C-GIS的通风散热结构浅谈

黎昌亮 李力

1. 上海置信日港电气有限公司 上海 200000；

2. 钟企实业(上海)有限公司 上海 200000

引言

C-GIS（Cubicle type Gas insulated Switchgear）箱式气体绝缘金属封闭开关设备，作为国内大力发展的开关柜，特别是在中压35kV以下系统中，例如在最近的国网招标中，以1250A为例，有明确要求是环保气体充气柜，有取代空气绝缘开关的趋势，随着充气柜应用优势越来越明显，许多公司立项开发充气柜，但是制造充气柜的技术门槛明显比空气柜高很多，主要集中在气箱的制造工艺上，不但在正常运行时不能漏气，还要求在一定的压力试验条件下满足强度与气密性的要求，最后还必须考虑温升的要求，如何散热通风成为各厂家必须考虑的问题。

开关柜的发展现状，充气开关柜显示出比空气开关柜有明显的优势，主回路完全密封在气箱里，不受外界环境变化的干扰，稳定运行，很多用户都优先考虑，但是由于封闭在气箱里面，温升对开关柜的严酷考验，本文探讨如何通过柜体结构方式改善气箱通风散热的效果，降低气箱的外部环境温度，保证安全可靠运行。

1 结构特点

1.1 具体实施方案

结构形式描述：以40.5kV，1250A开关柜为例，如图1：柜体前部分为低压室，包括机构室和仪表室，都是安装二次低压设备，前上部结构安装二次元器件，前下部为安装三工位和断路器机构，柜体后面底部为电缆室，柜体后上为泄压通道，前面机构板开百叶窗通风孔，机构室与电缆室之间安装封板，封板开通风孔，带活页，电缆室与泄压通道之间设计通风孔带活页，避免气箱泄压反过来影响电缆室，泄压通道顶部安装网板，防护等级IP4X。空气循环路线为，从机构室下门百叶窗进风，进入机构室后，分两路循环，一路直接上到仪表室从后面排风，另一路通过机构室与电缆室封板孔进入电缆室，再经过电缆室往上进入泄压通道，最后从泄压通道排气。

图1 通风结构的示意图

1.2 结构分析

根据结构分析，对应柜体的散热情况，热传导，对流，辐射都影响散热效果，但是对于本设计，开通风口，对热传导和辐射假设不变，主要考虑对流散热情况，也是主要影响因素。

在工程上，对流传热是指流体固体壁面的传热过程，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的。因此与流体的流动情况密切相关。热流体将热量传给固体壁面，再由壁面传给冷流体。由流体力学知，总有一薄层流体顺着气箱底面做层流流动在靠近气箱底面处。当流体做层流流动时，主要以热传导方式进行在垂直于流动方向的热量传递[1]。由于大多数流体（空气）的导热系数较小，温差也主要集中在该层中，故气箱底部的中滞流内层。在滞流内层中，流体仅沿气箱壁面平行流动，在传热方向上没有质点位移，所以热量传递主要依靠传导进行，由于流体（空气）的导热系数很小，使滞流内层中的导热热阻很大，因此在该层内流体温度差较大。在湍流主体内，由于流体质点湍动剧烈，所以在传热方向上，流体的温度差极小，各处的温度基本相同，热量传递主要依靠对流进行，传导所起作用很小。且在层流底层与湍流主体之间存在着一个过渡区，在过渡区内，热传导与热对流均起作用使该区的温度发生缓慢变化。在过渡层内，流体的温度发生缓慢变化，传导和对流同时起作用。

实际上，当空气在电缆室内沿气箱底部面作湍流流动时，在靠近气箱壁面处总有一滞流内层存在。在滞流内层和湍流主体之间有一过渡层。

从对流传热过程的分析可知这一个复杂的传热过程影响对流传热速率的因素很多，为了方便起见，在工程上常采用一种简化的方法，此式称为对流传热速率方程式，亦称牛顿冷却定律：

其中，Φ-对流传热速率，rw；α-对流传热系数；A-传热面积，m2；Tw-与流体接触的壁面温度，℃；T-流体的平均温度；ΔT-对流传热温度差，℃/K。

对应对比两种情况分析，温差的大小取决于流体的平均温度（T），由于有冷气进入电缆室和没有冷气进入电缆室对电缆室内的温度T影响为主，其他的传热面积，对流传热系数和与流通接触的壁面温度可认为相等，所有只是考虑T的影响。

