KYN28型配电柜的结构改造及温升控制试验研究

陈 成

（无锡科技职业学院，江苏 无锡214028）

0 引言

KYN28型中置式铠装配电柜是配电柜市场上一种典型的高压开关设备，它可以配置ABB公司生产的VD4、国内各厂家生产的VS1（ZN73）、GE公司生产的VB2等多种型号的真空断路器以及C3系列的固定负荷开关。KYN28型配电柜是我国高压配电柜行业的主导设备，它具有体积小巧、外形美观、结构刚性好，检修方便，互换性好等特点。

近年来，随着中压输配电开关设备的大容量、大电流趋势发展，用电负载不断增大，由于工作产生过热而引发设备故障的现象，已经成为我国高压配电柜行业面临的主要技术问题。

配电柜中的热源主要由各种电阻产生，柜内发热功率高于散热功率，想要降低配电柜的发热功率，主要还是从怎样减小各种电阻和减小邻近效应、集肤效应对电阻的影响，但仅仅依靠降低配电柜发热来控制配电柜的温升是远远不够的，从目前的技术水平看，减小接触电阻的手段非常有限，并且成本高，因此还必须考虑改善配电柜的散热条件，散热最有效的手段就是强制风冷。笔者结合企业实际工作经历，从改善配电柜散热条件方面来讨论如何进行配电柜的温升控制。

对比改造前的配电柜结构，从增加柜体散热面积和增加通风口面积、增加强制风冷方式和柜内风道冷却方式、改进静触头设计及靠近热源处材料涂覆黑色电泳漆等几方面进行KYN28型配电柜的结构改造设计。

1 增加柜体散热面积和通风口面积

工程上热对流散热功率Py，一般计算公式：

其中：Py表示对流散热功率；SC表示柜体散热面积；ΔTS表示外界空气与散热面的温度差。

工程上热辐射散热功率Pr，一般计算公式：

其中：Pr表示柜体散热功率；ε表示柜体表面辐射系数；Tm表示允许温升；ΔTs同上；Sr表示柜体辐射表面积。

根据以上两个式子可知，增加柜体散热面积是减少配电柜散热的关键，一般来说配电柜的柜顶、前面和后面是主要散热面，由于配电柜结构特征，很难改动和提高这三个主要散热面面积，可以考虑把不能散热的两侧改进成可以散热，以此来提高散热面积。

企业放置大电流配电柜时，可以在并排安装的配电柜左右两侧与其它配电柜间距约0.2 m距离，基于美观和安全，可以在空隙处前面和后面安装封板，柜顶不封，保证空气流通，以此增加柜体两侧散热面积[1]。

1.1 柜体自然通风下散热计算

配电柜通风口处自然对流的散热功率，一般计算公式为：Pv=CPρ（gH/Tm）× 103。

其中：CP表示空气主压比热；ρ表示空气密度；g表示重力加速度；H表示吸排气口高度差；Tm表示许用温升；ΔTa表示柜体内部空气温升值；Ae表示吸排气等效面积；A1、A2表示吸气口、排气口面积；K1、K2表示吸气口、排气口局部阻力系数。

1.2 柜体发热功率计算

配电柜中由于采用各种措施控制感应发热，所以PC磁感应的热功率可以忽略。电流互感器采用穿心式电流互感器，其发热同样可以忽略，因此配电柜内实际发热功率为

其中：PT表示导体电阻；PT表示接触电阻；PD表示断路器内部电阻。

根据电阻与发热功率的关系，又可以表示为PZ=I2（RT+RJ+RD）。

由此可知，改善柜体散热情况可通过增大通风口面积来实现。可以改进柜体原先的吸、排气口（孔口面积0.05 m2）中吸气口孔口面积增至0.08 m2，排气口孔口面积不能再变，以此增大通风口面积，提升散热效果。

2 强制风冷方式与柜体风道设计

同等情况下，强制对流降温效果是自然散热的3～8倍，因此可以采用强制风冷来有效降低温升[2]。

强制风冷送风量的一般计算公式：

其中：V表示强制送风量；Pq表示散热功率；CP、ρ、ΔTa同上；ξ表示通风口阻力系数。

柜体后上盖板安装330（m3/h）送风量150FZY2-D型号轴流风机2只；母线室选用安装于盖板左右侧面的150FZY2-D型号轴流风机2只；气道上方选用安装于盖板前面的150FZY2-D型号轴流风机2只；前柜选用安装于断路器室底部，2 250（m3/h）送风量GFD850-155型号横流风机1只，并且使得出风口直接对准断路器框架。

风道冷却可以科学控制气流，改善散热效果，规定气流流通路径，并合理分配气流至各单元与组件，同时可以减低冷空气输送阻力，避免被大型元件阻塞而造成风量损耗，基于此种原因，设计了风道冷却方式。

首先在横流风机上部开设小室，设计隔板尺寸减小至小室口，迫使送风量都在风道内流动，气道顶端设置三个轴流风机，柜体前下门设置密小网孔，构成针对真空断路器和触头盒进行散热的气流路径。

由于母排全部集中于后柜，后柜发热量较大。同样在柜体后柜下端和母线室后隔板上设置密小网孔，安装轴流风机于母线室上端和后上覆板处，促使气流b和气流c相互对流。通过对主母排的快速风冷，使触头盒内热量通过母排更快散热，这在金属传导中也是散热效率最高的。

