基于KYN28—12型中置式铠装配电柜提高散热能力的研究

2014-10-22俞冬平盛锋

科技与创新 2014年17期

俞冬平+盛锋

摘要：近年来，随着企业用电负荷的不断增加，中压输配电设备朝着大容量、大电流的方向发展，配电柜因为过热而发生故障的情况日益凸显。以额定电流为4 000 A的KYN28-12型中置式铠装配电柜的结构为例，通过增加配电柜的散热面积，提高其散热效率、辐射系数，对易发热部件施行有针对性的散热等措施，从而改善配电柜的散热条件。

关键词：配电柜；散热；静触头；电泳漆

中图分类号：TM643 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）17-0109-02

KYN28-12型中置式铠装配电柜是额定电压为12 kV、频率为50 Hz的开关设备。该型号的配电柜外形整齐、美观，壳体机械强度高、体积小，柜内元器件检修方便，“五防”简单、可靠，并且其配置的手车互换性好，所以，被广泛应用于发电厂、变电站、工矿企业和高层建筑的12 kV配电系统中，作为接收和分配电能的单母线、单母线分段系统的户内开关设备使用。

随着大容量设备的投入和运行，配电柜过热故障不断显现，KYN28-12型中置式铠装配电柜的柜体具有所有隔室独立封闭的结构特点，因此，过热问题成为了它朝着大容量方向发展的主要制约因素。

1 改善配电柜散热能力的措施

配电柜的散热能力主要受散热面积、散热效率、辐射系数和易发热部件的影响，笔者主要从以下几方面分析。

1.1 增加柜体散热面积和通风口面积

要增加热对流和热辐射的散热功率，就必须增加配电柜的散热面积。由于配电柜的两侧排列着其他柜，所以，计算配电柜散热面积时，两侧的面积总是被忽略，大家认为仅仅只有前面、后面和柜顶散热。根据配电柜的结构特点可知，增加这3个面的面积几乎是不可能的，因此，增加散热面积只能从两侧考虑。如何把不能散热的两侧改进成可以散热的是解决该问题的关键。

图1 利用两侧散热的柜体结构图

图1是可以利用两侧散热的柜体结构图。当大电流的配电柜和其他柜并列安装时，在左、右两侧与其他柜之间各空200 mm的间距，考虑到空隙处前面和后面的安全和美观，可以安装封板，顶面不封，让空气可以流通，这样，配电柜两侧的空气就可以对流散热。此改进方案增加了配电柜两侧的散热面积。

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增大通风口面积有利于配电柜的散热。在计算配电柜的散热面积时，实测配电柜吸气口、排气口的开孔面积为0.05 m2。根据配电柜现有的门板面积可知，吸气口的开孔面积可以增加至0.08 m2，而排气口已经不能增加开孔面积了。因此，该型号的配电柜可以通过增加通风口的面积来增大散热功率，但是效果并不明显。

1.2 强制风冷和柜内风道设计

在相同的散热面积下，强制对流散热效果可以达到自然散热效果的3～8倍，所以，在开关柜中采用强制风冷是降低温升的有效手段。

利用计算好的配电柜内散热功率和发热功率可以计算出强制风冷的送风量。根据送风量的要求，后柜选用2只风量为330 m3/h的 150FZY2-D轴流风机；轴流风机安装在后上盖板，母线室选2只150FZY2-D轴流风机安装在盖板的左、右两侧；气道上方选用2只150FZY2-D轴流风机安装在盖板前面；前柜选用1只风量为2 250 m3/h的GFD850-155横流风机，横流风机安装在断路器室底部，出风口直接对准断路器框架。

真空断路器梅花触头的热量是通过触臂传导到框架内散热的，而断路器内部电阻产生的热量是通过动接头传到底盘小车上的，由此可以判断，前柜散热主要针对的是断路器和绝缘盒散热。当断路器处于工作位置时，隔弧板、断路器与中隔板形成风道，并在横流风机上部设计1个小室，将断路器下方的隔板缩短至小室口。此设计方案可以使轴流风机的风量流于风道内。在气道上部安装3个轴流风机，配电柜的前下门开网孔，就形成了图2中a路径的气流，气流a是针对真空断路器和触头盒散热的。

图2 改进后的配电柜形成风道示意图

*[基金项目]江苏省高校自然科学资金项目（编号：14KJB460028）

因为所有的母排都集中在后柜，所以，后柜的散热条件也必须优化。在后柜下部开网孔，并且在后上覆板和母线室顶上加装轴流风机，在母线室后的隔板上开网孔，从而形成图2中的气流b和气流c。气流b和气流c是针对主母排散热的，它们在金属中传导的散热效率是最高的，所以，快速冷却主母排，使触头盒内的热量可以通过母排更快地散热。

风道设计对柜体散热具有非常明显的效果，这与它独有的特点是分不开的，具体表现为以下三点：①合理地控制气流，使其按预定的路径通行，并将气流合理地分配到各单元和组件，提高元件的散热效率，更好地改善各元件的散热条件；②降低冷空气的输送阻力，避免被大型元件阻塞，造成风量损耗；③在柜内也可以考虑安装专用热交换器（柜用空调），它的散热效果非常好，但是成本高，体积较大，不易安装。

