低压成套设计与应用中隔离开关散热技术研究

2017-06-01浙江方圆电气设备检测有限公司矫财东黄芳吴卫东祝文婷

电器工业 2017年4期

关键词：铜排柜体元器件

／浙江方圆电气设备检测有限公司矫财东黄芳吴卫东祝文婷／

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针对低压成套开关柜中隔离开关温升过高的情况，分析了主要影响因素，介绍了目前散热技术领域的常用技术。结合实际情况，提出了几种散热方案，并进行了相关试验和分析。从而为降低产品温升，提高系统工作性能提供设计参考。

隔离开关；温升；工作电流；成套设备

0 引言

随着中国世界化进程的飞速发展，国民经济飞速发展，低压配电产品运用的越来越多。人们对低压配电产品的要求越来越高，尤其是运行的安全性和可靠性。隔离开关作为各种低压成套产品的主要部件之一，广泛运用于工业、商业及民用等领域，其稳定性对保持整个电网持续、可靠供电起着至关重要的作用。

隔离开关主要是承载一定的工作电流，并能满足隔离要求的一种开关，是低压成套设备的主要元器件之一。温升是低压成套设备考核的重要指标。在实际认证过程中，成套设备的关键器件隔离开关的进出线端子的温升，时常会超出限值要求，造成实验失败。对整个柜体而言，发热会引起整个柜体环境温度上升。过高的温度会导致材料的物理性能和化学性能下降，引起产品机械强度和电气绝缘性能下降、系统故障频发，甚至会导致着火等严重事故，造成生命和财产损失。因此，对成套柜的散热技术进行研究，特别是隔离开关的散热技术研究很有必要。

本文针对低压成套配电柜中常用的隔离开关温升试验的影响因素进行了分析，提出了较为合理的散热方案并进行了实验验证，有效改善了温升指标，提高整个系统性能。

1 影响温升的因素分析

温升是影响产品寿命和可靠性的重要因素，了解造成温升过高的因素，对进行产品设计和改进都有较为重要的意义。影响成套设备中隔离开关温升的主要因素有以下几点。

1.1 产品自身的问题

隔离开关主要由动触头、静触头、安装底座、接线端子等组成。在实际设计时，在满足标准要求的前提下，部分生产厂家为了提高经济效益，往往会减少产品的铜排规格。以最常用的HR17-630A为例，GB14048.1—2012《低压开关设备和控制设备第1部分：总则》[1]表11中规定铜排规格为400mm2（40×5×2），而市场上所常见的几种隔离开关的铜排尺寸为180mm2（30mm×3mm×2）、240mm2（40mm×3mm×2），有的甚至是150mm2（30mm×5mm），与标准要求相差甚远。由于工艺设计等问题，本来设计的是线接触，但实际是点接触，造成实际接触面积过少。同时，国内的隔离开关生产厂家并不是很重视隔离开关的设计与制造，产品普遍存在抗防锈、防尘及防腐蚀性能较差的情况。这些缺陷易引起产品触头腐蚀及夹紧弹簧遭到腐蚀（会造成导电面夹紧力不足）等问题。触头腐蚀和夹紧力不足会引起产品的载流能力下降，加剧产品回路发热，易造成实际运行时故障频发。

1.2 成套制造商的设计问题

隔离开关等元器件其设计和试验都是根据各自相关标准（例如隔离开关标准就是根据GB14048.3—2008《低压开关设备和控制设备第3部分：开关、隔离器、隔离开关以及熔断器组合电器》[2]，由于标准中很少提及降额等参数要求，因此，很少厂家能够提供足够的详细的载流量与环境温度、载流量与海拔高度、降额要求等技术参数。同时，成套设备厂家由于人员配置有限、资料不足、经验缺乏及试验环境不足等原因，在设计时往往按照经验选取低压元器件产品和连接铜排，并未考虑海拔、降容等实际使用要求，也未严格按照标准选取相关铜排，更没有进行系统设计、仿真及试验等。这就造成了在实际使用及认证中，成套产品内部的元器件指标往往达不到预期的设计目标。

