陳 成

（無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214028）

0 引言

KYN28型中置式鎧裝配電柜是配電柜市場(chǎng)上一種典型的高壓開關(guān)設(shè)備，它可以配置ABB公司生產(chǎn)的VD4、國(guó)內(nèi)各廠家生產(chǎn)的VS1（ZN73）、GE公司生產(chǎn)的VB2等多種型號(hào)的真空斷路器以及C3系列的固定負(fù)荷開關(guān)。KYN28型配電柜是我國(guó)高壓配電柜行業(yè)的主導(dǎo)設(shè)備，它具有體積小巧、外形美觀、結(jié)構(gòu)剛性好，檢修方便，互換性好等特點(diǎn)。

近年來，隨著中壓輸配電開關(guān)設(shè)備的大容量、大電流趨勢(shì)發(fā)展，用電負(fù)載不斷增大，由于工作產(chǎn)生過熱而引發(fā)設(shè)備故障的現(xiàn)象，已經(jīng)成為我國(guó)高壓配電柜行業(yè)面臨的主要技術(shù)問題。

配電柜中的熱源主要由各種電阻產(chǎn)生，柜內(nèi)發(fā)熱功率高于散熱功率，想要降低配電柜的發(fā)熱功率，主要還是從怎樣減小各種電阻和減小鄰近效應(yīng)、集膚效應(yīng)對(duì)電阻的影響，但僅僅依靠降低配電柜發(fā)熱來控制配電柜的溫升是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，從目前的技術(shù)水平看，減小接觸電阻的手段非常有限，并且成本高，因此還必須考慮改善配電柜的散熱條件，散熱最有效的手段就是強(qiáng)制風(fēng)冷。筆者結(jié)合企業(yè)實(shí)際工作經(jīng)歷，從改善配電柜散熱條件方面來討論如何進(jìn)行配電柜的溫升控制。

對(duì)比改造前的配電柜結(jié)構(gòu)，從增加柜體散熱面積和增加通風(fēng)口面積、增加強(qiáng)制風(fēng)冷方式和柜內(nèi)風(fēng)道冷卻方式、改進(jìn)靜觸頭設(shè)計(jì)及靠近熱源處材料涂覆黑色電泳漆等幾方面進(jìn)行KYN28型配電柜的結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)。

1 增加柜體散熱面積和通風(fēng)口面積

工程上熱對(duì)流散熱功率Py，一般計(jì)算公式：

其中：Py表示對(duì)流散熱功率；SC表示柜體散熱面積；ΔTS表示外界空氣與散熱面的溫度差。

工程上熱輻射散熱功率Pr，一般計(jì)算公式：

其中：Pr表示柜體散熱功率；ε表示柜體表面輻射系數(shù)；Tm表示允許溫升；ΔTs同上；Sr表示柜體輻射表面積。

根據(jù)以上兩個(gè)式子可知，增加柜體散熱面積是減少配電柜散熱的關(guān)鍵，一般來說配電柜的柜頂、前面和后面是主要散熱面，由于配電柜結(jié)構(gòu)特征，很難改動(dòng)和提高這三個(gè)主要散熱面面積，可以考慮把不能散熱的兩側(cè)改進(jìn)成可以散熱，以此來提高散熱面積。

企業(yè)放置大電流配電柜時(shí)，可以在并排安裝的配電柜左右兩側(cè)與其它配電柜間距約0.2 m距離，基于美觀和安全，可以在空隙處前面和后面安裝封板，柜頂不封，保證空氣流通，以此增加柜體兩側(cè)散熱面積[1]。

1.1 柜體自然通風(fēng)下散熱計(jì)算

配電柜通風(fēng)口處自然對(duì)流的散熱功率，一般計(jì)算公式為：Pv=CPρ（gH/Tm）× 103。

其中：CP表示空氣主壓比熱；ρ表示空氣密度；g表示重力加速度；H表示吸排氣口高度差；Tm表示許用溫升；ΔTa表示柜體內(nèi)部空氣溫升值；Ae表示吸排氣等效面積；A1、A2表示吸氣口、排氣口面積；K1、K2表示吸氣口、排氣口局部阻力系數(shù)。

1.2 柜體發(fā)熱功率計(jì)算

配電柜中由于采用各種措施控制感應(yīng)發(fā)熱，所以PC磁感應(yīng)的熱功率可以忽略。電流互感器采用穿心式電流互感器，其發(fā)熱同樣可以忽略，因此配電柜內(nèi)實(shí)際發(fā)熱功率為

其中：PT表示導(dǎo)體電阻；PT表示接觸電阻；PD表示斷路器內(nèi)部電阻。

根據(jù)電阻與發(fā)熱功率的關(guān)系，又可以表示為PZ=I2（RT+RJ+RD）。

由此可知，改善柜體散熱情況可通過增大通風(fēng)口面積來實(shí)現(xiàn)?？梢愿倪M(jìn)柜體原先的吸、排氣口（孔口面積0.05 m2）中吸氣口孔口面積增至0.08 m2，排氣口孔口面積不能再變，以此增大通風(fēng)口面積，提升散熱效果。

