薛繼鵬,唐景春

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

大電流開關(guān)柜熱管散熱實(shí)驗(yàn)研究

薛繼鵬,唐景春

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

作為重要輸電設(shè)備的大電流開關(guān)柜,其關(guān)鍵部件靜觸頭安裝于樹脂塑料觸頭盒內(nèi),空氣對(duì)流空間狹小,散熱效果較差,容易引發(fā)開關(guān)觸頭的過熱、劇烈氧化和燒融等故障現(xiàn)象,給供電系統(tǒng)的安全性和可靠性帶來隱患。為了強(qiáng)化開關(guān)柜靜觸頭的散熱,控制其溫升達(dá)到國家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求,文章以KYN44A-12大電流開關(guān)柜為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了3種形式的熱管散熱裝置,安裝于觸頭盒內(nèi)以強(qiáng)化靜觸頭的散熱能力;利用光纖溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)安裝有熱管的開關(guān)柜靜觸頭溫升進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,熱管蒸發(fā)段的結(jié)構(gòu)形式對(duì)開關(guān)柜靜觸頭的散熱有著重要的影響,采用蒸發(fā)段呈“L”形結(jié)構(gòu)的熱管換熱器,散熱效果明顯,使開關(guān)柜母線室及電纜室內(nèi)靜觸頭的溫升得到了有效控制。

熱工學(xué);開關(guān)柜;熱管散熱;實(shí)驗(yàn)測(cè)試

大電流開關(guān)柜是常見的輸電設(shè)備,對(duì)電網(wǎng)的可靠性運(yùn)行至關(guān)重要。

由于開關(guān)柜具有多種發(fā)熱元器件,且柜內(nèi)氣流不暢,內(nèi)部空氣流動(dòng)速度大約在0.2～0.3 m/s數(shù)量級(jí)[1],散熱條件較差[2]。作為開關(guān)柜核心部件的靜觸頭,由于安裝在觸頭盒內(nèi),空氣對(duì)流空間狹小,常常會(huì)發(fā)生過熱、劇烈氧化和燒融等故障。尤其是在炎熱的夏季[3],居民生活用電峰值和工業(yè)用電峰值相互疊加,觸頭溫度可達(dá)上百攝氏度,超出國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中溫升不能超過65 K的要求[4],給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來了隱患[5],不得不降低容量來保證關(guān)鍵零部件溫升不超過國標(biāo)溫升上限,造成電網(wǎng)的維護(hù)成本增加。針對(duì)大電流開關(guān)柜散熱問題的研究,主要集中于觸頭及母線溫度在線監(jiān)測(cè)和強(qiáng)化散熱能力2個(gè)方面,關(guān)于溫度在線監(jiān)測(cè)的文獻(xiàn)比較多,而關(guān)于強(qiáng)化散熱能力的文獻(xiàn)卻較少。

文獻(xiàn)[6]通過在靜觸頭表面開散熱孔,形成對(duì)流,達(dá)到降低溫度的目的;文獻(xiàn)[7]用有縫隙的金屬棒代替普通的金屬導(dǎo)體,增加導(dǎo)體與空氣的接觸面強(qiáng)化局部散熱;文獻(xiàn)[8]在開關(guān)柜靜觸頭的外側(cè)加貼鋁合金散熱片,增加導(dǎo)體散熱面積,解決靜觸頭散熱不佳的情況;文獻(xiàn)[9]采用在開關(guān)柜后面板上加裝隔離式翅片熱交換器,進(jìn)行強(qiáng)化散熱和溫度在線監(jiān)測(cè)的研究;文獻(xiàn)[10]探討了用一個(gè)外層是無氧銅管,內(nèi)層是不銹鋼管的水-重力熱管在高壓真空斷路器中替代導(dǎo)電銅棒的可行性,在實(shí)現(xiàn)傳熱強(qiáng)化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電阻的進(jìn)一步減小。過高的觸頭溫度會(huì)造成母線接觸退化[11]以及電器設(shè)備的“溫度8 ℃效應(yīng)”[3]。

