12 kV 干燥空气气体绝缘开关柜热分析及优化

赵 婧，杨长洲 ，徐 敏，肖 松

(厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024)

中压开关柜是配电系统的重要组成部分，随着人们对环保问题的日益重视，干燥空气气体绝缘开关柜成为一种发展趋势[1]。除环保性能外，中压开关柜的热性能关系到整个开关柜能否正常工作和长期使用。当开关柜运行电流过大、安装工艺不完善或者设计存在一定缺陷时，容易造成开关柜的温升超标，进而直接影响开关柜的安全稳定运行[2-4]。目前，不少高校和企业研究人员对气体绝缘开关柜做了相关的研究。张俊民等[5]对27.5 kV GIS开关柜母线室建立了传导、对流和辐射换热相互耦合的数学模型，得到了母线室内的三维温度场与气流场的分布;程显等[6-7]对SF6和N2混合气体开关柜进行仿真计算，当通入1.1倍额定电流时开关柜温升在国标规定范围内，可知SF6混合气体一定程度上可满足开关柜散热的需求。以上研究主要研究对象为SF6或SF6与环保气体的混合气体,以纯环保气体为充气介质的研究鲜见。鉴于此，本文研究以干燥空气作为绝缘介质，建立GIS开关柜耦合传热的数学建模，在同尺寸、同气压的条件下，对比开关柜内充干燥空气和SF6气体时的三维稳态温度和流场分布，并通过温升试验对关键部位测量点进行验证，在不改变柜体尺寸的前提下，提出干燥空气开关柜的优化方法，为干燥空气开关柜散热研究提供有益借鉴。

1 开关柜建模及热源计算

开关柜内主要由母线室、断路器室、电缆室组成。气体绝缘开关柜在自然对流条件下以开关柜整柜和柜外空气域为研究对象，整柜模型使用Comsol/Flow软件计算，在通入交流电流有效值1 250 A条件下，仿真计算开关柜达到稳定状态时的温度场和气流场分布情况。开关柜的环境温度为20 ℃，采用层流和湍流的流动类型，两种气体充气压力均为0.13 MPa。网格采用四面体网格划分和局部加密的方法。开关柜材料的物理参数如表1所示。

表1 开关柜材料物理参数

传热方式可分为热传导、热对流和热辐射，工程上又将热传递称为散热。通常必须采用合适的散热方式，确保开关柜的温升不超过其最高允许温升[8]。对功率值计算时须充分考虑集肤效应、邻近效应、温度对电阻率的影响等[9-12]各种因素对功率值的影响，使计算接近实际值。发热功率计算公式为

PR=KfI2R。

(1)

式(1)中：PR为损耗功率，单位W；Kf为附加损耗系数，即交变电流集肤效应和邻近效应对电阻影响的系数；I为通过导体的电流，单位A；R为导体直流电阻，单位Ω。

导体直流电阻R计算公式为

R=ρl/S。

(2)

式(2)中：ρ为导体电阻率，单位m·Ω；l为导体长度，单位m；S为导体截面积，单位m2。

2 开关柜热分析

2.1 自然对流条件下的温度场和流场分析

图1 不同气体开关柜温度分布图

充气不同的开关柜温度场分布如图1所示。由图1可知，在同等条件下(柜体尺寸、充气压力相同)，充有干燥空气的气室温度比SF6气体高12 ℃，温度较高部分主要集中在三工位刀器组件和真空断路器处，温度为100 ℃左右，温升可达80 K，超过了国家规定的允许标准温升，开关柜内滑动连接处最高温升不超过65 K，螺栓连接处最高温升不超过75 K[13]。相比干燥空气，虽然SF6的热导率不高，发热体一部分热量通过与相邻绝缘件热传导传热，但大部分热量通过对流换热与柜内气体进行热量交换，气体流动携带热量转移，SF6分子重量大、直径大，比热大，对流传热优于干燥空气，易于带走柜内的热量，这样使得SF6充气柜温度分布更均匀，且温度梯度小， SF6充气室内最高温度差为22 ℃，综合考虑热传导和热对流的影响，SF6气体的传热能力优于干燥空气，因此干燥空气的温度比SF6高，整体温度高12 K左右。

图2 不同气体开关柜流场分布图

不同气体在开关柜内部流场分布如图2所示。由图2可以看出，流场在不同位置的分布不同。图2(a)和(b)的对比可以看出，载流回路发热使气体升温，靠近载流回路处气体温度最高，温度高的气体不断上升流向温度低的区域，气体到达上壁面后，气体与壁面的温差使气体在靠近壁面的两侧沿着壁面向下流动，到达底部再一次形成回流向上流动，而部分被开关柜和气室壁面阻塞的气流形成短距离的回流流动。图2(a)中，开关柜流场颜色分布更深、流速箭头更密更集中。对于气体来说，传热效应主要体现在对流传热，分子的扩散运动携带热量产生的自然对流传热作用更加明显，SF6气体依靠与相邻固体表面的气体局部温度升高而膨胀向外扩散或流动。对流传热能力与分子比热有关，即气体分子升高1 K所需要的热量的能力，气体分子温度升高时吸收的热量随着分子运动扩散到别处。在相同充气压力下，SF6分子的比热容大于干燥空气，因此对流散热能力远大于干燥空气。

