淺談10 kV 大電流手車式開關柜的溫升問題

鄒志光

（廈門城市職業學院，廈門 361008）

中壓手車式開關柜（以下簡稱開關柜）作為接受和分配電網電能的重要設備，具有量大面廣的特點，在電力系統中扮演著重要角色。它的質量優劣直接影響電力系統的穩定和運行人員的安全，進而影響到工農業的生產和居民的生活質量。此外，隨著我國工業化和城市化的不斷深入，各地區各行業的用電負荷不斷增長，很多變電站12 kV 側的負荷電流已經達到3 150 A 或4 000 A，某些特殊工業用戶的負荷甚至達到了5 000 A[1]。可見，大電流開關柜的溫升問題越來越成為衡量開關柜質量好壞的重要因素，也越來越受到開關柜廠家的關注。據不完全統計，開關柜發熱引起的事故約占開關柜總事故的20%。

1 影響溫升的因素

開關柜的熱量主要來源于電流流過主回路產生的焦耳熱和交變電流在鐵磁體內產生的渦流損耗及感應熱。其中，主回路產生的焦耳熱Q的計算公式為[2]：

式中：I為流過主回路的電流；R為主回路的本體電阻與各導體間的接觸電阻之和；T為電流持續的時間。本體電阻與導體的材料、截面積、導體長度及導體長度有關。接觸電阻則與導體材料的性質、導體間的接觸形式和接觸壓力等相關，可用經驗公式計算[3]：

式中：F為接觸壓力，N；m為與接觸形式有關的系數，對點、線、面接觸分別取0.5、0.7、1.0；Kc為與接觸材料、表面情況、接觸方式等有關的系數，通常由試驗得出。在長期運行中，導體接觸電阻上升導致的發熱量增加將直接引起導體阻值增加而造成更高的溫升而出現惡性循環。這種變化在短期不明顯，只有長期運行后才能發現。大電流開關柜載流較高，更容易出現該現象。

根據以上關于開關柜主要熱量來源的分析，開關柜的主要溫升點在于導體間的搭接處，包括主母線與分支母線的接觸面、斷路器觸頭與靜觸頭的搭接點、電流互感器與銅排的搭接處及電纜搭接點等。渦流損耗及感應熱則主要集中在套管安裝板、隔室間的隔板及電纜拼板等位置。

2 溫升對開關柜的影響

國家標準《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》（GB/T 11022—2011）關于開關柜的溫升有如表1 所示的規定。

如果開關柜設計不合理，設備長期運行在允許的溫升范圍之上，那么將對開關柜的可靠性及壽命產生極大影響。一方面，開關柜長期溫升超標會使銅、鋁、螺栓、彈簧、彈墊等零件生產慢性退火變軟，喪失機械強度，導致變形和破壞；另一方面，過熱會引起絕緣材料加速老化，降低壽命。根據有機絕緣材料的10 K定律（由阿倫紐斯關系導出），工作溫度每升高10 K，有機絕緣材料的壽命將縮短一半[4]。

表1 高壓開關設備和控制設備各種部件、材料和絕緣介質的溫度和溫升極限

開關柜絕緣能力及機械強度等質量的下降，極易導致開關柜元件表面閃絡、線路短路、絕緣擊穿、設備損壞等惡劣事故，嚴重影響開關柜的安全可靠運行。

3 降低溫升的措施

降低開關柜的溫升應主要從兩個方面考慮：一是減少開關柜的發熱；二是增加開關柜的散熱。

3.1 減少開關柜發熱的措施

3.1.1 采用純度高的導體

在開關柜中，主回路導體主要以銅材或鋁材為主。《電工用銅、鋁及其合金母線 第1 部分：銅和銅合金母線》（GB/T 5585.1—2005）規定：銅和銅合金導體中的含銅量應不小于99.9%，導電率不小于97.0%IACS。《電工用銅、鋁及其合金母線 第2 部分：鋁和鋁合金母線》（GB/T 5585.2—2005）規定：鋁和鋁合金導體中的含鋁量應不小于99.5%，導電率不小于59.5%IACS。

3.1.2 合理選擇導體的規格

導體的規格應主要根據線路的實際電流和預期的負荷電流在國家標準中選取，同時綜合考慮導體的布置形式、導體間的絕緣距離、開關柜的動熱穩定等因素。由于矩形截面的導體電流均勻、集膚效應小，因此大部分母排采用矩形截面。目前，有部分開關柜廠家采用D 形母線。在截面積相同的情況下，D 形母線具有比矩形母線更大的載流能力，且集膚效應小、溫升小、散熱好，在市場上應用也較多。另外，導體的數量超過3 片后，其集膚效應系數將顯著增加，嚴重影響載流量，故導體的數量一般不超過3 片[5]。

