中压开关柜温升问题研究

中压开关柜温升问题研究

王泽

辽宁红沿河核电有限公司 辽宁 大连 116319

摘 要：针对LGJ-10/4000规格开关柜存在的风机数量多、总功率大，温升指标仅能满足国标要求、裕度不大等问题进行了研究，随着电网的发展和设备技术的提高，开关柜在电网中已大量使用。通过讨论温升的定义，指出了开关柜发热的原因，并分析了如何有效改善开关柜温升的措施。

关键词：开关柜；温升；环境温度；改善措施

引言

LGJ-10/4000型交流金属封闭开关设备是中压电力系统的主流开关设备，小型化、防护等级及IAC等设计要求，使得开关柜设计结构紧凑、外壳密闭，造成通风风道设计不合理、涡流发热严重等问题，开关柜温升不易满足国家标准要求。温升超标会造成开关柜过热、绝缘件加速老化、绝缘性能降低等问题，对系统运行稳定性和可靠性有重要影响。对中压开关柜温升因素进行分析，形成有效地预防和处理措施，对提高设备运行可靠性，提高产品使用寿命等方面具有重要意义。

1温升及爬坡问题解决方案

1.1原因分析

依据经验可以得知：在开关柜中的母线连接处、断路器进出线端、触头等处是温升易超标的地方。由于这些部位在结构、材料、散热环境等方面存在差异性，导致在相同热效应下产生的温升效果存在差异^[1]。由电器学理论可知，开关柜在其运行时产生电阻损耗、铁磁损耗和介质损耗，同时这些损耗也是开关柜的热量来源。对于中压开关柜在计算发热量时，铁磁损耗和介质损耗可以忽略不计，其主要的热量来源是电阻产生的损耗。根据能量平衡与交换原理，开关柜产生的热量主要通过热对流和热传导的散热方式传递出去。通过以上分析可知，大电流开关柜体温升薄弱点在触臂与固封极柱连接处及触头盒内部。原因有以下两点：1）柜体设计载流余量不足，回路电阻较大。4000A断路器配置82个触头片，理论载流量为4400A，温升试验电流为4400A；3150A断路器配置64个触头片，理论载流量为3500A，温升试验电流为3465A。2）关键部位散热不通畅。从热源分析，真空断路器的发热量应远大于进线母排的发热量；从散热条件分析，断路器触头基本处于封闭型的触头盒内腔中，与空气接触面少，没有通风通道，散热的空间较小，热量不易随空气的自然对流和热交换散失，散热条件差，热量容易集聚。由于梅花触头接触点少，接触压力大，在断路器与静触头啮合或分离过程中发生手车爬坡和退坡现象（额定电流≥3150A时，现象比较明显），主要是由于在啮合和退出瞬间，因受到断路器梅花触头与静触头之间啮合力的力矩及反向推力作用造成。点的压力值比较恒定，对动静触头的加工精度要求不高，具有较强的加工误差适应性。3）底盘车丝杠螺距减小，降低摇进摇出速度。丝杠螺纹圈数由22圈改为31圈，提高断路器与柜体的配合精度和导轨强度，减少导轨变形量，提高手车进出平稳性，改善手车进出柜体时出现的爬坡和退坡现象^[2]。

1.2技术方案

开关柜体的温升主要取决于其回路本身的发热和对外的散热，温升越小，开关柜的额定电流等级就能越大。增大柜体通流能力，最行之有效的方式是减小通流系统的发热和增大通流系统对外界的散热。1）解决触头盒内部散热问题。采用散热型触头盒，配置一体化静触头，使触头盒内外形成通风通道且关键发热部位暴露在空气中。其技术原理是改善触头盒内部导体的散热环境，提升触头盒内部空气对流能力，增大母排与空气接触面及散热空间，达到增大散热能力的目的。2）提高动静触头啮合处载流余量，以及减小电阻值。采用弹簧触指技术，载流量提高到5600A。选用弹簧触指的出发点主要基于其如下优点：①弹簧触指结构比较简单；②接触点多，导电性能好，动热稳定性高；③每个接触点的接触压力相比于梅花触头来说较小，镀银层在操作过程中耐磨性能好；④在手车进出柜体的过程中，接点的压力值比较恒定，对动静触头的加工精度要求不高，具有较强的加工误差适应性。3）底盘车丝杠螺距减小，降低摇进摇出速度。丝杠螺纹圈数由22圈改为31圈，提高断路器与柜体的配合精度和导轨强度，减少导轨变形量，提高手车进出平稳性，改善手车进出柜体时出现的爬坡和退坡现象。

