大电流开关柜热管散热实验研究

薛继鹏,唐景春

(合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009)

大电流开关柜热管散热实验研究

薛继鹏,唐景春

(合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009)

作为重要输电设备的大电流开关柜,其关键部件静触头安装于树脂塑料触头盒内,空气对流空间狭小,散热效果较差,容易引发开关触头的过热、剧烈氧化和烧融等故障现象,给供电系统的安全性和可靠性带来隐患。为了强化开关柜静触头的散热,控制其温升达到国家相关行业标准的要求,文章以KYN44A-12大电流开关柜为研究对象,设计了3种形式的热管散热装置,安装于触头盒内以强化静触头的散热能力;利用光纤温度在线监测系统,对安装有热管的开关柜静触头温升进行了实验研究。实验结果表明,热管蒸发段的结构形式对开关柜静触头的散热有着重要的影响,采用蒸发段呈“L”形结构的热管换热器,散热效果明显,使开关柜母线室及电缆室内静触头的温升得到了有效控制。

热工学;开关柜;热管散热;实验测试

大电流开关柜是常见的输电设备,对电网的可靠性运行至关重要。

由于开关柜具有多种发热元器件,且柜内气流不畅,内部空气流动速度大约在0.2～0.3 m/s数量级[1],散热条件较差[2]。作为开关柜核心部件的静触头,由于安装在触头盒内,空气对流空间狭小,常常会发生过热、剧烈氧化和烧融等故障。尤其是在炎热的夏季[3],居民生活用电峰值和工业用电峰值相互叠加,触头温度可达上百摄氏度,超出国家行业标准中温升不能超过65 K的要求[4],给电网安全运行带来了隐患[5],不得不降低容量来保证关键零部件温升不超过国标温升上限,造成电网的维护成本增加。针对大电流开关柜散热问题的研究,主要集中于触头及母线温度在线监测和强化散热能力2个方面,关于温度在线监测的文献比较多,而关于强化散热能力的文献却较少。

文献[6]通过在静触头表面开散热孔,形成对流,达到降低温度的目的;文献[7]用有缝隙的金属棒代替普通的金属导体,增加导体与空气的接触面强化局部散热;文献[8]在开关柜静触头的外侧加贴铝合金散热片,增加导体散热面积,解决静触头散热不佳的情况;文献[9]采用在开关柜后面板上加装隔离式翅片热交换器,进行强化散热和温度在线监测的研究;文献[10]探讨了用一个外层是无氧铜管,内层是不锈钢管的水-重力热管在高压真空断路器中替代导电铜棒的可行性,在实现传热强化的同时实现了电阻的进一步减小。过高的触头温度会造成母线接触退化[11]以及电器设备的“温度8 ℃效应”[3]。

热管是一种高效的导热部件,安全可靠,具有较好的适应性和自复位性。本文以KYN44A-12开关柜为研究对象,设计3种蒸发段结构形式的热管散热装置,实验研究热管散热对大电流开关柜静触头温度控制的影响,以利于其在开关柜改造升级中的应用。

1 大电流开关柜热管设计

KYN44A-12开关柜的基本构造如图1所示。

试验测得KYN44A-12/T4000-40单个静触头的发热功率为175 W,以毛细极限作为热管散热能力计算式[12],即

(1)

(2)

其中,Qc，max为毛细极限;Aw为吸液芯横截面积;K为吸液芯渗透率;re为吸液芯毛细半径;le为热管蒸发段长度;Nl为工质品质因素;ρl、σl、L、μl分别为工作温度下液态工质的密度、液体表面张力、蒸发潜热、液体动力黏度。

通过对热管的毛细泵力、工质的品质因素、吸液芯渗透率、吸液芯横截面积、携带极限、声速极限、沸腾极限等性能参数进行计算,根据KYN44A-12开关柜的内部结构,设计了3种形式的热管换热器。

