāi)關(guān)的性能分析及技術(shù)參數(shù)

1.性能分析。（1）分析加熱和散熱過(guò)程。12 kV高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備散熱設(shè)備與其工作過(guò)程中溫度升高是否能滿(mǎn)足運(yùn)行要求密切相關(guān)。溫度升高過(guò)程由數(shù)值模擬開(kāi)關(guān)裝置進(jìn)行，并對(duì)其熱穩(wěn)定性、氣流范圍和溫度場(chǎng)的分布進(jìn)行分析，以便深入研究其加熱和散熱過(guò)程，更合理地設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)裝置。在變頻調(diào)速柜中，熱量來(lái)自電氣接觸和載流導(dǎo)線(xiàn)（稱(chēng)為熱源）的焦耳損失，這主要是由于電流承載電路的導(dǎo)體電阻和接觸電阻造成的。正常運(yùn)行時(shí)，12 kV高壓電柜經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，溫度達(dá)到穩(wěn)定溫度。此時(shí)熱體的熱能和產(chǎn)生的熱量達(dá)到平衡，其向外的傳熱由對(duì)流換熱、熱傳導(dǎo)和熱輻射三種基本方法組成。導(dǎo)熱性：在開(kāi)關(guān)柜中，當(dāng)電流穿過(guò)導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體溫度會(huì)升高，與導(dǎo)體接觸的零件溫度也會(huì)升高，從而形成物體內(nèi)部零件之間或物體之間直接接觸的傳熱過(guò)程。導(dǎo)熱性與材料的有效導(dǎo)熱性、長(zhǎng)度、溫差和導(dǎo)熱性有關(guān)。利用傅立葉定律和能量守恒定律描述熱傳導(dǎo)過(guò)程可以。對(duì)流換熱：轉(zhuǎn)換機(jī)柜中的對(duì)流換熱與機(jī)柜中的氣流相關(guān)。當(dāng)風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻時(shí)，由于風(fēng)扇排氣的影響，機(jī)柜中的氣流會(huì)有一定的穩(wěn)定流量。當(dāng)沒(méi)有風(fēng)扇冷卻且空氣中有溫差時(shí)，空氣壓力隨溫度變化，使氣體自由流動(dòng)，電柜中形成自然對(duì)流。這兩種情況不僅由氣體的動(dòng)態(tài)過(guò)程決定，而且也由熱傳導(dǎo)過(guò)程決定。對(duì)流換熱主要與有效散熱面積、氣體比熱容量和溫差有關(guān)。12 kV高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的氣體溫度與載流子的布置、風(fēng)扇功率和放置位置有關(guān)。對(duì)流傳熱微分方程是對(duì)流傳熱的完整數(shù)學(xué)描述，即流體的N-S控制方程，包括動(dòng)量守恒、質(zhì)量守恒和能量守恒定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。熱輻射：開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的載流導(dǎo)體與周?chē)h(huán)境存在溫差，導(dǎo)致載流導(dǎo)體的部分熱量轉(zhuǎn)化為電磁波，通過(guò)空氣向四周傳播。 （2）發(fā)熱和散熱的分析方法。在12kV大電流開(kāi)關(guān)設(shè)備發(fā)熱和散熱研究中，采用體積控制法離散不同傳熱方式的耦合問(wèn)題，采用壓力修正法求解離散方程。根據(jù)前述報(bào)告的分析，做出以下假設(shè)：第一，載流電路的導(dǎo)體部分內(nèi)部只有熱傳導(dǎo);導(dǎo)體與空氣的接觸面上，有對(duì)流換熱和輻射散熱;第二，零件和接觸面的散熱規(guī)律不同。導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的熱量在導(dǎo)體表面散發(fā)到外部（空氣）（包括對(duì)流傳熱和熱輻射），接觸表面產(chǎn)生的所有熱量通過(guò)傳導(dǎo)傳遞到相鄰的兩個(gè)觸點(diǎn)，而不會(huì)散發(fā)到外部（空氣）。在數(shù)學(xué)模型中，對(duì)各種傳熱方式直接建立耦合微分方程，并引入壁函數(shù)處理對(duì)流邊界條件，從而形成統(tǒng)一的微分方程組，可直接求解壓力、速度、溫度等變量。在物理過(guò)程的數(shù)學(xué)描述中，通常根據(jù)傅立葉定律和能量守恒定律的熱傳導(dǎo)微分方程來(lái)描述熱傳導(dǎo)。用流體力學(xué)的N-S方程描述流動(dòng)傳熱規(guī)律，包括動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和質(zhì)量守恒方程。輻射傳熱用斯蒂芬·玻爾茲曼公式描述。

2.主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)。為了保證開(kāi)關(guān)柜能在工作壽命內(nèi)可靠工作，必須將各種材料的加熱溫度限制在不超過(guò)某一值，這是最高允許溫度，也稱(chēng)為最高允許加熱溫度。

二、無(wú)風(fēng)扇冷卻的穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果及分析

該模型以整個(gè)開(kāi)關(guān)柜為研究對(duì)象，模擬計(jì)算了4400A電流下達(dá)到穩(wěn)態(tài)的溫度場(chǎng)分布。其中，開(kāi)關(guān)柜的頂、前、后、左、右四面與外界空氣直接接觸，斷路器室、母線(xiàn)室、電纜室的頂面不放置風(fēng)扇，開(kāi)關(guān)柜處于自然風(fēng)冷狀態(tài)。這些墻壁設(shè)置為20℃的恒定壁溫，與環(huán)境溫度相同，底面設(shè)置為隔熱。

