一起10 kV断路器后柜门涡流热效应的分析

张李奇，汤向华，刘 辉

（国网南通市海门区供电公司，江苏 南通 226100）

户内金属铠装式开关柜是发电厂、变电站等电气现场最常见的设备之一，确保其安全可靠运行至关重要[1-3]。然而由于较大的电流负荷，给开关柜带来的涡流、发热等问题，将会造成设备老化、绝缘性能降低乃至开关柜烧毁等危险[4-6]，因此发热问题是影响开关柜安全运行的重要威胁之一，在用电高峰及特殊运行方式等大负荷场景下尤为显著，因此，对开关柜的异常发热进行及时的观测、分析和处理对开关柜安全运行十分关键。

本文通过对巡视中发现的开关柜后柜门由于涡流效应异常发热的现象进行实测，得到了负荷电流与后柜门温升的关系；通过建立磁热耦合仿真模型，分析了开关柜涡流热效应的产生机理及现象，分析了温升的位置分布及其余不同变量之间的关系，并探究了降低开关柜涡流热效应导致柜体温升的措施。

1 背景概述

在某110 kV变电站1号主变调换工作期间，该变电站由2号主变单台主变运行。值班人员在特巡过程中通过红外测温发现，在负荷较大的2号主变102开关的柜体后方，尤其是后柜门有显著的发热温升现象。

为分析该开关柜柜体温升现象的产生机理，本文对2号主变102开关柜的涡流效应与后柜门温升的关系进行分析，通过测量并记录在102开关柜进线母排的不同负荷电流下的柜体尤其是后柜门的温升，并与柜体的涡流效应的仿真结果进行比较，分析其涡流效应导致的温升在柜体的分布情况。

2 开关柜基本情况

2号主变102开关柜型号为KYN28-12，图1为102开关柜的总装图，其中母排为双拼母排，从上方进入柜体的电缆室。表1、表2分别为柜体相关尺寸和母排尺寸。

图1 102开关柜总装图

表1 柜体尺寸

表2 母排尺寸

3 102开关后柜门温度观测

在该变电站主变运行期间，对开关柜后柜门进行每日红外测温，整理出其在2号主变102开关的不同负荷电流时的后柜门温度情况，如图2和表3所示，可以看到，随着负荷电流增大，后柜门温升也升高，在负荷电流为1554 A时，温升即可达到29.4℃。

表3 102开关柜后柜门实测温升统计表

图2 102开关柜后柜门实测最大温升示意图

根据涡流发热效应的原理，当发热导体与母排电流方向垂直时，涡流效应最为显著。与母排电流方向垂直的柜体上方的发热情况无法测得，仅能测得柜体后侧的温度。图3为18日时测得的柜体后侧温度，可以看到，在柜体上方与金属罩子交界的缝隙处温度最高，据此推测柜体的上方，即柜体与母排电流方向垂直的部分发热最严重。

图3 18日红外测温

4 磁热耦合仿真分析

为了验证开关柜发热与涡流效应的关系，分析柜体的发热分布，尤其是柜体顶部及后柜门的发热情况，建立仿真分析模型是一种重要的分析研究手段[7-10]，本文在Ansys平台对开关柜进行磁热耦合仿真分析。

4.1 模型建立

根据已知的开关柜尺寸，绘制3D仿真模型，图4为开关柜的3D模型，其中母排之间的间距由于未测到，采用图2总装图图纸中的值。由于分析的对象为母排电流对柜体顶部及后柜门的涡流发热效应，为简化模型，忽略开关柜其他部分对涡流发热效应的影响。模型中母排为双拼铜排，柜体材质为冷轧钢板。

图4 开关柜后柜及顶部的简化3D模型

4.2 电磁仿真分析

在母排中通入方向为自上而下的三相电流：

当电流幅值im=1500A时，柜体顶部及后柜门的涡流密度的仿真结果如图5所示。可以看到，在后柜门上，涡流在柜门顶端和低端偏左的位置较大；而在柜体顶部，涡流效应则集中于母排之间的位置。

图5 母排与后柜门距离为141 mm负荷电流为1500 A时的涡流密度

图6为柜体顶部双拼母排之间、后柜门顶端2个位置的涡流密度、损耗密度沿着图5中y方向的变化情况。可以看到，后柜门涡流密度和损耗密度的峰值在顶端中间偏左的位置出现，分别约为1.5×106A/m2和6×104W/m3，而柜体顶部涡流密度和损耗密的峰值在B相与C相母排之间，达到3×106A/m2和1.5×105W/m3。因此，柜体顶部的涡流效应较之后柜门的涡流效应更大。

图6 母排与后柜门距离为141 mm负荷电流为1500 A时柜体顶部和后柜门涡流分布

4.3 热仿真分析

为了分析负荷电流与开关柜发热的关系，在室温为26℃的条件下，对母排与后柜门距离d为141 mm时进行电磁和热仿真，如图7和图8所示，柜体顶部的温升始终高于后柜门，且随着负荷电流的增大，两者最大温升之差增大。可以看到，仿真结果中的后柜门最大温升与表3的实测结果相吻合，验证了仿真的准确性。

图7 母排与后柜门距离d=141 mm时不同负荷电流下的温度分布

图8 母排与后柜门距离为141 mm时不同负荷电流下的发热功率和最大温升

在负荷电流为1500 A、母排与后柜门距离为141 mm时，铜排的欧姆损耗以及柜体的涡流损耗如表4所示，可以看到后柜门的损耗功率是最大的。

表4 母排与后柜门距离为141 mm、负荷电流为1500 A时的各位置损耗功率

为了分析母排与后柜门的距离同开关柜发热程度的关系，在室温为26℃、负荷电流为1500 A的条件下进行电磁和热仿真，如图9、图10所示。可以看到，柜体顶部的发热功率及温升受到母排与后柜门的距离的影响较小，但后柜门的温升随着母排与后柜门的距离的减小而增大，柜顶的最大温升始终大于后柜门。

图9 负荷电流为1500A时母排与后柜门不同距离下的温度分布

图10 负荷为1500 A时母排与后柜门不同距离下的发热功率和最大温升

5 开关柜温升控制措施

开关柜在负荷较大时柜体由于涡流效应升温，若温度过高，将危害设备安全运行，为了降低与控制开关柜温升，可以选取如下措施[11-14]：

减少涡流损耗：可采用非导磁性材料作为柜体材料、添加缝隙阻断磁路等方式；

改善散热条件：包括改善热传导（如保证足够的导体截面）、热对流（如增加散热面积、加装进排气孔等）、热辐射（如阳极氧化发黑处理）等。

在线测温：目前可行的技术手段包括光纤测温与无线测温。

优化设计：通过改善开关柜的结构与布置，优化其散热性能。

6 结束语

本文通过对某110 kV变电站102开关柜温度进行实测，得到其负荷电流与后柜门温度的关系；建立了磁热耦合仿真模型，分析了开关柜涡流热效应的产生机理及现象，结合涡流热效应的原理可知，巡视中难以测量的开关柜柜体顶部较后柜门的温升更高。通过仿真与实测分析可以得出如下结论：开关柜柜体顶部是受涡流影响发热较为严重的位置，发热受到母排与后柜门之间距离的影响不大，且最大温升始终大于后柜门；后柜门的发热功率及最大温升随着母排与后柜门的距离减小而升高。

本文通过仿真分析了实测中发现的后柜门发热的现象，仿真结果与实测数据吻合，由此建立的磁热耦合仿真模型对开关柜的温升优化设计具有指导意义。