3种热管换热器的具体结构如图2所示。

1.继电器室 2.断路器 3.断路器手车室 4.前下室 5.鼓风机 6.电缆室 7.后下门 8.电流互感器 9.下桩铜排 10.触头盒 11.后上门 12.静触头 13.引风机1 14.上桩铜排 15.母线室 16.引风机2 17.引风机3图1 开关柜内部结构

(a) 热管换热器Ⅰ (b) 热管换热器Ⅱ (c) 热管换热器Ⅲ图2 热管换热器

热管换热器Ⅰ用于开关柜母线室静触头散热,为保证绝缘距离同时达到散热要求,采用了波浪形状开窗的不锈钢散热翅片,热管采用4根外径φ8、壁厚0.5 mm的铜-水-铜粉末烧结管芯结构,热管安装块为厚度20 mm的柱状紫铜,外径与铜排宽度相同,热管插入安装块的4个梯形通孔后采用高温锡焊固定。热管换热器Ⅱ和热管换热器Ⅲ的散热对象为开关柜的电缆室静触头,散热翅片类型和材质、热管基本尺寸、管芯类型、换热工质以及热管固定块均与热管换热器Ⅰ相同,区别之处在于热管换热器Ⅱ和Ⅲ的安装空间充足,采用的是平直翅片。热管换热器Ⅱ的蒸发段弯折呈“L”形,采用这种结构形式主要是因为电缆室每相回路均安装有电流互感器,“L”形的热管换热器Ⅱ安装时会与电流互感器发生干涉,使用热管换热器Ⅱ就必须先更换母线,调整互感器的安装位置,故热管换热器Ⅱ主要用于开关柜新产品开发和升级;而热管换热器Ⅲ是针对目前还在使用的存量开关柜量身设计的,现有开关柜安装热管换热器Ⅲ过程中不需要更换母线,换热器与互感器不发生位置干涉,但热管蒸发段弯折了4次,流动损失较大,换热效率下降,因此,换热器Ⅲ主要用于还在使用的存量开关柜改造。

在母线室的B相和C相开关静触头处分别安装热管换热器Ⅰ;在电缆室的B相开关静触头处安装热管换热器Ⅱ,C相开关静触头处安装热管换热器Ⅲ;为了对比分析开关静触头安装热管前、后的温度分布,母线室和电缆室的A相开关静触头均未安装热管换热器。

2 开关柜静触头温升实验

在开关柜温升实验系统中使用光纤在线测试技术实时测量开关静触头的温度。安装有热管换热器的触头测温点布置在热管蒸发段的管壁上,未安装热管换热器的触头测温点布置在靠近触头的铜排上。

(1) 实验工况1。试验电流3 650 A,不开风机,柜内封闭良好,环境温度22 ℃。工况1母线室触头温度和电缆室触头温度如图3所示。

图3 工况1母线室触头温度和电缆室触头温度

由图3可知,即使在不开风机的情况下,安装有热管的静触头也能实现降温,只是由于母线室空气封闭,气流不畅,降温幅度较小;电缆室B相和C相的温度差异较大,降温幅度超过10 ℃,这说明热管换热器Ⅱ换热效果明显;热管换热器Ⅲ由于经过数次弯折,换热能力损失较大,对比未安装热管换热器的A相静触头温度,其降温效果甚微。

(2) 实验工况2。试验电流3 900 A,不开风机,柜内封闭良好,环境温度22 ℃。

工况2母线室触头温度和电缆室触头温度如图4所示。

图4 工况2母线室触头温度和电缆室触头温度

由图4可知,实验工况2和实验工况1相比,由于试验电流从3 650 A增加到3 900 A,母线室和电缆室各相静触头温度普遍上升;安装热管换热器的静触头温度在整个实验过程中均低于未安装热管换热器的静触头温度,使用热管换热器Ⅲ的电缆室C相静触头与A相静触头相比,也实现了6 ℃的降温,这说明安装的热管换热器强化了开关柜静触头的散热降温。