1.溫度場(chǎng)的分布與分析?？梢钥闯?，不帶風(fēng)機(jī)的開(kāi)關(guān)柜中載流電路元件的溫升明顯高于帶風(fēng)機(jī)的開(kāi)關(guān)柜，整體溫升在18℃左右。但載流電路上的溫度分布基本相似，高溫部分位于動(dòng)觸頭與動(dòng)導(dǎo)電桿的接觸處。最高溫度主要集中在動(dòng)、靜觸頭的接觸處，最高溫度可達(dá)95.9℃。載流電路其他部分的溫度大多在50℃到80℃之間。通過(guò)圖中對(duì)比可以看出，下觸頭臂、梅花觸頭、4000A靜觸頭的導(dǎo)電回路整體溫升高于上回路，上導(dǎo)電回路基本在67℃左右，下導(dǎo)電回路大部分在77℃以上。這種分析的主要原因是上層導(dǎo)電回路的散熱條件比下層好，上層回路更靠近開(kāi)關(guān)柜出口，零件發(fā)熱，周?chē)諝馔ㄟ^(guò)對(duì)流換熱升溫，加熱后的氣體從出口流出，容易帶走上層導(dǎo)電回路產(chǎn)生的熱量，上層回路散熱更好，導(dǎo)電體溫升更低。在下層導(dǎo)電環(huán)和上層之間有一個(gè)穿孔隔板。雖然空氣仍能向上流動(dòng)，但由于隔板等部件的影響，流速有所降低，散熱效果變差，導(dǎo)致下回路溫升較高。由于沒(méi)有風(fēng)機(jī)強(qiáng)制風(fēng)冷，開(kāi)關(guān)柜整體氣溫明顯偏高。受不同熱源和散熱條件的影響，空氣也呈現(xiàn)出不均勻的溫度分布。從上圖可以明顯看出，不同車(chē)廂內(nèi)的氣溫分布存在明顯差異。斷路器室內(nèi)空氣溫度最高，在46℃以上，最高溫度達(dá)到63.4℃。電纜室熱源少，部件溫升低，導(dǎo)致氣體溫度較低。載流電路部件附近氣溫較高，基本在47℃以上，然后由于空氣加熱的上升，出口附近氣溫仍在55℃左右。母線(xiàn)室溫度略高于電纜室，平均約43℃。從仿真結(jié)果來(lái)看，由于缺少風(fēng)機(jī)冷卻，動(dòng)、靜觸頭接觸部位溫升較大，已成為整個(gè)母線(xiàn)室的最高溫度，但未超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。此外，梅花觸頭和4000A靜觸頭的接觸部位也需要注意。高溫主要集中在動(dòng)、靜觸頭接觸處、動(dòng)導(dǎo)桿及附近部位，均在95℃左右。上下觸頭盒溫度略低，上觸頭盒溫度約57.6℃，下觸頭盒溫度約64.9℃。溫度分布規(guī)律是下部電路的總溫度比上部電路高20℃左右。

2.空氣流場(chǎng)的分布與分析。空氣流場(chǎng)分布，其中速度單位為m/s。無(wú)風(fēng)扇時(shí)的流場(chǎng)分布與有風(fēng)扇時(shí)的流場(chǎng)分布有顯著差異。首先，氣流速度明顯降低，其次，流體分布規(guī)律也發(fā)生變化。開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)室、斷路器室、電纜室在不同區(qū)域的流場(chǎng)分布不同。很明顯，載流回路周?chē)臍饬鞅裙駜?nèi)其他位置的氣流要快，且氣流方向大多向上。主視圖中的流體在機(jī)柜頂部上方流動(dòng)，距離機(jī)柜頂部越近，流速越大。原因分析是：載流電路部件通電加熱，產(chǎn)生的熱量通過(guò)對(duì)流換熱傳遞到周?chē)諝庵?。空氣被加熱，加熱后的空氣通過(guò)出口流出機(jī)柜。由于風(fēng)機(jī)沒(méi)有強(qiáng)制風(fēng)冷和向上吸力，加熱后的向上風(fēng)速只受載流電路部件溫升的影響，屬于自然對(duì)流散熱。流量也明顯低于風(fēng)扇的流量。此外，母線(xiàn)室、斷路器室和電纜室的流速也存在明顯差異。斷路器室流體流速最快，母線(xiàn)室次之，電纜室最慢。分析的原因是：由于沒(méi)有風(fēng)扇，三個(gè)房間的空氣流量在初始時(shí)間為零。而斷路器室內(nèi)部分的發(fā)熱量最大，溫升最高。它通過(guò)翅片與周?chē)諝膺M(jìn)行充分的對(duì)流熱交換。周?chē)諝鉁厣^大，加劇了氣體向上流動(dòng)的趨勢(shì)，另外兩個(gè)房間的流速相對(duì)較快。電纜室位于開(kāi)關(guān)柜下部，遠(yuǎn)離插座，其上方為母線(xiàn)室?？蛙?chē)室內(nèi)部分阻礙空氣向上流動(dòng)，空氣上升通道不暢，流速相對(duì)較慢。

總之，12kV開(kāi)關(guān)柜是配電網(wǎng)系統(tǒng)的核心設(shè)備，用于電力系統(tǒng)輸配電和功率轉(zhuǎn)換過(guò)程中的切換、控制和保護(hù)。目前廣泛使用的開(kāi)關(guān)柜額定電流為2000a和2500A，不能滿(mǎn)足電網(wǎng)的應(yīng)用。急需用額定電流為4000A的大電流開(kāi)關(guān)設(shè)備替換原有設(shè)備。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韓振岳.大電流開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)探討.2019.

[2]張德江.關(guān)于12kV大電流開(kāi)關(guān)柜溫升關(guān)鍵技術(shù)研究.2020.