杜麗 丁永生 石維東 劉 進 陸 軍

（1. 南瑞集團公司（國網電力科學研究院），南京 211000；2. 江蘇南瑞帕威爾電氣有限公司，南京 211000；3. 上海置信電氣股份有限公司，上海 200335）

開關柜的溫升設計對于開關柜能否長期穩(wěn)定運行至關重要。開關柜由于體積小、結構復雜，柜內元器件的散熱條件比較惡劣，導致溫升容易超標。元器件溫度過高會導致開關柜內設備提前老化，造成設備損壞和用戶停電[1]。

近年來，許多學者對開關柜的溫升問題進行了研究。一些學者采用仿真分析或建立微積分數學模型的方法對開關柜的局部元件如觸頭、母線、電纜及斷路器等進行了傳熱、溫升的數值仿真分析[2-10]。開關柜整體的溫升是受各部件綜合影響的，一些學者和同行利用有限元分析軟件進行了仿真分析，得到了開關柜整體的溫度場分布[11-14]，且溫升試驗結果表明仿真分析與試驗數據有較好的一致性。

1 開關柜溫升的影響因素

開關柜的溫升由發(fā)熱和散熱情況綜合決定。其中開關柜的主要發(fā)熱原因是柜體產生的電阻損耗，公式由式（1）給出。開關柜的散熱有熱傳導、熱對流、熱輻射3種情況。傅里葉定律（Fourier’s law）對熱傳導現象做出了較為明確的表達，其表達式如式（2）所示。熱對流遵循牛頓冷卻定律（Newton’s law of cooling），表達式如式（3）所示。熱福射遵循斯蒂芬一波爾茲曼定律，其數學公式如式（4）所示。

式中，P為電阻損耗功率，W；Ka為附加損耗系數；I為額定電流，A；R為導體電阻，包括回路內導體的直流電阻和電接觸電阻兩部分，Ω。

式中，Φ 為熱流率，W；λ 為導熱系數，W/（m·K）；t為溫度，K；x為在導熱面上的坐標，m。

式中，Φ 為熱流率，W；hc為對流傳熱系數，W/（m2·℃）；A 為散熱面積，m2；tw為物體表面溫度，℃；tf為流體溫度，℃。

式中，Φ 為熱流率，W；ε 為輻射率，其中 0＜輻射率＜1；σ 為斯蒂芬-波爾茲曼常數，其值為 5.67×10-8W/（m2·K4）；A1為為輻射面 1 的面積，m2；F12為形狀系數；T1為輻射面 1的溫度，K；T2為輻射面2的溫度，對于空氣絕緣開關柜KYN96，即為空氣毗鄰開關柜零部件處的溫度，K。

在散熱方面，由式（3）、式（4）可看出，熱對流散熱量與部件表面和空氣間的溫差成正比例關系；熱輻射散熱量與 （ T14- T24）成正比關系， T14-T4= ΔT4+ 4 T ΔT3+ 6 T2Δ T2+ 4 T3ΔT ，其中 Δ T=T - T ，12也就是說，環(huán)境溫度對開關柜的輻射散熱是有影響的。在發(fā)熱方面，由式（1）來看，發(fā)熱量與柜體的電阻成正比例關系。因此，柜體結構中影響電阻的參數（如銅排規(guī)格、導體材料）都將影響到開關柜的發(fā)熱量。

2 樣機與研究方法簡述

本文以典型開關結構KYN96-12的出線柜為研究對象，開展了環(huán)境溫度、結構參數（銅排規(guī)格、導體材料）對開關柜溫升影響的仿真分析與試驗研究。

2.1 樣機參數

該出線柜樣機額定電流為1250A，尺寸為（寬×深×高）800mm×1500mm×2240mm；樣機引出排規(guī)格為80mm×10mm，上分支排規(guī)格為80mm×10mm，下分支排規(guī)格為 80mm×8mm。引出排伸出柜外500mm?；芈冯娮铚y試儀測得三相導體的回路電阻分別為 68μΩ、63μΩ、62μΩ；其中配套斷路器 NPV-12的三相回路電阻分別為30μΩ、30μΩ、29μΩ。

樣機中觸頭盒安裝板與穿墻套管安裝板的材料為不銹鋼板，電纜拼板材料為鋁板，其他殼體材料為敷鋁鋅板；斷路器觸臂材料為鋁，其他導體材料為銅。

2.2 仿真分析簡介

將簡化的出線柜模型導入電磁分析軟件，刪除絕緣件（不導電，不產生歐姆損耗）后進行熱損耗分析，得到熱源分布。仿真電流大小與試驗電流相等，為 1.1倍的額定電流。然后將模型導入熱分析軟件，導入熱源后進行穩(wěn)態(tài)熱分析，得到整柜的溫度場分布情況。

模型簡化與仿真方法參考文獻[12]，與文獻[12]不同之處在于，本文進行了出線柜整柜的穩(wěn)態(tài)熱分析。圖1為出線柜樣機簡化后的三維模型，包含殼體、導體及必要的絕緣件。圖2為出線柜的歐姆損耗分布云圖。圖3為出線柜的溫度仿真云圖。為清晰顯示柜內部件云圖，圖 2、圖 3已將部分殼體零件設置為“不顯示”狀態(tài)。

圖1 出線柜的簡化模型

圖2 出線柜的歐姆損耗

圖3 出線柜的溫度仿真

2.3 溫升試驗簡介

按行業(yè)標準DL 404—2007《3.6kV～40.5kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》的要求進行溫升試驗，對出線柜的三相導體施加相位相差120°、大小為 1.1倍額定電流的試驗電流，觀察記錄儀器上的溫度變化情況，達到穩(wěn)定狀態(tài)后記錄探頭處的溫度數據。溫升測試儀為上海松寶科技發(fā)展有限公司的SBWS-01，記錄裝置型號為SBWS-32L，探頭采用熱電偶溫度傳感器。圖4顯示了溫升試驗中梅花觸頭上的測點布置情況。

