成套开关柜的防护等级和温升问题探讨

纪桂强

（广东正超电气有限公司，广东汕头 515041）

0 引言

国家标准GB 4208—2017《外壳防护等级（IP代码）》阐述了有电气设备外壳提供的防护等级的分级系统，该标准适用于额定电压不超过72.5 kV，借助外壳防护的电气设备的防护分级[1]。该标准以代码字母IP、第一位特征数字、第二位特征数字、附加字母、补充字母等表示外壳对人员接近危险部件、防止固体异物或水进入的防护等级，以及这些防护相关的附加信息。其中第一位特征数字0～6表示外壳对固态异物进入的保护程度及对人员操作时防止接近危险部件的能力；第二位特征数字0～9表示外壳对防止进水造成有害影响的能力[5]。

GB 4208—2017《外壳防护等级（IP代码）》标准是该标准现行的最新版本，等效采用IEC 60529：2013，与2008年版标准相比，增加了第二位特征数字9的防护等级，并对某些内容进行编辑性修改，对GB/T 4208-2008已规定防护等级未做修改。标准对检验方法实施的要求比较完善、可操作性强，对提高我国成套开关柜外壳的防护功能水平，确保各类别成套开关柜的安全运行和安全维护，规范适用于不同使用条件要求的成套开关柜外壳的制造有非常重要的指导意义。

成套开关柜的外壳是柜体的重要组成部分。外壳可以防止操作人员触及带电部分以及外来固体的进入，是最直接的防护措施[8]。温升是成套开关柜的另一个重要指标，直接影响产品的质量和寿命。成套开关柜设计过程中通常需要经过温升试验考核，方法是通过施加额定电流使其自然升温，达到每小时温度变化不超过1 K时，则温度达到稳定状态，此时温升值不能超过国家标准的规定值[6]。

1 防护等级与温升相互制约

成套开关柜防护等级越高、外壳密闭性越好、通风散热性能就越差，开关柜运行时产生的热量聚集在柜体内部无法散出，致使柜体内部温度升高、电气绝缘性能下降，对开关柜安全运行直接构成威胁。因此，在进行成套开关柜设计时，不应该盲目追求更高的防护等级。如果防护等级太高、开关柜内部运行温度过高，设备可能就要降容使用，设备绝缘也要进行特殊处理，显然加大了制造成本。

成套开关柜有自然通风型与非自然通风型之分，开关柜内的通风类型与自然通风性能，会对其运行温升产生一定的影响。

外壳防护等级IP5X及以上的非自然通风型开关柜，由于使用环境的限制，不允许受到污染或带有粉尘的空气与水进入其内部。当然，防护等级越高，开关柜外壳密闭性越好，设备的积热只能依靠其外壳表面自身散发。外壳防护等级IP4X及以下的自然通风型设备，开关柜柜体内部会有一定程度的自然通风通道，内部聚集热量的散发，除由其外壳承担外，壳体内的自然通风通道也会将部分积热带出，散热能力较强。由此可见，外壳防护等级愈高，通风散热的能力愈差。有些设备对散热的要求更高，往往需采用内部强迫通风的措施，来实现设备的长期安全运行。

额定电流相同的非自然通风型开关柜，为提高散热性能，柜内通电导体的截面积相对自然通风型设备要大一些，导致开关柜造价相对较高。常用的成套开关柜，大多数都属自然通风型设备，造价相对较低并可满足大多数用户的使用要求。一般中小电流的开关柜，由于设备壳体的散热能力充分，发生温升损坏的情况较少。而大电流的开关柜发生温升损坏的情况则较为常见，主要原因之一则是柜体外壳的散热能力难以满足大电流运行时柜体内部热量散发的需要。在不可增大开关柜体积的情况下，提高柜体自然通风散热的能力，成为解决开关柜散热问题的关键技术之一。

成套开关柜防护等级设计的适宜性以及外壳上进出风口设计的合理性，是解决设备散热能力的一个重要措施。因此，开关柜外壳防护设计是否适当与开关柜散热性能的高低密不可分。

2 成套开关柜外壳防护等级的选择

对成套开关柜的外壳设计，有些用户盲目追求开关柜的高防护等级，甚至在拥有良好运行环境条件的变电站中也要求设备的外壳是IP5X或更高。对成套开关柜产品外壳的合理设计，应当充分尊重顾客的要求，也需要与用户进行妥善沟通，设计上绝不能盲目追求开关柜的高防护等级，而忽略对外壳局部作特殊防护等级设计的必要性，使开关设备失去自身具有的固有散热功能特性。

对于成套开关柜的外壳防护等级的确定，除应根据国家标准GB/T 4208-2017的一般规定与用户的要求执行外，还应特别注意有关标准的下述条款。

（1）国家标准GB/T 4208-2017中的1范围：“对特殊形式的设备，产品标准可以规定不同的要求，但至少要保证相同的安全水平”[1]。

（2）国家标准GB/T 11022-2011中的5.13条：“对于其他条件，例如维修、试验等，防护等级可以是不同的”[2]。

（3）国家标准GB7251.1中的7.1.5条：“如果成套设备各部位有不同的防护等级，成套设备制造商则应单独标出该部位的防护等级”[3]。

上述标准条款，明确指出了成套开关设备外壳的防护等级，应根据具体使用条件要求确定，其整体设计并非是要强求各部分的必须一致，如遇设备温升过高、内部热量聚集无法散去的情况，可对开关设备外壳局部防护作特殊设计。作局部特殊设计时，除应满足标准要求，防止人员意外触电和固体异物、水进入影响其安全运行外，还应满足设备长期安全可靠运行的其他功能要求。对GB/T 4208-2017标准的理解应全面准确，设备外壳上局部防护等级的确定应根据其具体功能如自然通风等要求确定。当然，局部特殊设计方案应通过TTA或PTTA验证，尤其要尊重开关设备实际运行的验证，才能确保设备长期安全可靠运行。

