一起10 kV斷路器后柜門渦流熱效應(yīng)的分析

張李奇，湯向華，劉 輝

（國網(wǎng)南通市海門區(qū)供電公司，江蘇 南通 226100）

戶內(nèi)金屬鎧裝式開關(guān)柜是發(fā)電廠、變電站等電氣現(xiàn)場(chǎng)最常見的設(shè)備之一，確保其安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要[1-3]。然而由于較大的電流負(fù)荷，給開關(guān)柜帶來的渦流、發(fā)熱等問題，將會(huì)造成設(shè)備老化、絕緣性能降低乃至開關(guān)柜燒毀等危險(xiǎn)[4-6]，因此發(fā)熱問題是影響開關(guān)柜安全運(yùn)行的重要威脅之一，在用電高峰及特殊運(yùn)行方式等大負(fù)荷場(chǎng)景下尤為顯著，因此，對(duì)開關(guān)柜的異常發(fā)熱進(jìn)行及時(shí)的觀測(cè)、分析和處理對(duì)開關(guān)柜安全運(yùn)行十分關(guān)鍵。

本文通過對(duì)巡視中發(fā)現(xiàn)的開關(guān)柜后柜門由于渦流效應(yīng)異常發(fā)熱的現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到了負(fù)荷電流與后柜門溫升的關(guān)系；通過建立磁熱耦合仿真模型，分析了開關(guān)柜渦流熱效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理及現(xiàn)象，分析了溫升的位置分布及其余不同變量之間的關(guān)系，并探究了降低開關(guān)柜渦流熱效應(yīng)導(dǎo)致柜體溫升的措施。

1 背景概述

在某110 kV變電站1號(hào)主變調(diào)換工作期間，該變電站由2號(hào)主變單臺(tái)主變運(yùn)行。值班人員在特巡過程中通過紅外測(cè)溫發(fā)現(xiàn)，在負(fù)荷較大的2號(hào)主變102開關(guān)的柜體后方，尤其是后柜門有顯著的發(fā)熱溫升現(xiàn)象。

為分析該開關(guān)柜柜體溫升現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理，本文對(duì)2號(hào)主變102開關(guān)柜的渦流效應(yīng)與后柜門溫升的關(guān)系進(jìn)行分析，通過測(cè)量并記錄在102開關(guān)柜進(jìn)線母排的不同負(fù)荷電流下的柜體尤其是后柜門的溫升，并與柜體的渦流效應(yīng)的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，分析其渦流效應(yīng)導(dǎo)致的溫升在柜體的分布情況。

2 開關(guān)柜基本情況

2號(hào)主變102開關(guān)柜型號(hào)為KYN28-12，圖1為102開關(guān)柜的總裝圖，其中母排為雙拼母排，從上方進(jìn)入柜體的電纜室。表1、表2分別為柜體相關(guān)尺寸和母排尺寸。

圖1 102開關(guān)柜總裝圖

表1 柜體尺寸

表2 母排尺寸

3 102開關(guān)后柜門溫度觀測(cè)

在該變電站主變運(yùn)行期間，對(duì)開關(guān)柜后柜門進(jìn)行每日紅外測(cè)溫，整理出其在2號(hào)主變102開關(guān)的不同負(fù)荷電流時(shí)的后柜門溫度情況，如圖2和表3所示，可以看到，隨著負(fù)荷電流增大，后柜門溫升也升高，在負(fù)荷電流為1554 A時(shí)，溫升即可達(dá)到29.4℃。

表3 102開關(guān)柜后柜門實(shí)測(cè)溫升統(tǒng)計(jì)表

圖2 102開關(guān)柜后柜門實(shí)測(cè)最大溫升示意圖

根據(jù)渦流發(fā)熱效應(yīng)的原理，當(dāng)發(fā)熱導(dǎo)體與母排電流方向垂直時(shí)，渦流效應(yīng)最為顯著。與母排電流方向垂直的柜體上方的發(fā)熱情況無法測(cè)得，僅能測(cè)得柜體后側(cè)的溫度。圖3為18日時(shí)測(cè)得的柜體后側(cè)溫度，可以看到，在柜體上方與金屬罩子交界的縫隙處溫度最高，據(jù)此推測(cè)柜體的上方，即柜體與母排電流方向垂直的部分發(fā)熱最嚴(yán)重。

圖3 18日紅外測(cè)溫

4 磁熱耦合仿真分析

為了驗(yàn)證開關(guān)柜發(fā)熱與渦流效應(yīng)的關(guān)系，分析柜體的發(fā)熱分布，尤其是柜體頂部及后柜門的發(fā)熱情況，建立仿真分析模型是一種重要的分析研究手段[7-10]，本文在Ansys平臺(tái)對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行磁熱耦合仿真分析。

4.1 模型建立

根據(jù)已知的開關(guān)柜尺寸，繪制3D仿真模型，圖4為開關(guān)柜的3D模型，其中母排之間的間距由于未測(cè)到，采用圖2總裝圖圖紙中的值。由于分析的對(duì)象為母排電流對(duì)柜體頂部及后柜門的渦流發(fā)熱效應(yīng)，為簡化模型，忽略開關(guān)柜其他部分對(duì)渦流發(fā)熱效應(yīng)的影響。模型中母排為雙拼銅排，柜體材質(zhì)為冷軋鋼板。

