环保气体绝缘开关设备温升控制方法研究

2020-09-25徐慧强杨镇宁

机电工程技术 2020年8期

徐慧强，李猛，杨镇宁

（许继集团有限公司，河南许昌 461000）

0 引言

SF6气体作为优异的绝缘和灭弧介质，在电力设备中应用非常广泛。一个SF6分子对温室效应的影响为CO2分子的25 000倍，其寿命约为3 400年。该气体在常温下性能稳定，不可降解，排放到大气中，无法回收。因此，降低温室效应的唯一办法就是尽量减少该气体的使用，或者找出新型气体替代SF6。目前，国家倡导发展循环经济，建设绿色新能源节约型社会。因此，环保型气体绝缘开关柜是未来中压领域发展的必然。

本文将采用环保气体作为绝缘介质，将断路器、导体、三工位隔离开关等高压部件全部密封于不锈钢气箱内，通过在气箱上预留的孔，由插接式电缆终端实现进出线。该开关柜具有结构紧凑、可靠性高、环境适应性强、SF6气体零排放等优点。

随着电力用户用电负荷的急剧增长，大容量、经济环保、高适应性中压开关柜成为该领域的重要研究课题。额定电流大于1 250 A的充气式开关柜均为大容量气体绝缘开关柜。依据焦耳定律，开关柜产生的热量与额定电流和主回路电阻成正比。由于充气式开关柜是全密封的，发热导体不能直接把热量散于大气中，只能先散于气箱内，再通过气箱散于大气中，散热效率极低，容易导致某些零部件的温升超出国标要求。

本文以某2 500 A环保气体绝缘开关设备作为研究对象，对电接触理论及散热技术进行研究，结合温升试验，找出解决大电流环保气体绝缘开关柜温升的解决办法[1-2]，确保开关柜长期稳定可靠地运行。

1 开关柜的发热与散热机理研究

1.1 温升标准

依据GB/T 11022《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》和GB 3906《3.6 kV～40.5 kV交流金属封闭开关设备和控制设备》的要求，在规定的试验条件下，需要对本文设计的12 kV-2 500 A环保气体开关柜进行1.1倍额定电流温升试验验证。通过预埋的温度传感器对气箱内部关键元器件的温升情况实时监控，稳定后，所有监测点不得超过规定的温升值，如表1所示。

表1 开关柜内部导体的温度及温升要求

由于SF6气体会导致温室效应，本文进行试验时尽可能地采用干燥空气，以减少温室气体的排放，但其导热性能弱于SF6气体，对温升试验考核更为严酷。

1.2 发热机理分析

12 kV-2 500 A环保气体开关柜气箱内导体回路是直接发热源，当开关柜通电流时，发热过程包括气箱内部导体的焦耳损耗、磁滞损耗、涡流损耗和介质损耗。由此可知，开关柜的总发热功率Pf为：

式中：Pj为焦耳热量，当主回路电阻R流经电流I时产生；介质损耗Wd、磁滞损耗Wh、涡流损耗Wc为开关柜通过交变电流时的感应发热。因此式（1）可简化为：

式中：Kf为开关设备的集肤效应指数。

1.2.1 焦耳发热

由焦耳定律可知，Pj为：

其中，开关柜主回路电阻R由导体固有电阻和接触电阻两部分组成，回路电阻越大，发热功率也就越大。因此，适当地控制回路电阻是解决温升的关键办法。导体固有电阻可以通过增加导体截面积、缩短导体长度、提高导体的电导率等办法降低。导体的加工方法不同、工艺不同都会导致接触电阻的不同，接触电阻由收缩电阻和膜电阻组成。接触电阻的经验计算公式为：

其中，K与接触材料有关；m与接触形式有关。如表2所示。

表2 不同零部件接触K、m的取值

开关柜内部导体连接部位大多采用M10、M12的螺钉进行紧固，力矩分别为35 N·m、45 N·m。经计算，其接触电阻如表3所示。

表3 不同螺钉的接触电阻

主回路电阻的大小决定发热功率的大小，只有降低回路电阻，把回路电阻控制在一定的范围内，才能有效解决温升问题，同时也不能忽略集肤效应对开关设备温升的影响。

（1）集肤效应

导体通过的电流大于1 000 A时，需计算集肤效应和邻近效应对其影响产生的热量。电流频率越高，导体截面越大，电流分布越不均匀，导致主回路导体的焦耳损耗及交流电阻就越大。本文设计的环保型开关设备结构紧凑，为保证柜内主回路有良好的通流能力和可靠的绝缘性能，内部导体通常设计为圆形结构，考虑到集肤深度，将实心导体更改为空心，不仅降低了导体的成本和质量，而且降低了开关设备的热效应[3]。集肤深度计算公式如下：