2.2 温升试验

图3 温升试验装置

图4 测量点位置

温升试验[14-15]的目的是验证开关柜具有的载流能力，考核开关柜带电运行的实际温升。温升试验标准参考GB/T 11022-2011 高压开关柜和控制柜标准的共用技术要求。温升试验装置图如图3所示，其中开关柜的顶面、底面、左右面与外界空气直接接触，前后面柜子装有厚度为30 mm的泡沫模拟开关柜的实际并柜运行情况。温升测量一般使用性能优异的T型热电偶，测量柜内10个关键点的温升，开关柜内10个点位置如图4所示。随着通电时间的增加，各测试点温度增大，当所有测试点的温升变化不超过1 K时，认为试验完成。各点温升值为测量点的温度减去环境温度数值。

图5 SF6与干燥空气开关柜关键点温度的仿真结果

SF6气体与干燥空气开关柜关键点仿真温度对比如图5所示，仿真温度根据图1的仿真结果及图4关键点位置综合得到，选取关键点温度与试验值对比。由图5可以看出，充气介质为干燥空气时柜内平均温度高出SF6气体12 K左右。试验结果为12.3 K，仿真结果与试验结果一致。干燥空气开关柜温升超出了国标允许温升，因此，干燥空气的开关柜在满足环保的要求时，须进一步优化和改进从而满足散热要求。

各点温升实测值和仿真值对比如图6所示。图6(a)除了断路器出线端测量误差在3.2 K，其他测量点误差在3 K以内，图6(b)各测量点误差都在3 K以内，误差符合工程实际需求，温度高的点主要集中在三工位开关和断路器处，说明仿真计算的准确性，也证实了从系统角度分析开关柜整柜热性能的可行性。

图6 2种不同气体开关柜关键点温升实测值和仿真值

3 干燥空气气体绝缘开关柜的优化

在壳体、导体表面喷涂黑漆，发射系数提高至0.95，开关柜整柜温度降低了8 K，但温升还是超过国标温升，进一步添加主回路散热器和增大导体截面积改变柜体结构。具体措施为： 1)增大导体截面积，三工位刀器、断路器上端母排、断路器下端母排、电缆出线截面积均增大5 mm；2)添加主回路散热器，三工位组件、断路器上端母排部分地方添加散热器。

开关柜结构优化前后的温度仿真对比结果如图7所示。开关柜的柜体大小保持不变，通过添加散热器等改变结构后整柜温度降低了13 K，改变结构后三工位组件和母排温度显著降低，断路器上端母排、三工位刀器、三工位旋转件连接处从最高温度97 ℃降低到74 ℃。开关柜最高温度在真空断路器处，因为真空断路器在真空环境下不能通过对流散热，断路器内真空泡的接触电阻最大，导致发热严重。总的来说，开关柜断路器室和电缆室温度大幅降低，断路器室三工位和上端母排处装设的散热器由于加快对流散热使得附近导体温度降低，容易带走载流主回路导体上端产生的热量，图7(c)(d)中，下端电缆增加了截面积致使发热量减小，导致电缆室温度降低。干燥空气开关柜改变结构后关键部位温度明显降低，各关键点温升在国家规定的标准温升范围内，同时温升和绝缘试验通过了验证，由此可知，改变结构对于干燥空气开关柜的优化是合理有效的。

图7 改变结构前后温度仿真对比

图8 改变结构前后流场仿真对比

开关柜构优化前后的流场对比如图8所示。对比图8(a)、(b)可知，加装散热器后的流速明显大于原始载流导体，各个气室的流速情况各不相同，气室最高流速可达0.71 m/s，断路器室的流速迅速增大，在严重发热的断路器上端母排和三工位组件处装设散热器，载流导体与周围的流体发生热对流，散热器同时带动流体吸收的热量向温度较低的柜体上方流动，冷热流体的交替最终使得气体温度趋于均匀。装设散热器后，流体流速增大，散热能力大幅提高，改进结构的开关柜对降低温升效果显著。

4 结论

1)在同尺寸、同气压且自然对流的条件下，开关柜内充气分别为SF6气体和干燥空气时，温升试验均与仿真结果相吻合，干燥空气开关柜整体温度比SF6气体开关柜高大约12 K。

2)为保证干燥空气开关柜满足温升试验标准，通过温度仿真，在不改变柜体大小的前提下，采取提高主回路导体和壳体表面的发射系数，添加主回路散热器等结构优化措施对开关柜进行了改进，改进后的干燥空气开关柜满足了国家标准要求。这些改进措施可为优化干燥空气开关柜提供有益借鉴。