圖4 開關(guān)柜后柜及頂部的簡化3D模型

4.2 電磁仿真分析

在母排中通入方向?yàn)樽陨隙碌娜嚯娏鳎?/p>

當(dāng)電流幅值im=1500A時(shí)，柜體頂部及后柜門的渦流密度的仿真結(jié)果如圖5所示。可以看到，在后柜門上，渦流在柜門頂端和低端偏左的位置較大；而在柜體頂部，渦流效應(yīng)則集中于母排之間的位置。

圖5 母排與后柜門距離為141 mm負(fù)荷電流為1500 A時(shí)的渦流密度

圖6為柜體頂部雙拼母排之間、后柜門頂端2個(gè)位置的渦流密度、損耗密度沿著圖5中y方向的變化情況。可以看到，后柜門渦流密度和損耗密度的峰值在頂端中間偏左的位置出現(xiàn)，分別約為1.5×106A/m2和6×104W/m3，而柜體頂部渦流密度和損耗密的峰值在B相與C相母排之間，達(dá)到3×106A/m2和1.5×105W/m3。因此，柜體頂部的渦流效應(yīng)較之后柜門的渦流效應(yīng)更大。

圖6 母排與后柜門距離為141 mm負(fù)荷電流為1500 A時(shí)柜體頂部和后柜門渦流分布

4.3 熱仿真分析

為了分析負(fù)荷電流與開關(guān)柜發(fā)熱的關(guān)系，在室溫為26℃的條件下，對(duì)母排與后柜門距離d為141 mm時(shí)進(jìn)行電磁和熱仿真，如圖7和圖8所示，柜體頂部的溫升始終高于后柜門，且隨著負(fù)荷電流的增大，兩者最大溫升之差增大。可以看到，仿真結(jié)果中的后柜門最大溫升與表3的實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。

圖7 母排與后柜門距離d=141 mm時(shí)不同負(fù)荷電流下的溫度分布

圖8 母排與后柜門距離為141 mm時(shí)不同負(fù)荷電流下的發(fā)熱功率和最大溫升

在負(fù)荷電流為1500 A、母排與后柜門距離為141 mm時(shí)，銅排的歐姆損耗以及柜體的渦流損耗如表4所示，可以看到后柜門的損耗功率是最大的。

表4 母排與后柜門距離為141 mm、負(fù)荷電流為1500 A時(shí)的各位置損耗功率

為了分析母排與后柜門的距離同開關(guān)柜發(fā)熱程度的關(guān)系，在室溫為26℃、負(fù)荷電流為1500 A的條件下進(jìn)行電磁和熱仿真，如圖9、圖10所示。可以看到，柜體頂部的發(fā)熱功率及溫升受到母排與后柜門的距離的影響較小，但后柜門的溫升隨著母排與后柜門的距離的減小而增大，柜頂?shù)淖畲鬁厣冀K大于后柜門。

圖9 負(fù)荷電流為1500A時(shí)母排與后柜門不同距離下的溫度分布

圖10 負(fù)荷為1500 A時(shí)母排與后柜門不同距離下的發(fā)熱功率和最大溫升

5 開關(guān)柜溫升控制措施

開關(guān)柜在負(fù)荷較大時(shí)柜體由于渦流效應(yīng)升溫，若溫度過高，將危害設(shè)備安全運(yùn)行，為了降低與控制開關(guān)柜溫升，可以選取如下措施[11-14]：

減少渦流損耗：可采用非導(dǎo)磁性材料作為柜體材料、添加縫隙阻斷磁路等方式；

改善散熱條件：包括改善熱傳導(dǎo)（如保證足夠的導(dǎo)體截面）、熱對(duì)流（如增加散熱面積、加裝進(jìn)排氣孔等）、熱輻射（如陽極氧化發(fā)黑處理）等。

在線測(cè)溫：目前可行的技術(shù)手段包括光纖測(cè)溫與無線測(cè)溫。

優(yōu)化設(shè)計(jì)：通過改善開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)與布置，優(yōu)化其散熱性能。

6 結(jié)束語

本文通過對(duì)某110 kV變電站102開關(guān)柜溫度進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到其負(fù)荷電流與后柜門溫度的關(guān)系；建立了磁熱耦合仿真模型，分析了開關(guān)柜渦流熱效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理及現(xiàn)象，結(jié)合渦流熱效應(yīng)的原理可知，巡視中難以測(cè)量的開關(guān)柜柜體頂部較后柜門的溫升更高。通過仿真與實(shí)測(cè)分析可以得出如下結(jié)論：開關(guān)柜柜體頂部是受渦流影響發(fā)熱較為嚴(yán)重的位置，發(fā)熱受到母排與后柜門之間距離的影響不大，且最大溫升始終大于后柜門；后柜門的發(fā)熱功率及最大溫升隨著母排與后柜門的距離減小而升高。

本文通過仿真分析了實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)的后柜門發(fā)熱的現(xiàn)象，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合，由此建立的磁熱耦合仿真模型對(duì)開關(guān)柜的溫升優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。