圖4 溫升試驗系統(tǒng)框圖

總體來說，出線柜梅花觸頭處的溫升隨初始環(huán)境溫度升高而降低，但降幅不大。因此，環(huán)境溫度對1250A出線柜的溫升情況有一定的影響，但影響較小。溫升仿真數據與試驗數據最大誤差出現在 A相下觸頭處，絕對誤差4.2℃，相對誤差6.5%。

3.2 銅排規(guī)格對溫升的影響

樣機其他結構保持不變，僅將引出排規(guī)格由80mm×10mm 分別修改為 100mm×10mm、120mm×10mm，對3種規(guī)格引出排的出線柜進行溫升仿真，

由于溫升試驗本身具有一定的誤差，因此對于相近環(huán)境溫度、相同結構的多次試驗結果取平均值，然后進行分析研究。

3 環(huán)境與結構參數對溫升的影響

分別改變環(huán)境溫度與樣機的引出排規(guī)格、斷路器觸臂材料，通過進行仿真分析與溫升試驗，研究對開關柜溫升性能造成的影響。因為梅花觸頭是開關柜裸露導體中溫升最高的部位，所以對各相梅花觸頭處的溫升進行比較分析。

3.1 環(huán)境溫度對溫升的影響

樣機結構參數不變，研究環(huán)境溫度不同時開關柜的溫升情況。分別將外界初始溫度設置為10℃、30℃，進行出線柜的溫升仿真分析，得到穩(wěn)定狀態(tài)時的環(huán)境溫度分別為 13.2℃、32.4℃。進行溫升試驗時環(huán)境溫度不能精確控制，在不同季節(jié)共進行了多次溫升試驗，穩(wěn)定狀態(tài)下的環(huán)境溫度分別約為9℃、31℃。

圖5給出了仿真分析及溫升試驗中出線柜梅花觸頭上的溫升對比。從中可看出，在仿真分析中，隨外界初始溫度從10℃上升至30℃，各相梅花觸頭處的溫升逐漸降低，降幅最大0.7℃；在溫升試驗中，A相上、下觸頭，B相上觸頭及C相上、下觸頭5個探點的溫升都隨初始環(huán)境溫度的升高而有所降低，除A相下觸頭外，其他4處降幅都不大，B相下觸頭的溫度沒有明顯變化。得到的梅花觸頭溫升結果如圖6所示。對三種規(guī)格引出排的出線柜進行溫升試驗，得到的梅花觸頭溫升結果如圖7所示。

圖5 觸頭溫升-環(huán)境溫度不同

圖6 觸頭溫升仿真數據-銅排規(guī)格不同

圖7 觸頭溫升試驗數據-銅排規(guī)格不同

在仿真數據和試驗數據折線圖中，可發(fā)現共同規(guī)律為：引出排規(guī)格由80mm×10mm換成100mm×10mm時，各相上觸頭溫升降低，下觸頭溫升升高；引出排規(guī)格再換成120mm×10mm時，各相上、下觸頭溫升都有所降低。試驗數據顯示，原本溫升較高的上觸頭溫升降幅較大，已降至標準以內。引出排規(guī)格由 80mm×10mm修改為 120mm×10mm后，仿真分析中各相上觸頭溫升下降了 3℃以上，試驗分析中則下降了4℃以上。

3.3 斷路器導體材料對溫升的影響

樣機引出排規(guī)格保持為80mm×10mm不變，僅將斷路器觸臂的材料由鋁改成銅，分別對柜體進行溫升仿真和試驗，得到的梅花觸頭溫升結果如圖 8所示。圖8中，從仿真結果來看，斷路器觸臂的材料由鋁變成銅后，梅花觸頭上各點的溫升降低了2℃～3℃；從試驗結果來看，材料變化后，除 C相下觸頭之外，其他各觸頭上溫升降低了2℃～9℃。因此，將斷路器觸臂的材料由鋁質變成銅質，可使觸頭處的溫升至少降低2℃；試驗中C相下觸頭溫升不降反升，認為是溫升試驗本身所具有的誤差導致。

圖8 觸頭溫升-觸臂材料不同

4 結論

本文以KYN96-12的出線柜為研究對象，利用仿真技術研究了環(huán)境溫度、銅排規(guī)格、導體材料三個因素對開關柜溫升情況的影響，得出結論如下：

1）環(huán)境溫度對開關柜溫升有一定的影響，但影響較小。開關柜溫升隨初始環(huán)境溫度的升高而略有降低。

2）引出排規(guī)格對開關柜溫升有較大影響。引出排規(guī)格由 80mm×10mm換成 100mm×10mm時，各相上觸頭溫升降低，下觸頭溫升升高；引出排規(guī)格再換成120mm×10mm時，各相上、下觸頭溫升都有所降低。引出排規(guī)格由80mm×10mm修改為120mm×10mm后，仿真分析中各相上觸頭溫升下降了3℃以上，試驗分析中則下降了4℃以上。

3）斷路器觸臂材料對開關柜溫升也有明顯影響。斷路器觸臂的材料由鋁變?yōu)殂~后，仿真分析表明，梅花觸頭上各點的溫升降低了2℃～3℃，試驗結果表明，各觸頭溫升降幅在2℃以上。

4）仿真分析結果與試驗結果相吻合，可用于指導開關柜的溫升優(yōu)化及設計。