根据理想气体状态方程：

其中，V-摩尔体积，R-通用气体常数。已知标准状况下，1mol理想气体的体积约为22.4L，把T=273.15K，R=8314Pa·L/mol·K代入式中：

T=PV/nR=1.01325×105×22.4÷（1×8314）=273.15K

实际电缆室体积V=深×宽×高=1350×600×700（mm³）=5.67×108（mm³）=0.567（m³），压力1.01325×105Pa，电缆室的摩尔数为n1=567÷22.4=25.3。

类比可知，对于电缆室内的空气温度，气箱内部传到气箱底部的表壁面温度与电缆室空气对流，两种情况的垂直温度差相等，即势流可以忽略，只要考虑风速对温度的影响。

根据物理能量守恒定理，温度越高，其具有的热能就越多。速度越快，其具有的动能或动量也越大，能量是互相转换的，热能与动能也是可以互相转换的，若空气的初始状态一定，如初始温度、初始流速、初始高度（即势能）、初始压力等一定时，那么它们之间必然可以相互转换。即增大流速，其温度是降低的。遵守热力学第一定律，其方程为：

其中，T-绝对温度，W-流速，c-流体比热容；角标1、2：表示两个截面，0表示总的含义。此方程应用条件为：假设绝热，水平流动，不考虑势能。

上式可变换为：由于空气的比热容与温度有关，温度在250k时，空气的定压比热容cp=1.003kj/（kg·K），300K时，空气的定压比热容cp=1.005kj/（kg·K）。一般空气的比热容无法确定，但是都与温度有关，如果温差不太大时，可认为基本相等。一定质量的物质，在温度升高时，所吸收的热量与该物质的质量和升高的温度乘积之比，称为这种物质的比热容（c），国际单位制中的单位是焦耳每千克开尔文（J/kg·K）：

按照试验数据，封闭通风口，打开通风口，由于空气比热容难以确定，温差ΔT参见试验结果。

由于GB/T3906-2020标准要求，各独立隔室间防护等级满足IP2X要求，网孔不能大于12.5mm，以及内部发生电弧故障时，各隔室间不能相互影响，加装了防护板，电缆室发生故障时，防护板1关闭，防止电弧喷到机构室，防护板2打开通过泄压通道泄压，同时上面气箱发生电弧时，防护板关闭，防止影响电缆室[2]。

2 试验分析

2.1 试验数据

按照以上结构，包括仪表室、机构室、电缆室和泄压通道，以及气箱，且在相同的柜外环境温度和风速下，分别进行两种情况温升试验：第一种情况时，把防护板1和防护板2都封闭，做温升试验；第二种情况时，把防护板1和防护板2都打开角度，处于正常运行角度。

图2 温升试验示意图

表1 温升试验温度记录表

2.2 试验解析

试验对比说明：在相同的电流，风速相同的柜外环境下，第一种情况由于电缆室没有进出风口，整柜没有形成对流散热，然而第二种情况由于有进风口，整柜从机构室下门百叶窗进风，在仪表室和泄压通道上部出风，有效的带走了气箱底部对电缆室传导的热量，使温度降低，试验数字显示，33.3℃-27.5℃=5.8℃。

采用此通风结构设计有以下优点[3]：①安全可靠：独立设计高压带电间隔与低压带电间隔，保证高压电弧不影响低压间隔的运行；②通风散热好：整个柜体从进风口到出风口形成通风道，使气箱热量被散掉，降低气箱温度；③结构简单：采用活页设计，正常运行，活页打开通风，一旦高压电缆室发生电弧故障时，自动关闭活页，避免电弧；④独立的泄压通道：气箱与柜体在各自发生电弧故障时，互相不受影响。⑤维护性好：电缆室前面采用可拆卸，后面采用门形式设计，可以进行前后打开，安装维护方便。⑥防护等级高IP4X：顶部出风口采用钢丝网覆盖，网孔最大1mm以下满足IP4X要求；⑦二次接线方便：由于独立的机构室和二次仪表一体作为低压间隔，安装接线空间扩宽；⑧模块化装配：仪表室，机构室，电缆室，泄压通道，还有气箱分别进行独立组装后，最后通过紧固件装配，适合批量生产，提供生产效率。

3 总结

综上所述，充气开关柜对温升要求比较高，也是必须考虑的问题，特别是电流越大，热问题越突出，通风散热好坏决定开关柜能否通过GB/3906-2020的温升型式试验，在额定电流1.1倍下做试验，铜排搭接处的温升最高不能超过75k，为了保证低于这个温度，不仅要在气箱内部方面考虑降温，在此不展开，还要在气箱外部设计合理的通风通道，才能达到散热的效果。本项目由于设计结构合理，顺利通过整体温升试验。