熱管是一種高效的導(dǎo)熱部件,安全可靠,具有較好的適應(yīng)性和自復(fù)位性。本文以KYN44A-12開關(guān)柜為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)3種蒸發(fā)段結(jié)構(gòu)形式的熱管散熱裝置,實(shí)驗(yàn)研究熱管散熱對(duì)大電流開關(guān)柜靜觸頭溫度控制的影響,以利于其在開關(guān)柜改造升級(jí)中的應(yīng)用。

1 大電流開關(guān)柜熱管設(shè)計(jì)

KYN44A-12開關(guān)柜的基本構(gòu)造如圖1所示。

試驗(yàn)測(cè)得KYN44A-12/T4000-40單個(gè)靜觸頭的發(fā)熱功率為175 W,以毛細(xì)極限作為熱管散熱能力計(jì)算式[12],即

(1)

(2)

其中,Qc，max為毛細(xì)極限;Aw為吸液芯橫截面積;K為吸液芯滲透率;re為吸液芯毛細(xì)半徑;le為熱管蒸發(fā)段長(zhǎng)度;Nl為工質(zhì)品質(zhì)因素;ρl、σl、L、μl分別為工作溫度下液態(tài)工質(zhì)的密度、液體表面張力、蒸發(fā)潛熱、液體動(dòng)力黏度。

通過對(duì)熱管的毛細(xì)泵力、工質(zhì)的品質(zhì)因素、吸液芯滲透率、吸液芯橫截面積、攜帶極限、聲速極限、沸騰極限等性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)KYN44A-12開關(guān)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了3種形式的熱管換熱器。

3種熱管換熱器的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.繼電器室 2.斷路器 3.斷路器手車室 4.前下室 5.鼓風(fēng)機(jī) 6.電纜室 7.后下門 8.電流互感器 9.下樁銅排 10.觸頭盒 11.后上門 12.靜觸頭 13.引風(fēng)機(jī)1 14.上樁銅排 15.母線室 16.引風(fēng)機(jī)2 17.引風(fēng)機(jī)3圖1 開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)

(a) 熱管換熱器Ⅰ (b) 熱管換熱器Ⅱ (c) 熱管換熱器Ⅲ圖2 熱管換熱器

熱管換熱器Ⅰ用于開關(guān)柜母線室靜觸頭散熱,為保證絕緣距離同時(shí)達(dá)到散熱要求,采用了波浪形狀開窗的不銹鋼散熱翅片,熱管采用4根外徑φ8、壁厚0.5 mm的銅-水-銅粉末燒結(jié)管芯結(jié)構(gòu),熱管安裝塊為厚度20 mm的柱狀紫銅,外徑與銅排寬度相同,熱管插入安裝塊的4個(gè)梯形通孔后采用高溫錫焊固定。熱管換熱器Ⅱ和熱管換熱器Ⅲ的散熱對(duì)象為開關(guān)柜的電纜室靜觸頭,散熱翅片類型和材質(zhì)、熱管基本尺寸、管芯類型、換熱工質(zhì)以及熱管固定塊均與熱管換熱器Ⅰ相同,區(qū)別之處在于熱管換熱器Ⅱ和Ⅲ的安裝空間充足,采用的是平直翅片。熱管換熱器Ⅱ的蒸發(fā)段彎折呈“L”形,采用這種結(jié)構(gòu)形式主要是因?yàn)殡娎|室每相回路均安裝有電流互感器,“L”形的熱管換熱器Ⅱ安裝時(shí)會(huì)與電流互感器發(fā)生干涉,使用熱管換熱器Ⅱ就必須先更換母線,調(diào)整互感器的安裝位置,故熱管換熱器Ⅱ主要用于開關(guān)柜新產(chǎn)品開發(fā)和升級(jí);而熱管換熱器Ⅲ是針對(duì)目前還在使用的存量開關(guān)柜量身設(shè)計(jì)的,現(xiàn)有開關(guān)柜安裝熱管換熱器Ⅲ過程中不需要更換母線,換熱器與互感器不發(fā)生位置干涉,但熱管蒸發(fā)段彎折了4次,流動(dòng)損失較大,換熱效率下降,因此,換熱器Ⅲ主要用于還在使用的存量開關(guān)柜改造。

