12kV大电流开关柜温升关键技术研究

许浩

摘要：12 kV固体绝缘开关装置作为中压开关装置的一部分，是电力输送配电系统的重要组成部分。传输系统的电能质量受到固体绝缘开关设备运行可靠性的影响，受其耐热性和绝缘性能的限制。如何防止由于过热、机械强度降低和绝缘差差导致零部件老化，已成为固体机柜的关键研究点。

关键词：12kV;固体绝缘开关柜;温度场;静电场;

配电网的改造和升级与新的配电网明显不同，主要是由于接线方式、设备基础、泊位尺寸等的设置，这就要求大电流开关设备在柜尺寸和主接线接口上与原来的开关设备相一致，这使得原来增加开关空间和载流段尺寸的方法，使开关的额定电流不能满足要求。

一、大电流金属封闭开关的性能分析及技术参数

1.性能分析。（1）分析加热和散热过程。12 kV高压开关设备散热设备与其工作过程中温度升高是否能满足运行要求密切相关。温度升高过程由数值模拟开关装置进行，并对其热稳定性、气流范围和温度场的分布进行分析，以便深入研究其加热和散热过程，更合理地设计开关装置。在变频调速柜中，热量来自电气接触和载流导线（称为热源）的焦耳损失，这主要是由于电流承载电路的导体电阻和接触电阻造成的。正常运行时，12 kV高压电柜经过一段时间后达到稳定状态，温度达到稳定温度。此时热体的热能和产生的热量达到平衡，其向外的传热由对流换热、热传导和热辐射三种基本方法组成。导热性：在开关柜中，当电流穿过导体时，导体温度会升高，与导体接触的零件温度也会升高，从而形成物体内部零件之间或物体之间直接接触的传热过程。导热性与材料的有效导热性、长度、温差和导热性有关。利用傅立叶定律和能量守恒定律描述热传导过程可以。对流换热：转换机柜中的对流换热与机柜中的气流相关。当风扇强制冷却时，由于风扇排气的影响，机柜中的气流会有一定的稳定流量。当没有风扇冷却且空气中有温差时，空气压力随温度变化，使气体自由流动，电柜中形成自然对流。这两种情况不仅由气体的动态过程决定，而且也由热传导过程决定。对流换热主要与有效散热面积、气体比热容量和温差有关。12 kV高压开关柜内的气体温度与载流子的布置、风扇功率和放置位置有关。对流传热微分方程是对流传热的完整数学描述，即流体的N-S控制方程，包括动量守恒、质量守恒和能量守恒定律的数学表达式。热辐射：开关柜内的载流导体与周围环境存在温差，导致载流导体的部分热量转化为电磁波，通过空气向四周传播。 （2）发热和散热的分析方法。在12kV大电流开关设备发热和散热研究中，采用体积控制法离散不同传热方式的耦合问题，采用压力修正法求解离散方程。根据前述报告的分析，做出以下假设：第一，载流电路的导体部分内部只有热传导;导体与空气的接触面上，有对流换热和辐射散热;第二，零件和接触面的散热规律不同。导体内部产生的热量在导体表面散发到外部（空气）（包括对流传热和热辐射），接触表面产生的所有热量通过传导传递到相邻的两个触点，而不会散发到外部（空气）。在数学模型中，对各种传热方式直接建立耦合微分方程，并引入壁函数处理对流边界条件，从而形成统一的微分方程组，可直接求解压力、速度、温度等变量。在物理过程的数学描述中，通常根据傅立叶定律和能量守恒定律的热传导微分方程来描述热传导。用流体力学的N-S方程描述流动传热规律，包括动量守恒方程、能量守恒方程和质量守恒方程。辐射传热用斯蒂芬·玻尔兹曼公式描述。

2.主要技术指标和参数。为了保证开关柜能在工作寿命内可靠工作，必须将各种材料的加热温度限制在不超过某一值，这是最高允许温度，也称为最高允许加热温度。

二、无风扇冷却的稳态计算结果及分析

该模型以整个开关柜为研究对象，模拟计算了4400A电流下达到稳态的温度场分布。其中，开关柜的顶、前、后、左、右四面与外界空气直接接触，断路器室、母线室、电缆室的顶面不放置风扇，开关柜处于自然风冷状态。这些墙壁设置为20℃的恒定壁温，与环境温度相同，底面设置为隔热。

