浅谈低压开关柜的温升

2019-11-30陈家旺

科技与创新 2019年23期

关键词：桩头温升对流

陈家旺

浅谈低压开关柜的温升

陈家旺

（厦门华电开关有限公司，福建厦门 361000）

随着电网的发展和设备技术的提高，开关柜在电网中已大量使用。通过讨论温升的定义，指出了开关柜发热的原因，并分析了如何有效改善开关柜温升的措施。

开关柜；温升；环境温度；改善措施

1 温升的定义

温升是指开关柜中的各个部件高出环境温度。开关柜在通电后产生电流热效应，随着时间的推移，开关柜中各个部件的温度不断上升直至稳定，此时测得开关柜各个部件表面的温度为最终温度，温度的单位为℃。上升的温度中超过周围空气的温度（环境温度）的这一部分温度称为温升。有些关于温升方面的文章中，经常把温升的单位写成℃，单位用摄氏度（℃）来表示温升是不妥当的，温升的单位应为开氏度（K）。温升用公式表示为：

=2－1（1）

式（1）中：为温升；1为环境温度，室温不允许超过40 ℃；2为开关柜各部件发热状态下的温度。

温升极限值是指不造成开关柜的载流部件和/或相邻部件损坏的最高温升值，与开关柜的载流导体及其包覆绝缘材料、支撑绝缘材料的允许工作温度有关。

2 引起开关柜发热的有关因素分析

开关柜温度升高的过程就是各个部件发热的过程。开关柜在正常的工作情况下，由于各种损耗造成各部件的发热，开关柜的损耗主要有电阻损耗、涡流损耗。

2.1 电阻损耗

开关柜的载流部件在正常工作情况下，通过不超过额定值的电流，而在电流流过的回路上必然存在着一定的回路电阻，因此在此电阻上会产生损耗，这就是电阻损耗。开关柜的载流部件主要就是各电器元件和导体，这些部件与电源和负载连接在一起，形成了电流回路。回路电阻损耗主要包括：电器元件本身的电阻损耗，导体的电阻损耗，还有就是所有连接处的接触电阻损耗。

2.2 涡流损耗

开关柜的损耗除了以上的各种电阻损耗外，还存在着极易被忽视的涡流损耗。导体在磁场不均匀的环境中移动，自身产生的能量消耗指的是涡流损耗，在自身运动过程中出现的闭合电流称为涡流。对于开关柜来讲，此处的导体指的是有较高磁导率和电导率的铁构件。

开关柜在正常工作时，主回路和各分支回路都会通电流，在每一相回路的周围会存在电磁场。各个回路的走向不同，电流大小不同，在整个开关柜内的电磁场错综复杂。传统的观念认为，把同一回路的三相从同一孔中穿过，总电流几乎为0，就可防止涡流出现。其实不尽然，要看这个孔是怎样的孔，如果是一个钢板上的孔，且回路的电流是与钢板垂直的方向穿过，是可以减小涡流的；但如果回路电流的流向是与钢构件平行的，当钢构件与导电回路距离较近时，仍然会在该钢构件上产生较大的涡流。

2.3 改善开关柜温升的措施

开关柜的温度变化基本上受到自身的发热效果和散热速度之间的影响，在进行温度改良和变化的过程中应当从两个方向着手：①减少电阻的损耗；②提升散热效率。

2.3.1 减少损耗

根据上述的分析，要减少损耗主要考虑减少电阻损耗和涡流损耗，故可采取以下措施。

2.3.1.1 减少电器元件本身的电阻

由于目前多数的开关柜厂家都是组装型工厂，即由采购电器元件、壳体、铜排等流程装配而成，因此，电器元件本身的电阻是开关柜厂家无法控制的。开关柜厂家只能是在电器元件选型时，选用具有一定规模的厂家生产的性能稳定、质量可靠的电器元件，严格控制合格供应商，靠供应商的质量保证体系来保证电器元件的产品质量。

2.3.1.2 减小导体电阻

导体选择合适的截面积，既要考虑到经济性，但又不能过小，应满足载流量要求；应当将导体的导电率加以控制，保证T2铜的导电率大于97%IACS；铜排加工时的折弯半径尽可能大，如果折弯半径过小，将造成加工处应力集中，引起电阻增大，同时还可能造成折弯破裂。