1.3 产品使用环境限制

隔离开关等元器件主要安装在低压成套配电柜内部，其使用环境较为密闭。如低压综合配电箱（JP柜）等成套柜一般安装在户外，其防护等级会达到IP44以上，其密闭性更高，这就加剧了整个柜体内部散热不畅，造成使用环境温度上升（根据实际试验经验，柜内环境温度一般会比环境温度高25℃左右）。GB14048.X规定元器件的温升试验温度一般为10~40℃，当应用在成套柜中的元件产品其使用环境温度也因此会上升到50℃以上，甚至达到65℃等。过高的使用环境温度会造成隔离开关的载流量降低，这也就需要成套厂家在设计产品时考虑降容。而成套制造商由于资料缺乏等原因，并未考虑产品的降容使用要求。同时，由于使用环境温度的上升，产品的接触面与触头等表面氧化速度会加快，接触电阻也较自由使用环境上升快，整个产品损耗也会随之上升，进而加剧隔离开关温升上升。

1.4 试验环境的差异

隔离开关试验依据的标准是GB14048.3—2008《低压开关设备和控制设备第3部分：开关、隔离器、隔离开关以及熔断器组合电器》，而低压成套柜依据的标准是GB7251.1—2013《低压成套开关设备和控制设备第一部分：总则》[3]，其连接导线或铜排的规格要求基本一致。单个隔离开关在试验时，进线端和出线端采用的均是标准铜排或导线，试验环境为自由空气；但隔离开关应用在柜体中时，进线端使用的是标准铜排或导线，而出线端采用的则是柜体内部铜排或导线，其规格和长度基本都小于标准要求，且试验环境为密闭空气。这些环境因素导致隔离开关产品在开关柜中应用时散热不畅，易造成温升超标。

1.5 产品载流部件特性限制

成套柜中的隔离开关在实际工作时，其产生的损耗主要有电阻损耗、铁磁损耗等，在产品设计定型之后，隔离开关应用在成套配电柜中时，主要的影响因素是电阻损耗。电阻工作时的功耗为：

式中：P损为开关本体的阻性损耗；I为通过导体的电流；R为主回路电阻值；L为主回路导体长度；S为主回路导体面积；α为电阻温度系数；ρ为在T时的电阻率；ρo为在0℃时的电阻率；T为温度。

应用在成套柜中的隔离开关，其主回路采用的主要载流部件的主要成分是铜、黄铜、铁等，其电阻温度系数一般为正，例如最常用的铜电阻温度系数是0.00393/℃ ，其在50℃时的电阻率约为25℃时的1.1倍，电阻也会相应增大，在通过相同电流情况下，其电阻损耗也会显著增长。电阻损耗主要以热量形式散失掉。电阻损耗增大，也自然会带来温升的上升。

以上种种原因，造成了单体的隔离开关虽符合相关标准要求，而应用在成套柜中却超标，无法满足标准要求的现象。

2 散热技术及散热试验方案

散热的目的是对成套设备的实际运行温度进行控制，以降低设备温度，提高整个系统工作的稳定性与可靠性。降低成套柜产品的整体温升的主要途径为减少产品自身的发热量和增强系统散热能力。下面就目前常用的散热技术进行叙述，并由此进行试验方案的设计。

2.1 散热技术

常见的散热技术主要有以下几种[4-5]：

2.1.1 自然对流散热

自然对流散热是一种常用的散热方式，其主要用在器件发热的热流密度不大的场合，此种散热方式通过柜体的空隙及机壳的热辐射、热传导和对流来实现散热的目的。该种散热方法的优点是外形结构简单，成本相对较低，稳定性高。缺点是热阻大，导热能力低，散热效率相对较差。

2.1.2 热管技术

热管技术起源于20世纪60年代，并在70年代得到了广泛应用。热管按结构形式区分可分为：普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等，其主要工作原理为：一般热管内部被抽成负压状态，并在其内部冲入适当的沸点低、易挥发的工作介质。热管有两端：热端和冷端。当热管的热端受热时，毛细管中的液体介质会迅速蒸发，在压力作用下流向冷端，并迅速散热变成液体。变成液态的冷却剂靠毛细力的作用流回热段，完成一个循环。如此循环往复，热量由热管传至冷端，完成散热过程。热管散热的优势很多，如导热速度快，散热效率高，单位散热密度高等，但其也存在制作工艺复杂，价格一般比较高，产品耐老化及耐振动性能差等缺点。

2.1.3 强迫风冷散热技术

强迫风冷方式主要采用的是对流换热，其依靠风扇等使元器件周围的空气发生流动，从而将器件发出的热量带走，从而达到降温的目的。这种散热方式在热密度大于0.155W/cm2的场合应用较多。其相比普通的自然对流散热方式，具有散热效率相对较高（一般可达到自然对流散热方式的8~10倍），且成本相对较低。但此类散热方式由于需要增加风机等散热器件，噪声大，可靠性相对较低。