1.温度场的分布与分析。可以看出，不带风机的开关柜中载流电路元件的温升明显高于带风机的开关柜，整体温升在18℃左右。但载流电路上的温度分布基本相似，高温部分位于动触头与动导电杆的接触处。最高温度主要集中在动、静触头的接触处，最高温度可达95.9℃。载流电路其他部分的温度大多在50℃到80℃之间。通过图中对比可以看出，下触头臂、梅花触头、4000A静触头的导电回路整体温升高于上回路，上导电回路基本在67℃左右，下导电回路大部分在77℃以上。这种分析的主要原因是上层导电回路的散热条件比下层好，上层回路更靠近开关柜出口，零件发热，周围空气通过对流换热升温，加热后的气体从出口流出，容易带走上层导电回路产生的热量，上层回路散热更好，导电体温升更低。在下层导电环和上层之间有一个穿孔隔板。虽然空气仍能向上流动，但由于隔板等部件的影响，流速有所降低，散热效果变差，导致下回路温升较高。由于没有风机强制风冷，开关柜整体气温明显偏高。受不同热源和散热条件的影响，空气也呈现出不均匀的温度分布。从上图可以明显看出，不同车厢内的气温分布存在明显差异。断路器室内空气温度最高，在46℃以上，最高温度达到63.4℃。电缆室热源少，部件温升低，导致气体温度较低。载流电路部件附近气温较高，基本在47℃以上，然后由于空气加热的上升，出口附近气温仍在55℃左右。母线室温度略高于电缆室，平均约43℃。从仿真结果来看，由于缺少风机冷却，动、静触头接触部位温升较大，已成为整个母线室的最高温度，但未超过国家标准。此外，梅花触头和4000A静触头的接触部位也需要注意。高温主要集中在动、静触头接触处、动导杆及附近部位，均在95℃左右。上下触头盒温度略低，上触头盒温度约57.6℃，下触头盒温度约64.9℃。温度分布规律是下部电路的总温度比上部电路高20℃左右。

2.空气流场的分布与分析。空气流场分布，其中速度单位为m/s。无风扇时的流场分布与有风扇时的流场分布有显著差异。首先，气流速度明显降低，其次，流体分布规律也发生变化。开关柜母线室、断路器室、电缆室在不同区域的流场分布不同。很明显，载流回路周围的气流比柜内其他位置的气流要快，且气流方向大多向上。主视图中的流体在机柜顶部上方流动，距离机柜顶部越近，流速越大。原因分析是：载流电路部件通电加热，产生的热量通过对流换热传递到周围空气中。空气被加热，加热后的空气通过出口流出机柜。由于风机没有强制风冷和向上吸力，加热后的向上风速只受载流电路部件温升的影响，属于自然对流散热。流量也明显低于风扇的流量。此外，母线室、断路器室和电缆室的流速也存在明显差异。断路器室流体流速最快，母线室次之，电缆室最慢。分析的原因是：由于没有风扇，三个房间的空气流量在初始时间为零。而断路器室内部分的发热量最大，温升最高。它通过翅片与周围空气进行充分的对流热交换。周围空气温升较大，加剧了气体向上流动的趋势，另外两个房间的流速相对较快。电缆室位于开关柜下部，远离插座，其上方为母线室。客车室内部分阻礙空气向上流动，空气上升通道不畅，流速相对较慢。

总之，12kV开关柜是配电网系统的核心设备，用于电力系统输配电和功率转换过程中的切换、控制和保护。目前广泛使用的开关柜额定电流为2000a和2500A，不能满足电网的应用。急需用额定电流为4000A的大电流开关设备替换原有设备。

参考文献：

[1] 韩振岳.大电流开关柜的设计探讨.2019.

[2]张德江.关于12kV大电流开关柜温升关键技术研究.2020.