3.1.3 降低主回路的接觸電阻

首先，導體的搭接面應鍍銀或鍍錫。一般情況下，鍍銀層厚度應不小于6 μm，鍍錫層厚度應不小于9 μm。主母線電流在4 000 A 及以上，鍍銀厚度則不應小于10 μm。

其次，提高斷路器觸頭與開關柜本體的配合精度。例如，要定期檢查柜體或斷路器導軌是否變形，保證動靜觸頭的同軸度和咬合深度。特別是對于大電流的斷路器手車，由于實際電流大，接觸壓力大，且上下觸頭對底盤距離不同，因此斷路器手車在推進和咬合時會發生后仰現象，從而呈現接觸不良的現象。此外，由于開關柜的結構特點，斷路器動靜觸頭的咬合情況難以直接觀察，通常需要觀察動靜觸頭的咬合過程留下的痕跡進行判斷。

再次，控制螺栓連接部位的緊固力矩。例如，主母線與分支母線、電纜與分支銅排等處的螺栓搭接，其數量、直徑及緊固力矩應按照相關的標準執行，避免因緊固力矩太大或太小而增大接觸電阻，同時避免螺栓太多增大渦流效應而產生過高的溫升。

最后，容易引起渦流損耗的零件選用非導磁材料。例如，主母線套管的安裝板、母線室與斷路器室的隔板、母線室與電纜室的隔板及電纜拼板等，應使用防銹鋁、不銹鋼等金屬材料[6]。

3.2 增加開關柜散熱的措施

3.2.1 在結構上設置空氣流通通道

在結構上，開關柜應設置有空氣對流的通道，以利于柜內外空氣的合理流動，降低溫升。如圖1 所示，開關柜頂部設置波紋狀網格板（采用波紋板可增加散熱面積，增強散熱），使得斷路器室、母線室及電纜室可通過對流通道與外部環境進行對流散熱。

3.2.2 使用強制風冷

在自然通風不能滿足溫升要求時，在開關柜柜前水平隔板處及柜后下部分別裝設散熱風機，通過導流葉片將外部空氣分別吹至斷路器動靜觸頭咬合處、電流互感器與銅排搭接處及電纜搭接處等，將熱量沿著流通通道強制排出。當實際電流在4 000 A 以上時，可在開關柜頂部加設軸流風機進行抽風。為防止柜內絕緣件表面積塵導致絕緣能力下降，應在風機進風口設置濾塵網。另外，為了提高風機壽命，將風機的控制方式設置成按主回路電流限值或按關鍵部位溫度限值的啟動方式，并考慮一定的返回系數。

3.2.3 提高輻射散熱效果

可在開關柜導體表面涂色漆或者包裹特殊的熱縮套管，也可在開關柜柜體及隔板處噴黑漆增大導體的輻射率，提高散熱能力。

3.2.4 合理選擇防護等級

開關柜的防護等級與散熱是相互制約的。要提高設備的防護等級，往往需要削弱設備的散熱效果。而要使設備具有良好的散熱效果，通常要降低設備的防護等級。斷路器及相連導體在防護等級為IP2X、IP3X、IP4X、IP5X 的開關柜中的溫升試驗結果表明，溫升相差近15 K。因此，在確保運維人員安全和保證開關柜絕緣性能的前提下，需合理選擇開關柜的防護等級，提高散熱效果。

3.2.5 改善配電室環境條件

開關柜的溫升是一個相對概念，指的是在周圍環境溫度的基礎上，開關柜溫度升高的值。若配電室溫度較高，則勢必會影響開關柜的散熱效果，導致開關柜過熱運行。此外，配電室空氣濕度、潔凈度等指標也會通過影響開關柜元器件的性能而影響開關柜的溫升。因此，有條件時建議在配電房配置通風空調設備。

3.2.6 溫度在線檢測

隨著計算機、傳感器、大數據以及云計算等技術的飛速發展，開關柜的智能化水平不斷提高。溫度在線檢測技術通過安裝在開關柜導體連接處的傳感器獲取溫度數據（事實上不僅包含溫度數據，還可包含斷路器機械特性等開關柜重要參數），并將其上傳至云端，經過專家數據庫的分析處理后，將溫度數據、分析結果及建議措施等信息發送至用戶終端。運維等相關人員可隨時了解開關柜的溫升等重要健康信息，并根據系統的建議制定相應的開關柜維保方案。

4 結語

大電流開關柜的溫升除與上述因素有關外，還與其結構形式、元器件質量、設備加工與裝配工藝等相關。因此，還需從開關柜的制造工藝、裝配質量等方面綜合考慮，制定行之有效的設備運行管理制度，定期檢查與維護。近年來，隨著用電負荷的不斷增加，大電流開關柜的溫升問題越來越突出，需要不斷探索降低開關柜溫升的新材料、新技術與新工藝。