2 強(qiáng)制風(fēng)冷方式與柜體風(fēng)道設(shè)計(jì)

同等情況下，強(qiáng)制對(duì)流降溫效果是自然散熱的3～8倍，因此可以采用強(qiáng)制風(fēng)冷來有效降低溫升[2]。

強(qiáng)制風(fēng)冷送風(fēng)量的一般計(jì)算公式：

其中：V表示強(qiáng)制送風(fēng)量；Pq表示散熱功率；CP、ρ、ΔTa同上；ξ表示通風(fēng)口阻力系數(shù)。

柜體后上蓋板安裝330（m3/h）送風(fēng)量150FZY2-D型號(hào)軸流風(fēng)機(jī)2只；母線室選用安裝于蓋板左右側(cè)面的150FZY2-D型號(hào)軸流風(fēng)機(jī)2只；氣道上方選用安裝于蓋板前面的150FZY2-D型號(hào)軸流風(fēng)機(jī)2只；前柜選用安裝于斷路器室底部，2 250（m3/h）送風(fēng)量GFD850-155型號(hào)橫流風(fēng)機(jī)1只，并且使得出風(fēng)口直接對(duì)準(zhǔn)斷路器框架。

風(fēng)道冷卻可以科學(xué)控制氣流，改善散熱效果，規(guī)定氣流流通路徑，并合理分配氣流至各單元與組件，同時(shí)可以減低冷空氣輸送阻力，避免被大型元件阻塞而造成風(fēng)量損耗，基于此種原因，設(shè)計(jì)了風(fēng)道冷卻方式。

首先在橫流風(fēng)機(jī)上部開設(shè)小室，設(shè)計(jì)隔板尺寸減小至小室口，迫使送風(fēng)量都在風(fēng)道內(nèi)流動(dòng)，氣道頂端設(shè)置三個(gè)軸流風(fēng)機(jī)，柜體前下門設(shè)置密小網(wǎng)孔，構(gòu)成針對(duì)真空斷路器和觸頭盒進(jìn)行散熱的氣流路徑。

由于母排全部集中于后柜，后柜發(fā)熱量較大。同樣在柜體后柜下端和母線室后隔板上設(shè)置密小網(wǎng)孔，安裝軸流風(fēng)機(jī)于母線室上端和后上覆板處，促使氣流b和氣流c相互對(duì)流。通過對(duì)主母排的快速風(fēng)冷，使觸頭盒內(nèi)熱量通過母排更快散熱，這在金屬傳導(dǎo)中也是散熱效率最高的。

3 靜觸頭的改進(jìn)設(shè)計(jì)

觸頭盒內(nèi)由于發(fā)熱量高，空間狹小，散熱困難，最容易達(dá)到和超過溫升規(guī)定范圍，因此必須優(yōu)化靜觸頭結(jié)構(gòu)。改進(jìn)前母線和柜體底部可視接觸部分為銅管截面，面積很小，改進(jìn)后采用整體式結(jié)構(gòu)，由銅棒加工而成，這樣可增大母線和柜體底部接觸面積，減小阻值。柜體底部采用槽型結(jié)構(gòu)，以此增大靜觸頭散熱面積，提升散熱效率。由于內(nèi)部聚集的熱空氣溫度很高，為方便此部分熱空氣對(duì)流散熱，在靜觸頭上、下部分別設(shè)計(jì)改造加工3×φ7 mm小孔。試驗(yàn)證明，通過在上、下部各開三個(gè)小孔，既提高了靜觸頭散熱效率，又不影響靜觸頭強(qiáng)度。為節(jié)約成本，可先用銅坯鍛造粗毛坯，后精加工成靜觸頭的工藝方法，如圖1所示。

圖1 靜觸頭改進(jìn)后示意圖

4 靠近熱源處材料涂覆黑色電泳漆

在靠近熱源處材料涂覆黑色電泳漆，可以合理提升熱量輻射系數(shù)，改善柜內(nèi)散熱效果。在柜體內(nèi)靠近熱源處隔板與側(cè)板處涂覆黑色電泳漆，在靠近熱源處的安裝觸頭盒中間隔板、互感器安裝板、母線室與電纜室隔板等位置處同樣涂覆黑色電泳漆，并通過傳導(dǎo)到柜體進(jìn)行散熱，起到較好的降溫效果。涂覆黑色電泳漆情況如圖2企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際拍攝所示。

圖2 材料發(fā)黑處理的位置

5 改進(jìn)前后溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

在工程設(shè)計(jì)中，對(duì)改進(jìn)措施是否有效的最好檢驗(yàn)手段就是做溫升試驗(yàn)[3]。

5.1 溫升試驗(yàn)方案

溫升試驗(yàn)采用SLQ-82大電流發(fā)生器，溫升試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)盡可能模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，并且要在最惡劣的環(huán)境中進(jìn)行：