2.1.4 液冷散热技术

液冷技术也属于强迫冷却方式的一种，有直接冷却和间接冷却两种方式。直接冷却即液体与器件直接接触，由冷却液直接将热量带走。间接冷却是利用液体冷却剂通过中间媒介与器件接触，热量通过中间冷却液传导到液体中带走。该种散热方式具有散热效率高，降温速度快，成本相对适中。但也存在维护难度高，受制于冷却液的冷却效率，对冷却液的效率和流动性要求高等缺点。

2.2 散热技术方案及试验

考虑到成套开关柜的成本限制以及元器件使用的通用性，本次实验方案暂不考虑液冷散热方式和热管散热方式，也不考虑改变元器件原设计、产品结构及更换壳架等级更高的产品等方法，而是制定了较为通用的方案，并在此基础上进行试验，以解决目前存在的问题。本文采用的试验方案有如下几种：散热器法（自然散热法），元件接线端子面积增大法（自然散热法），强迫风冷法。

本实验采用具有代表性的试品HR17-630A，并安装于常见的低压综合配电箱（JP柜）中，实验条件如下[6-7]：

1）温升试验的温度测量点位置相同，且热电偶固定方式采用焊接埋入法；

2）进线母排尺寸为：每相：（40mm×5mm×2根）×2m；

3）温度采集采用工控机+Agilent 34970A以1min/次的速率连续采集；

4）各相电流基本平衡，每相电流应控制在±5%的允差范围内。

2.2.1 散热器直接散热法

自然对流散热法由于其较低的成本，且稳定性相对较高，是比较经典的散热方法。本文涉及到的元器件电流密度并不是很大，因此本方案采用了较为常用的肋片散热器。为了增强散热器和接线端子的热传导性能，在散热器和接线端子之间采用热学钢网覆盖并匀力涂抹道康宁硅脂，其布置图如图1所示。

图1 散热器法散热布置图

按照相关标准，进行试验，温升实验数据报告如表1所示。

采用外置散热器方案，加快了接线端子和外部的导热速度，可以增大端子的散热速率。从试验结果上来讲，肋片散热方式对隔离开关散热有一定的改善作用，但其散热效果受散热片面积、体积等约束，应选择合适的散热片以达到理想效果。

表1 配电柜中隔离开关接线端子的温升（外置散热器法）

2.2.2 接线端子面积增大法

由于企业在设计产品时，企业为了节约成本，往往减少产品的端子面积，与标准要求相比有一定差距。为了较少产热，增大散热效率，设计了人为增大接触导体面积。由于整个接触面积变大，也就相应增大了接线端子和自由空气的接触面积，加快了接线端子的散热速率，能适当降低导体的温升。其温升试验结果如表2所示。

表2 配电柜中隔离开关接线端子的温升（增大导体面积法）

采用增大导体散热面积方案，也可以适当加大接线端子面积，能在一定程度上加快接线端子和外部自由空气的导热速率。从试验结果上来看，该散热方式对隔离开关散热有一定改善作用，但改善有限，要达到标准要求，还需要进一步改进与提升。在设计连接铜排的时候，加工过程往往需用到非标铜排及线切割工艺等，要付出的成本也相对较高。

2.2.3 强迫风冷散热法

强迫风冷散热法是采用风扇等部件，依靠风扇自身的导流作用，通过空气间冷热空气之间的热交换，将归体内的热量带走，从而降低柜体的整体内部温度以及各部件温升。风扇的总类主要有两类：一类为轴流风机，另一类为离心风机。结合本应用环境，采用离心风机安装于柜体底部，并在主要温升监控点上安装温控开关（须涂抹导热硅脂和导热绝缘垫片），其动作温度设为80℃，各个温升开关之间并联。当控制点温度达到80℃时，风机控制回路导通，风机开始工作，将柜体内的热空气抽走，同时将外部的冷空气导入。通过采用合适功率的风机并配以风道，端子温度基本控制在合理的要求范围内。

强迫风冷散热法具有散热效率高，散热速率快的特点。经试验，散热风机功率越大，散热效果也就越好。但该种散热方式存在能量消耗，且散热效果、长久工作可靠性与稳定性都与风机有直接关系。另外，采用强迫风冷的散热方式还需要进行风道设计，并且要注意防护等级的设计要求。