2中压开关柜温升超标问题的解决对策

2.1执行预防性测试

为了科学评估中压开关柜的状态并严格按照相关要求进行试验操作，有必要定期对中压开关柜和内部设备进行预防性测试。第一，如果试验数据不符合规范，应对以往的历史数据和试验监测环境进行合理的分析和判断，排除环境影响，再判断故障类型。经过试验和维护工作后，应立即进行维修，并应重新起动开关柜中的每个连接点和相关的试验设备，确保连接点的可靠连接，以避免潜在的安全隐患威胁人身安全。第二，运用先进的技术进行预防故障测试，结合以往试验数据和实际情况进行合理判断，对故障类型进行合理分类。同时，进行相应的修复测试，将发生危险的可能性降到最低，提高设备的安全性。利用计算机等进行线路模拟，同时对各种影响因素进行模拟，记录相应的数据，进行研究和探讨，从而能够更好地找出解决对策。第三，完善风险管理和应急处理体系，需始终坚持预防为主的原则，对风险因素进行研究和试验，保证开关柜设备的安全运行。同时，制订应急处理措施，保证在紧急情况下对开关柜设备处理方法的可行性和安全性，防止发生安全事故

^[3]。

2.2 进行在线监测

在线监测技术主要使用计算机技术与监测技术相结合实现在线监测。通过使用在线监测技术监测中压开关柜的实际温升，可以及时发现存在的问题并进行处理。为了提高中压开关柜的效率，有必要加大对先进在线监测系统的研究和开发。同时，应加强对开关柜内部开关连接、铜排、触点和相关辅助部件的实时监测，以确保开关柜处于正常工作状态。在线监测中压开关柜可以帮助相关人员实时监测其温度，还可以设置警报值，一旦被监测设备的温度达到设定警告值，系统将发出警告，使相关人员可以及时采取有效的对策以最大程度上降低风险。同时，运用计算机传感技术和大数据云计算技术可以实现对开关柜设备的24h监测，从而保证开关柜设备的安全运行。此外，采用红外线感应设备对开关柜内部进行检测，可以了解其内部温度等数值，以便及时发现问题并解决，保证开关柜运行的稳定性。

2.3改善辐射散热

散热器的表面进行阳极氧化发黑处理，可以增加辐射系数。铜排自身的导热性较好，但是由于表面摩擦力较小，辐射系数较低。因此，通常要求铜排表面涂漆或套热缩套管处理，可以增加辐射系数。热缩套管与铜排表面应紧密贴合，无气泡^[4]。

3结束语

以温升试验数据作为基础，分析了影响开关柜温升的因素，并针对各因素提出解决措施。通过基于三维建模及有限元仿真分析，得到开关柜三维温度场和流场分析结果，综合考虑成本、工艺、材料水平等因素，设计了改善流场分布的装置和带散热功能的泄压装置。对改进后开关柜再次进行了温升试验，开关柜触头盒内部温升降低明显，满足国家标准的要求，验证了改进方案可以有效降低自然通风开关柜有关位置的温升。

参考文献：

1. 曹志民,吴小钊,刘永庆,等.一种非自力型梅花触头抱紧力计算方法[J].中压电器,2019,51(8):98-101.

2. 李晶,满家健,周电波,等.金属封闭中压开关柜手车触头温度场仿真分析及实验研究[J].中压电器,2019,51(8):74-79.

3. 杨永通，彭彦卿，袁传镇，等.基于有限元分析的开关柜温度场研究与优化[J].中压电器，2019，55(10):81⁃86.

4. 钟显，胡洪武，刘芳，等.金属封闭式开关柜发热原因分析及对策探讨[J].石河子科技，2019(4):39⁃43.