式中：ur为导体的相对磁导率（非磁材料和铜均为1）； ρc为铜材的电阻率（20℃时， ρc=0.017 5 μΩ·m）； ρ为电阻率；对于铜材，k=1。

（2）邻近效应

相邻较近的导体或者软连接通过交流电流时，其中一个导体产生的交变磁场会对临近的导体产生作用，致使临近导体的电流分布朝向一侧，导致电流密度在导体内部分布不均匀，从而使临近导体的集肤指数和焦耳损耗增大。电流频率越大，导体距离越近，邻近效应就越明显。因此，减少开关柜内软连接的使用，增大相邻导体之间的距离，有助于降低临近效应产生的热效应。

1.2.2 感应发热

当金属导体置于交变磁场时，导体会产生感应电流，电流流线会在导体内自行闭合，形成涡流。依据楞次定律，当作为支撑件的导体置于交流电流产生的交变磁通中时，导体会感应出涡流，从而发热。设计充气柜时，一般在电流贯通部位及附近使用不锈钢、铝等非磁性材料制作支撑件，整个气室采用不锈钢焊接，达到使用非磁性材料切断闭合金属回路的效果。此外，所有的零件固定螺钉均采用不锈钢材质。

1.3 散热机理分析

热量的传导方式共有3种，分别为热传导、热对流和热辐射[4-5]。热传导主要是固体中或固体间的传热主要方式，其本质为分子受热发生震动，将热量传递给临近分子，从而实现能量的传递。热传导发生于在导体材料内部，通常采用的传导散热方法有在导体上安装散热器，采用导热系数较高的导电体和绝缘体。

热对流又称对流传热，实质上就是流体内部质点因为受热引起震动，产生热量交换的现象。对流散热计算公式如下：

式中：αl为对流散热系数，W/(m2·℃)；θw为导体温度，℃；θ0为外界环境温度，℃；F1为导体单位长度的散热面积，m2/m。

热辐射又称辐射传热，物体本身具有温度，会激发产生电磁波被附近的低温物体吸收，将其部分或全部转换为热量被自身吸收，其传播不需要任何介质。在大电流开关柜中，气箱是密封的，温升平衡后，内部对流换热相对较少，因此辐射散热是大电流开关柜的主要散热方式之一。依据传热学理论，导体辐射热量为：

式中：ε为导体的辐射散热系数；Ff为单位长度导体的辐射散热表面积。

2 开关柜温升控制难点

（1）充气式开关柜相较于空气绝缘开关柜，其高压一次导电体密封于气箱内，由于气箱是绝对密封的，与外界环境没有对流换热，因此大电流开关设备容易产生过热状况，尤其是气箱内部的隔离开关、固封极柱及接触部位容易过热。且B相处在A、C相之间，散热条件更差，通常B相的温升要比A、C相高出3～5 K。空气绝缘开关柜是敞开的，可以直接与外部环境进行热交换。而充气开关柜是密闭的，开关柜内部气体需要先将热量传递至气箱，再通过气箱外表面与外界进行热量交换。此过程极大降低了对流换热的效率，是导致内部温升过高的一个重要因素。

（2）绝缘介质的导热性直接影响开关设备的温升。在充气柜中，气体的换热方式主要为对流换热，为传导换热和对流换热的耦合。由于N2的分子量比SF6小，即在同温条件下，N2分子运动速度比SF6快得多，所以N2气体的导热系数比SF6小。与N2相比，SF6的密度和比热容较大，同分子携带热量多。因此同温同压条件下，SF6气体的对流换热系数N2在气体绝缘开关柜中，当绝缘介质为干燥空气时，其散热效果最差。因此干燥空气绝缘开关柜对温升的要求更为严苛。

（3）目前干燥空气绝缘开关柜的发展方向为小型化、经济适用，这就导致必须对开关柜内的导体尺寸、气箱尺寸和外形尺寸进行严格控制，以致影响了整体气箱的散热面积，同时也对充气柜的温升控制设计提出了更苛刻的要求。

3 主回路电阻控制

电阻越大，发热功率也就越大。因此，有效地控制电阻可以控制开关柜的发热量，从而有效提升开关柜的大电流承载能力，而温升不超标。主回路电阻通常包含导体自身的电阻和接触电阻。常采用的降低接触电阻的办法如下：

（1）适当地增大该连接部位的紧固力矩；

（2）遵循螺钉紧固顺序原则，保证铜排的两个连接部位接触电阻在控制范围内；

（3）适当降低连接零部件的硬度；

（4）表面镀银处理；

（5）尽可能采用多螺钉固定方式；

（6）导电体切缝处理。

本文分别在开关柜主回路导体处理前后测量了电阻，如表4所示。采用以上降低电阻的办法后，开关柜整体电阻降低了11.7%；由焦耳定律可知，其整柜发热量也降低了11.7%。

表4 电阻值对比

4 热仿真分析

在进行仿真分析前，对新设计的充气柜进行温升试验，当电流达到2 400 A时，温升不超标，正好满足国标要求，但距离额定电流1.1倍的国标温升要求还差450 A电流，需通过仿真分析和理论计算，找出最佳散热方案，解决温升问题。本文采用FLOEFD热场分析软件对开关设备进行仿真分析，导入模型后开始计算，结果如图1所示[6-8]。