1.3 静触头改进设计

由于触头盒内发热量高，散热困难，所以，它是最容易达到或超过温升规定的位置。为了减小接触电阻、增大散热功率，必须优化静触头结构，因为优化静触头结构相比于其他方法见效更快、更经济。

图3是静触头改进前的结构，它是由两部分组成的，主体部分由铜管加工而成，中间用铜螺母固定，这种结构的主要特点就是用料省，节约成本。但是，由于底部和母线的可视接触面积很小，只有铜管的截面部分，并且为了使铜管截面与母线的接触是可靠的，铜螺母必须缩于截面内部，所以，当螺栓拧紧时，铜螺母的表面并不与母线接触，这就会使静触头发生轻微的变形，从而影响底部和母线的接触面积。

图4是静触头改进后的结构，它是由铜棒加工而成的整体式结构。因为采用了整体式结构，所以，底部和母线的可视接触面积增加，减小了接触电阻。同时，底部采用槽型结构，增加了静触头的散热面积，提高了散热效率。在静触头的上、下部各开3个直径为7 mm的小孔是为了将聚集在静触头内部的热空气通过小孔对流更快地散发。试验证明，因为静触头内部对流条件差，聚集在其内部的热空气温度非常高，所以，在静接触头的上、下部各开3个小孔，不仅可以提高静触头的散热效率，还不影响静触头的强度。改进后的静触头因为是整体式结构、采用铜棒加工的，用料比图3所示的静触头多，因此，成本也相应提高了。但是，如果先用铜胚锻成图4所示的静触头粗毛胚，然后再进行精加工，这样既可减少成本，还可以提高散热效率。

图3 静触头改进前示意图图4 静触头改进后示意图

1.4 靠近热源处材料涂覆黑色电泳漆

在配电柜壳体内靠近热源处的侧板和隔板上涂覆黑色电泳漆，

可以提高其散热效率。涂料的辐射系数和太阳光吸收率见表1.

表1是涂料的辐射系数和太阳光吸收率。从表中可知，当板材上涂厚0.24 mm的黑色电泳漆时，辐射系数ε由原来的0.018～0.072提高到0.48，因此，涂覆黑色电泳漆对散热有很大的影响。

表1 涂料的辐射系数和太阳光吸收率

表面状况辐射系数ε 太阳光吸收率

无涂覆，有光泽 0.018～0.072 0.1

凃厚0.24 mm的黑漆 0.48 0.96

凃厚1 mm的白色涂料 0.94 0.15

凃厚1 mm的黑色涂料 0.94 0.97

有的观点认为，温度在115 ℃以下电气导体的辐射波为不可视红外线，因此，辐射系数与涂料颜色无关，主要与涂料的厚度有关。假如把涂覆厚度增加到1 mm，那么，无论涂料是什么颜色，它的辐射系数ε都为0.94，比涂厚0.24 mm黑色电泳漆的辐射系数高将近1倍。但是，由于1 mm厚度的加工过程过于复杂，无法有效控制材料、烘干程度、涂覆次数等，并且还容易剥裂，因此，在实际操作中这种做法是不可行的。

图5是在靠近热源处要涂覆黑色电泳漆的几处位置，即互感器安装板、安装触头盒的中间隔板、母线室与电缆室隔板。这些位置因为靠近热源，所以，通过辐射吸收后直接传导到柜体散热。因为用户为了整齐、美观，配电柜的门一般都会要求制成统一的颜色，因此，无法涂覆黑色电泳漆。

图5 材料发黑处理的位置

2 结束语

通过增加配电柜的散热面积、增加轴流风机实现强制风冷、合理布置柜内风道和风机的位置、在靠近热源处的材料上涂覆黑色电泳漆、对易发热的部件施行有针对性的散热措施等可以有效地改善配电柜的散热能力。经过企业技术部门的检验，改进后的配电柜散热能力在一定程度上得到了提高。

参考文献

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[2]彭贵清.浅谈高压开关设备的温升及制造技术[J].电工技术杂志，2004（07）.

[3]黄恒禧.应用高压开关柜温升的简易算法及降低相应发热的技术措施[J].福建建筑，2008（03）.

[4]盛锋.基于KYN28-12型中置式铠装配电柜的减小发热功率控制研究[J].轻工科技，2014（08）.

〔编辑：白洁〕

Improve the Cooling Capacity in the Home-based KYN28-12 Type Assembly Cabinet Armor Research

Yu Dongping， Sheng Feng

Abstract： In recent years， with the increasing business electricity load， medium voltage transmission and distribution equipment in the direction of large-capacity， high current development situation distribution cabinet because of overheating and failure become increasingly prominent. Rated current of 4 000 A KYN28-12 type of armor in the home-assembled cabinet structure， for example， by increasing the distribution cabinet cooling area， improve its thermal efficiency， radiation coefficient， easy implementation of targeted heat-generating components cooling and other measures to improve heat dissipation distribution cabinet.

Key words： distribution cabinet； cooling； static contact； electrophoretic paint