1）環(huán)境溫度14℃；

2）周圍風(fēng)速不大于0.5 m/s；

3）試驗(yàn)電流4 000 A；

4）銅排規(guī)格三根10×120 mm2；

5）如果實(shí)測(cè)溫升在1 h內(nèi)的溫升增加不超過1 K就認(rèn)為溫升達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

6）配電柜兩側(cè)邊屛應(yīng)安裝在柜上，防止來自外部的過度加熱和冷卻。

在溫升試驗(yàn)方案中，需要對(duì)配電柜中以下部位進(jìn)行溫升檢測(cè)：主母排本體、主母排的聯(lián)接處、斷路器靜觸頭、斷路器梅花觸頭、斷路器觸臂、斷路器內(nèi)部聯(lián)接處。根據(jù)規(guī)定，以上位置是配電柜在運(yùn)行時(shí)最容易發(fā)生局部過熱的部位，尤其是動(dòng)靜觸頭聯(lián)結(jié)處和斷路器內(nèi)部聯(lián)結(jié)處。由于這兩處位置接觸電阻較大，并且空間狹小和對(duì)流條件差，運(yùn)行中最容易發(fā)生過熱故障[4]。因此在試驗(yàn)中必須把這些易發(fā)熱的部位挑選出來，并對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，了解在運(yùn)行過程中溫升的實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較，從而找出柜內(nèi)真正的發(fā)熱點(diǎn)，有助于對(duì)過熱故障的解決。

5.2 改進(jìn)前后溫升試驗(yàn)具體情況比較

配電柜改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)，在后覆板上加了三個(gè)型號(hào)為150FZY2-D軸流風(fēng)機(jī)，前下門和后下門上都開了通風(fēng)孔，通風(fēng)口處焊濾網(wǎng)，柜頂上四周加散熱孔，梅花觸頭和靜觸頭都采用鍍厚銀，采用穿心式互感器。該設(shè)計(jì)雖然考慮了柜體的散熱，如強(qiáng)迫風(fēng)冷、開散熱孔，但許多措施沒有實(shí)施到位：

首先，只在后柜采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，忽略了前柜散熱，前后柜之間幾乎是密閉的，熱空氣無(wú)法進(jìn)行對(duì)流，觸頭盒內(nèi)和斷路器室內(nèi)的散熱條件沒有得到改善，因此單在后柜進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷是不夠的。

其次，前后門上的散熱面積太小，因?yàn)榭紤]到配電柜防護(hù)等級(jí)要求，所以在通風(fēng)處焊空氣濾網(wǎng)，其孔徑小于1 mm，因此對(duì)流的局部損失系數(shù)很大。

最后，動(dòng)靜觸頭配合處的接觸電阻大，靜觸頭的結(jié)構(gòu)不合理使此處溫度相對(duì)較高，并且在設(shè)計(jì)中主回路增加了了一處接觸電阻，增加了配電柜的發(fā)熱功率。

通過溫升試驗(yàn)，我們感覺改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是有缺陷的，柜內(nèi)各處的溫升都超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，柜內(nèi)熱量較高，容易引發(fā)事故。

配電柜改進(jìn)后，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，將150FZY2-D型號(hào)軸流風(fēng)機(jī)分別安裝于上蓋板（2只），母線室（左右各一只），氣道上方（2只）；將GFD850-155型號(hào)橫流風(fēng)機(jī)安裝于柜體前柜斷路器室底端（1只），風(fēng)機(jī)出風(fēng)口直吹斷路器框架：靜觸頭采用圖1結(jié)構(gòu)，并且梅花觸頭和靜觸頭都采用鍍厚銀；采用穿心式電流互感器。前后門的散熱面積擴(kuò)大；水平母線后隔板開散熱孔，使電纜室和母線室熱空氣可以對(duì)流。

通過溫升試驗(yàn)，可以看出以上結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施是富有成效的，配電柜內(nèi)各處的溫升，尤其是觸頭盒內(nèi)的溫度都比原先改進(jìn)前降低許多，并且都符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

雖然溫升試驗(yàn)是檢驗(yàn)配電柜溫升的唯一手段，并且在測(cè)試中盡量模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，但也有其局限性。樣柜是單臺(tái)試驗(yàn)，樣柜的兩側(cè)都可以散熱，而實(shí)際運(yùn)行中配電柜并不是單臺(tái)排列的，兩側(cè)還有其他柜，這些柜也同樣需要散熱，因此真正可以散熱的只有配電柜頂部、正面和背面共三個(gè)散熱面；配電柜的溫升還與當(dāng)?shù)丨h(huán)境（如溫度、濕度、空氣中的粉塵）有密切聯(lián)系，環(huán)境差，形成的接觸電阻就越大，配電柜的發(fā)熱功率也就越大?，F(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際溫升數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)是有差別的，實(shí)際溫升數(shù)據(jù)要高于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)際溫升數(shù)據(jù)收集需在以后的工作中不斷積累，以此作為對(duì)配電柜調(diào)整、改良的依據(jù)。