(3) 实验工况3。试验电流4 000 A,实验开始后120 min时打开风机,柜内封闭良好,环境温度22 ℃。工况3母线室触头温度和电缆室触头温度如图5所示。

图5 工况3母线室触头温度和电缆室触头温度

由图5可知,在4 000 A的工作电流下,120 min时打开风机,各个静触头温度迅速降低,其中母线室静触头的降温速度比电缆室静触头的降温速度快,这说明加强空气对流可以更加有效地强化母线室散热能力,后续关于强化开关柜散热的研究应以改善母线室的气流组织、合理优化开关柜母线室风道为重点,即强化热管冷凝段的散热。

(4) 实验工况4。试验电流4 000 A,不开风机,柜顶风机拆除,前下门打开,通过断路器支撑板开口进风,环境温度25 ℃。

工况4母线室触头温度和电缆室触头温度如图6所示。

图6 工况4母线室触头温度和电缆室触头温度

由图6可知,打开开关柜前下门,通过断路器支撑板开口进风后,各个静触头测试温度全部升高,这是由于散热方式由实验工况3强制对流散热转变为自然对流散热,柜内空气流动速度变低;其次,断路器支撑板开口面积不大,且为长椭圆形结构,空气流动时会产生较大的阻力损失。但与实验工况2相比,从断路器支撑板开口进风改善了母线室的气流组织,使得热管的换热效果有较大的提升。

3 结 论

本文根据实验结果,得出如下结论:

(1) 热管换热器Ⅲ由于蒸发段经过多次弯折,热管工质的流动阻力损失较大,换热效果不佳,在不使用风机散热的大电流开关柜中,不宜采用。

(2) 热管换热器Ⅱ的蒸发段弯折呈“L”形,安装于电缆室B相静触头处,在开风机和不开风机的情况下散热效果均非常明显,在新产品的研发中应该推广使用。

(3) 可以采用热管换热器Ⅰ和Ⅲ组合来对现有的开关柜产品进行散热改造,母线室只需要加装热管换热器Ⅰ,电缆室加装热管换热器Ⅲ。虽然与热管换热器Ⅱ相比,散热性能略差,但无需更换和移动铜排的位置,可降低改造成本;若能接受更换母线的成本,电缆室也可以使用热管换热器Ⅱ,这能为未来电力需求增加、进一步提高开关柜通流能力奠定基础,同时增大开关柜的热安全裕度。

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Experimentalstudyofthermaldissipationoflargecurrentswitchgearwithheatpipe

XUE Jipeng，TANG Jingchun

(School of Automobile and Traffic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Large current switchgear is the vital electric transmission device. Being the contacts installed in the resin contact-boxes, the condition of narrow air convection space and abominable thermal dissipation leads to overheating, vigorous oxidation and burn melt fault frequently, and that makes a huge threat to the security and reliability of the power supply system. Based on the purpose of enhancing its cooling efficiency and making the temperature rise reduced, the KYN44A-12 switchgear was set as the research object and three types of heat-pipe exchangers were designed and installed in the contact-boxes. And then the experimental tests on the temperature rise of contacts were taken with the help of optical fiber online temperature monitoring system. The experimental results showed that the form of the structure of heat pipe was fatal to contacts thermal dissipation and the exchanger with L-type evaporation zone had a good effect. Finally, the temperature rise of contacts had been controlled effectively.

pyrology; switchgear; heat pipe heat dissipation; experimental test

2015-07-30；

2015-09-21

合肥工业大学产学研校企合作资助项目(K-GD2014-0767)

薛继鹏(1989-),男,甘肃泾川人,合肥工业大学硕士生;

唐景春(1966-),男,安徽巢湖人,博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师，通讯作者，E-mail:tangjch@126.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.11.007

TB657.5

A

1003-5060(2017)11-1474-05

(责任编辑 胡亚敏)