2.3.1.3 减少涡流损耗

载流导体穿越柜体时，导磁材料应三相共筒，否则应采用非导磁性材料。开关柜中常用的非导磁性材料有奥氏体不锈钢、铝及绝缘材料等。柜后的封板宜采用绝缘材料制作，柜后的框架宜采用奥氏体不锈钢制作，可减少柜体发热。固定母线框的螺栓可采用奥氏体不锈钢，或者改变固定方式，使得穿越螺栓的电磁场磁力线尽可能短，增大螺栓与导体的距离，这些措施可避免螺栓因涡流损耗发热。对于大电流开关柜（电流≥3 200 A），铜排搭接处用的紧固螺栓也应采用奥氏体不锈钢螺栓。开关柜中的某些隔板由于结构设计原因，避不开电磁场的影响，可在会形成涡流的部分采用插入缝隙增加阻力的方法来减小涡流损耗。

2.3.2 改善开关柜散热条件

开关柜的散热过程为：柜内电器元件发热并传导至载流导体。高温导体通过对流、辐射等方式向柜内空气及柜体散热。柜内空气通过对流向周围空气散热，柜体通过表面以对流和辐射等方式向周围空气散热。开关柜的散热方式主要有传导散热、对流散热和辐射散热，故为改善开关柜散热条件可采取以下措施。

2.3.2.1 改善传导散热

电器元件的桩头处是温度较高的地方，特别是大电流（6 300 A）的框架式断路器，其桩头处是温升试验考核的重点。因此，为尽快将断路器桩头处的热量散发出来，一方面要保证桩头处的导体连接符合产品说明书要求，保证合适的搭接面积和导体截面；另一方面，可考虑在桩头处加装散热装置。

2.3.2.2 改善对流散热

对流散热指的是物体表面与其他流体之间相接触，并且其中存在明显的温度差异状态下进行的传热现象。在开关柜的散热过程中对流散热是具有代表性的散热形式。

对流散热与热源的表面、热容、风道有关，因此，可采取如下措施：①增大导体的表面积。断路器桩头处的连接铜排可以采用2片5×100的铜排来替代1片10×100的铜排，截面积不变的情况下，两片铜排的表面积要比一片铜排大得多，散热条件更好。通常散热器都会设有很多翅片，其目的也是为了增加散热表面积。②开关柜内的铜排尽量设置为竖放，即铜排的长边与地面保持垂直。这样处理一方面可以保证铜排有更多的有效散热面积；另一方面，也更有利于开关柜柜内从下而上形成风道，提高对流散热的效率。特别是大电流框架式断路器电流为3 200 A 时，应考虑其接线桩头设置为垂直地面方向，这样对断路器桩头的温升改善有极大的帮助。③电器元件的布置要有利于对流散热，如塑壳断路器、接触器竖放要比横放散热好，圆柱式电容器的散热立着装要比卧着装好。④根据热空气上升的特性，可以在开关柜的上部开排气孔，下部开进气孔，并尽量增大进气孔与排气孔的高度差，使进气孔的面积与排气孔的面积相匹配，有利于开关柜内从下而上形成烟囱效应，加快对流散热。排气孔的设置应考虑不降低开关柜的防护等级。⑤通常开关柜为防止内部故障的扩散，会根据标准规定的内部分隔形式要求将开关柜内部分隔成几个不同的功能隔室。开关柜内必然会设置水平方向的隔板，水平隔板将阻碍柜内空气的对流。因此应在水平隔板上设置通风孔，通风孔的面积越大越好，至少为水平隔板面积的一半。通风孔的设置还要考虑到隔板的结构强度，同时还要保证柜内各间隔之间的防护等级不低于IP2X。⑥发热较高的电器元件宜设置在开关柜的下部，以取得最佳的散热效果。采用强制风冷，在进气口和/或排气口增加风机，加快柜内空气与柜外空气的交换。但应注意风机的风向，应结合风道的设计综合考虑，通常为下部的进气口的风机向柜内吹气，上部的排气口向柜外排气。

2.3.3 改善辐射散热

散热器的表面进行阳极氧化发黑处理，可以增加辐射系数。铜排自身的导热性较好，但是由于表面摩擦力较小，辐射系数较低。因此，通常要求铜排表面涂漆或套热缩套管处理，可以增加辐射系数。热缩套管与铜排表面应紧密贴合，无气泡。