在母線室的B相和C相開關(guān)靜觸頭處分別安裝熱管換熱器Ⅰ;在電纜室的B相開關(guān)靜觸頭處安裝熱管換熱器Ⅱ,C相開關(guān)靜觸頭處安裝熱管換熱器Ⅲ;為了對(duì)比分析開關(guān)靜觸頭安裝熱管前、后的溫度分布,母線室和電纜室的A相開關(guān)靜觸頭均未安裝熱管換熱器。

2 開關(guān)柜靜觸頭溫升實(shí)驗(yàn)

在開關(guān)柜溫升實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中使用光纖在線測(cè)試技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量開關(guān)靜觸頭的溫度。安裝有熱管換熱器的觸頭測(cè)溫點(diǎn)布置在熱管蒸發(fā)段的管壁上,未安裝熱管換熱器的觸頭測(cè)溫點(diǎn)布置在靠近觸頭的銅排上。

(1) 實(shí)驗(yàn)工況1。試驗(yàn)電流3 650 A,不開風(fēng)機(jī),柜內(nèi)封閉良好,環(huán)境溫度22 ℃。工況1母線室觸頭溫度和電纜室觸頭溫度如圖3所示。

圖3 工況1母線室觸頭溫度和電纜室觸頭溫度

由圖3可知,即使在不開風(fēng)機(jī)的情況下,安裝有熱管的靜觸頭也能實(shí)現(xiàn)降溫,只是由于母線室空氣封閉,氣流不暢,降溫幅度較小;電纜室B相和C相的溫度差異較大,降溫幅度超過10 ℃,這說明熱管換熱器Ⅱ換熱效果明顯;熱管換熱器Ⅲ由于經(jīng)過數(shù)次彎折,換熱能力損失較大,對(duì)比未安裝熱管換熱器的A相靜觸頭溫度,其降溫效果甚微。

(2) 實(shí)驗(yàn)工況2。試驗(yàn)電流3 900 A,不開風(fēng)機(jī),柜內(nèi)封閉良好,環(huán)境溫度22 ℃。

工況2母線室觸頭溫度和電纜室觸頭溫度如圖4所示。

圖4 工況2母線室觸頭溫度和電纜室觸頭溫度

由圖4可知,實(shí)驗(yàn)工況2和實(shí)驗(yàn)工況1相比,由于試驗(yàn)電流從3 650 A增加到3 900 A,母線室和電纜室各相靜觸頭溫度普遍上升;安裝熱管換熱器的靜觸頭溫度在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中均低于未安裝熱管換熱器的靜觸頭溫度,使用熱管換熱器Ⅲ的電纜室C相靜觸頭與A相靜觸頭相比,也實(shí)現(xiàn)了6 ℃的降溫,這說明安裝的熱管換熱器強(qiáng)化了開關(guān)柜靜觸頭的散熱降溫。

(3) 實(shí)驗(yàn)工況3。試驗(yàn)電流4 000 A,實(shí)驗(yàn)開始后120 min時(shí)打開風(fēng)機(jī),柜內(nèi)封閉良好,環(huán)境溫度22 ℃。工況3母線室觸頭溫度和電纜室觸頭溫度如圖5所示。

圖5 工況3母線室觸頭溫度和電纜室觸頭溫度

由圖5可知,在4 000 A的工作電流下,120 min時(shí)打開風(fēng)機(jī),各個(gè)靜觸頭溫度迅速降低,其中母線室靜觸頭的降溫速度比電纜室靜觸頭的降溫速度快,這說明加強(qiáng)空氣對(duì)流可以更加有效地強(qiáng)化母線室散熱能力,后續(xù)關(guān)于強(qiáng)化開關(guān)柜散熱的研究應(yīng)以改善母線室的氣流組織、合理優(yōu)化開關(guān)柜母線室風(fēng)道為重點(diǎn),即強(qiáng)化熱管冷凝段的散熱。