3 静触头的改进设计

触头盒内由于发热量高，空间狭小，散热困难，最容易达到和超过温升规定范围，因此必须优化静触头结构。改进前母线和柜体底部可视接触部分为铜管截面，面积很小，改进后采用整体式结构，由铜棒加工而成，这样可增大母线和柜体底部接触面积，减小阻值。柜体底部采用槽型结构，以此增大静触头散热面积，提升散热效率。由于内部聚集的热空气温度很高，为方便此部分热空气对流散热，在静触头上、下部分别设计改造加工3×φ7 mm小孔。试验证明，通过在上、下部各开三个小孔，既提高了静触头散热效率，又不影响静触头强度。为节约成本，可先用铜坯锻造粗毛坯，后精加工成静触头的工艺方法，如图1所示。

图1 静触头改进后示意图

4 靠近热源处材料涂覆黑色电泳漆

在靠近热源处材料涂覆黑色电泳漆，可以合理提升热量辐射系数，改善柜内散热效果。在柜体内靠近热源处隔板与侧板处涂覆黑色电泳漆，在靠近热源处的安装触头盒中间隔板、互感器安装板、母线室与电缆室隔板等位置处同样涂覆黑色电泳漆，并通过传导到柜体进行散热，起到较好的降温效果。涂覆黑色电泳漆情况如图2企业现场实际拍摄所示。

图2 材料发黑处理的位置

5 改进前后温升试验数据对比

在工程设计中，对改进措施是否有效的最好检验手段就是做温升试验[3]。

5.1 温升试验方案

温升试验采用SLQ-82大电流发生器，温升试验环境应尽可能模拟现场环境，并且要在最恶劣的环境中进行：

1）环境温度14℃；

2）周围风速不大于0.5 m/s；

3）试验电流4 000 A；

4）铜排规格三根10×120 mm2；

5）如果实测温升在1 h内的温升增加不超过1 K就认为温升达到稳定状态。

6）配电柜两侧边屛应安装在柜上，防止来自外部的过度加热和冷却。

在温升试验方案中，需要对配电柜中以下部位进行温升检测：主母排本体、主母排的联接处、断路器静触头、断路器梅花触头、断路器触臂、断路器内部联接处。根据规定，以上位置是配电柜在运行时最容易发生局部过热的部位，尤其是动静触头联结处和断路器内部联结处。由于这两处位置接触电阻较大，并且空间狭小和对流条件差，运行中最容易发生过热故障[4]。因此在试验中必须把这些易发热的部位挑选出来，并对其进行检测，了解在运行过程中温升的实际数据，对这些数据进行分析、比较，从而找出柜内真正的发热点，有助于对过热故障的解决。

5.2 改进前后温升试验具体情况比较

配电柜改进前的结构，在后覆板上加了三个型号为150FZY2-D轴流风机，前下门和后下门上都开了通风孔，通风口处焊滤网，柜顶上四周加散热孔，梅花触头和静触头都采用镀厚银，采用穿心式互感器。该设计虽然考虑了柜体的散热，如强迫风冷、开散热孔，但许多措施没有实施到位：

首先，只在后柜采用强迫风冷，忽略了前柜散热，前后柜之间几乎是密闭的，热空气无法进行对流，触头盒内和断路器室内的散热条件没有得到改善，因此单在后柜进行强迫风冷是不够的。

其次，前后门上的散热面积太小，因为考虑到配电柜防护等级要求，所以在通风处焊空气滤网，其孔径小于1 mm，因此对流的局部损失系数很大。

最后，动静触头配合处的接触电阻大，静触头的结构不合理使此处温度相对较高，并且在设计中主回路增加了了一处接触电阻，增加了配电柜的发热功率。

通过温升试验，我们感觉改进前的结构设计是有缺陷的，柜内各处的温升都超过标准规定要求，柜内热量较高，容易引发事故。

配电柜改进后，在结构设计上，将150FZY2-D型号轴流风机分别安装于上盖板（2只），母线室（左右各一只），气道上方（2只）；将GFD850-155型号横流风机安装于柜体前柜断路器室底端（1只），风机出风口直吹断路器框架：静触头采用图1结构，并且梅花触头和静触头都采用镀厚银；采用穿心式电流互感器。前后门的散热面积扩大；水平母线后隔板开散热孔，使电缆室和母线室热空气可以对流。

通过温升试验，可以看出以上结构改进措施是富有成效的，配电柜内各处的温升，尤其是触头盒内的温度都比原先改进前降低许多，并且都符合标准规定要求。

6 结束语

虽然温升试验是检验配电柜温升的唯一手段，并且在测试中尽量模拟现场环境，但也有其局限性。样柜是单台试验，样柜的两侧都可以散热，而实际运行中配电柜并不是单台排列的，两侧还有其他柜，这些柜也同样需要散热，因此真正可以散热的只有配电柜顶部、正面和背面共三个散热面；配电柜的温升还与当地环境（如温度、湿度、空气中的粉尘）有密切联系，环境差，形成的接触电阻就越大，配电柜的发热功率也就越大。现场的实际温升数据和试验数据是有差别的，实际温升数据要高于试验数据，实际温升数据收集需在以后的工作中不断积累，以此作为对配电柜调整、改良的依据。