3 成套开关柜外壳设计与验证

目前很多用户对设备防护等级的理解有误区，认为防护等级越高、设备性能越好，而忽视对设备通风散热效果的综合评估，导致开关柜运行温升高，对设备极为不利。断路器及相连导体在防护等级为IP2X、IP3X、IP4X、IP5X的开关柜中的温升试验结果表明，温升相差近15 K[7]。因此，在确保运行维护人员安全和不影响开关柜绝缘性能的前提下，成套开关设备的设计应合理选择防护等级，增设通风措施，以提高开关柜散热效率。

3.1 自然通风型成套开关柜温升过高问题

自然通风型成套开关柜的温升过高问题，主要有三方面的因素：一是主回路的电阻值。其内阻值越小，温升愈低。二是柜体有无磁滞发热。磁滞发热问题越小，设备壳体温升异常情况越少。三是开关柜的通风散热。增大通风量会使设备运行温升降低。

3.2 防护等级IP4X大电流成套开关柜壳体通风孔设计

一般来讲，以发热源产生的热量随周围空气的上升、自然流动、将热量带出，用管道的办法形成有风压作用的通风，是常用于解决降低设备温升的办法和手段。

外壳防护等级IP30的开关柜，既有较高的防护等级，又容易得到较大的通风截面和散热通风流量，较为适用于那些需具备高通风效率性能的设备要求。

外壳防护等级IP40的开关柜，其通风孔孔径≤1.0 mm，很难适应自然通风型大电流成套开关设备运行需具备高通风效率性能的需要。开关柜内自然通风散热很差，难以满足额定电流1 600 A及以上电流负荷的通风散热需要。设备投运后若长时间处于低负荷状态，以及阴冷潮湿的天气环境下，则柜内潮气难以散出，易引发凝露电弧事故；若是较长时间在接近额定电流的负荷状态，运行积温难以散出，温升过高，容易引发事故。

大额定电流容量（2 500 A及以上）成套开关设备的外壳进风口的防护等级一般不应受到IP4X的制约，防护等级设计以IP30为宜，门板和封板上通风孔的孔径应略接近2.5 mm，以保证喷涂后每个通风口的宽度不小于2.4 mm。如个别用户坚持要求柜体外壳的防护等级一律为IP40，则应通过在前后上下门（封）板内侧附加细钢板网（孔径小于1×1 mm）的方式解决，门（封）板上进出风口的截面积应进一步加大，以保证进出风口能有足够大的通风量。需要具备防内部故障电弧外协的成套开关设备，其前后门（封）内侧还应设置防喷弧挡板，以防止一旦发生事故，电弧喷出会危及人身安全。

外壳防护等级IP5X以上的开关柜，柜体基本密不透风。为降低温升，开关柜内采用的母排应有更大的截面比，需有20%左右的载流能力裕量，这会使开关柜的制造成本增加。

成套开关柜中，大电流柜的数量一般不多，其外壳的防护等级采取特殊设计方案，兼顾防护等级和温升2个问题，用户一般可以接受。

3.3 设计方案的验证

在成套开关柜的设计上，设备外壳设计方案是否适当，在设定的防护等级下，设备的通风散热性能能否达到温升的要求，主要通过下列途径进行证明：（1）基于多年的设计制造经验和健全产品检验体系条件；（2）通过TTA或PTTA试验；（3）通过长期实际运行的验证。

温升问题的产生与其产品外壳制造上的通风散热功能差密切相关；与其对产品缺少必要的性能验证有关；也与设计者对GB/T 4208-2017标准的片面理解相关，应当引起各方面的高度重视。

4 结束语

设备运行现场存在的大电流成套开关柜温升过高的问题，与开关柜外壳防护等级的设计不当有关，开关柜的自然通风散热性能差是一个不容忽视的重要原因。在夏季用电负荷过重时，部分大电流开关柜发热异常、柜体外壳温度很高，多数情况下是运行人员发现后及时采取措施，才避免了事故的发生。从标准DL/T 375-2010附录C可以看出，环境温度50℃时铜铝排的安全载流量，仅为环境温度35℃时安全载流量的76%[4]。由此可知，大电流开关柜内部的聚集热量难以散发会发生意想不到的运行恶果。今后，随着电网用电负荷的不断增大，这一问题可能会更加突出，应当引起制造商和运营单位的高度重视，发现事故苗头须及早采取适当措施解决。对于制造商而言，提高对设备壳体防护等级的认识水平，是解决大电流成套开关柜温升问题的一个不可忽视的关键环节。目前，业内对成套开关柜外壳设计合理性的认识问题还需要给予特别重视，要重视TTA和PTTA的试验结果，更要吸取产品实际运行中的经验教训。只要从用户的实际需要出发，以确保设备长期安全可靠运行为出发点，优化产品设计与充分验证，就能不断提高设备的设计制造水平，为各方的可持续发展做出更大贡献。