(4) 實(shí)驗(yàn)工況4。試驗(yàn)電流4 000 A,不開風(fēng)機(jī),柜頂風(fēng)機(jī)拆除,前下門打開,通過斷路器支撐板開口進(jìn)風(fēng),環(huán)境溫度25 ℃。

工況4母線室觸頭溫度和電纜室觸頭溫度如圖6所示。

圖6 工況4母線室觸頭溫度和電纜室觸頭溫度

由圖6可知,打開開關(guān)柜前下門,通過斷路器支撐板開口進(jìn)風(fēng)后,各個(gè)靜觸頭測(cè)試溫度全部升高,這是由于散熱方式由實(shí)驗(yàn)工況3強(qiáng)制對(duì)流散熱轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀粚?duì)流散熱,柜內(nèi)空氣流動(dòng)速度變低;其次,斷路器支撐板開口面積不大,且為長(zhǎng)橢圓形結(jié)構(gòu),空氣流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的阻力損失。但與實(shí)驗(yàn)工況2相比,從斷路器支撐板開口進(jìn)風(fēng)改善了母線室的氣流組織,使得熱管的換熱效果有較大的提升。

3 結(jié) 論

本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得出如下結(jié)論:

(1) 熱管換熱器Ⅲ由于蒸發(fā)段經(jīng)過多次彎折,熱管工質(zhì)的流動(dòng)阻力損失較大,換熱效果不佳,在不使用風(fēng)機(jī)散熱的大電流開關(guān)柜中,不宜采用。

(2) 熱管換熱器Ⅱ的蒸發(fā)段彎折呈“L”形,安裝于電纜室B相靜觸頭處,在開風(fēng)機(jī)和不開風(fēng)機(jī)的情況下散熱效果均非常明顯,在新產(chǎn)品的研發(fā)中應(yīng)該推廣使用。

(3) 可以采用熱管換熱器Ⅰ和Ⅲ組合來對(duì)現(xiàn)有的開關(guān)柜產(chǎn)品進(jìn)行散熱改造,母線室只需要加裝熱管換熱器Ⅰ,電纜室加裝熱管換熱器Ⅲ。雖然與熱管換熱器Ⅱ相比,散熱性能略差,但無需更換和移動(dòng)銅排的位置,可降低改造成本;若能接受更換母線的成本,電纜室也可以使用熱管換熱器Ⅱ,這能為未來電力需求增加、進(jìn)一步提高開關(guān)柜通流能力奠定基礎(chǔ),同時(shí)增大開關(guān)柜的熱安全裕度。

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Experimentalstudyofthermaldissipationoflargecurrentswitchgearwithheatpipe

XUE Jipeng，TANG Jingchun

(School of Automobile and Traffic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Large current switchgear is the vital electric transmission device. Being the contacts installed in the resin contact-boxes, the condition of narrow air convection space and abominable thermal dissipation leads to overheating, vigorous oxidation and burn melt fault frequently, and that makes a huge threat to the security and reliability of the power supply system. Based on the purpose of enhancing its cooling efficiency and making the temperature rise reduced, the KYN44A-12 switchgear was set as the research object and three types of heat-pipe exchangers were designed and installed in the contact-boxes. And then the experimental tests on the temperature rise of contacts were taken with the help of optical fiber online temperature monitoring system. The experimental results showed that the form of the structure of heat pipe was fatal to contacts thermal dissipation and the exchanger with L-type evaporation zone had a good effect. Finally, the temperature rise of contacts had been controlled effectively.

pyrology; switchgear; heat pipe heat dissipation; experimental test

2015-07-30；

2015-09-21

合肥工業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研校企合作資助項(xiàng)目(K-GD2014-0767)

薛繼鵬(1989-),男,甘肅涇川人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;

唐景春(1966-),男,安徽巢湖人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師，通訊作者，E-mail:tangjch@126.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.11.007

TB657.5

A

1003-5060(2017)11-1474-05

(責(zé)任編輯 胡亞敏)