摘要：KYN28A-12型10kV中置式開關(guān)柜發(fā)熱問題改善可以從發(fā)熱損耗抑制與散熱效果提升兩方面進(jìn)行分析。在發(fā)熱問題，降低接觸電阻減小電阻熱效應(yīng)、抑制渦流和磁滯損耗是主要手段;在散熱方面，通過設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、增大導(dǎo)體散熱面積、優(yōu)化柜內(nèi)換氣通道強(qiáng)迫風(fēng)冷等一系列方法可以達(dá)成理想的效果。

關(guān)鍵詞：中置式開關(guān)柜;發(fā)熱;散熱

引言

KYN28A-12型10kV中置式開關(guān)柜具有絕緣性能良好、操作可靠、五防功能齊全、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，在城市電網(wǎng)中占據(jù)越來越大的比重，但局部過熱現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，容易加速導(dǎo)體氧化以及絕緣材料老化，降低運(yùn)行可靠性。開關(guān)柜設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)熱、散熱通風(fēng)問題成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首要考慮的內(nèi)容，研究10kV開關(guān)柜發(fā)熱問題，改善開關(guān)柜結(jié)構(gòu)與性能對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性具有重要意義。

1 10kV中置式開關(guān)柜簡(jiǎn)介

KYN28A-12是中置式開關(guān)柜的常見型號(hào)，其中K表示鎧裝金屬封閉開關(guān)設(shè)備，Y表示移動(dòng)式，N表示戶內(nèi)型，28A為設(shè)計(jì)系列序號(hào)，12kV表示額定電壓等級(jí)。

1）開關(guān)柜結(jié)構(gòu)

10kV中置式開關(guān)柜主要由固定的柜體和可移動(dòng)的真空斷路器手車兩大部分組成，柜體又可分為母線室、斷路器室、電纜室、繼電器儀表室四個(gè)部分，主要部件有開關(guān)手車、操作機(jī)構(gòu)、斷路器、接地開關(guān)、互感器、保護(hù)裝置等。

開關(guān)柜結(jié)構(gòu)示意圖

2）開關(guān)柜的發(fā)熱與散熱

A）熱量來源

開關(guān)柜柜內(nèi)發(fā)熱主要來源于電流流過電阻產(chǎn)生的熱效應(yīng)以及交變磁場(chǎng)在周圍導(dǎo)磁金屬材料中發(fā)生的渦流損耗。

一是開關(guān)柜內(nèi)導(dǎo)體熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量。電阻熱效應(yīng)的計(jì)算公式是P=I2R。電流大小主要受負(fù)荷影響，負(fù)荷增加流經(jīng)開關(guān)柜內(nèi)導(dǎo)體的電流大小也隨之增加;接觸電阻過大則可能造成接觸電阻劇增從而引起局部過熱，甚至使觸頭發(fā)生熔焊。

二是渦流損耗發(fā)熱。柜內(nèi)金屬隔板在交變磁場(chǎng)的作用下，將在隔板截面內(nèi)產(chǎn)生渦流從而引起隔板發(fā)熱，該發(fā)熱量與金屬導(dǎo)磁性、導(dǎo)電性、截面積有密切關(guān)系。

B）散熱途徑

一般認(rèn)為，導(dǎo)熱的方式有熱傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射。對(duì)流是指流體內(nèi)部由于各部分溫度、密度不同，從而在重力作用下造成的相對(duì)流動(dòng)，是開關(guān)柜內(nèi)最為重要的散熱途徑。

3）開關(guān)柜溫升試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

由于開關(guān)柜的運(yùn)行情況復(fù)雜多樣，精確的理論計(jì)算非常困難，在熱穩(wěn)定計(jì)算的基礎(chǔ)上通常實(shí)際生產(chǎn)投運(yùn)前會(huì)抽查開關(guān)柜溫升試驗(yàn)。

溫升試驗(yàn)一般從開關(guān)柜母線室分支母線通過銅排引出施加電壓，通過升壓使導(dǎo)體電流達(dá)到額定電流的1.1倍，每隔一段時(shí)間記錄一次測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)，前后兩次溫差無變化則認(rèn)為溫度穩(wěn)定，此時(shí)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)減去環(huán)境溫度即為溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 發(fā)熱問題改進(jìn)

1）發(fā)熱損耗抑制

開關(guān)柜柜內(nèi)發(fā)熱主要來源于電流流過電阻產(chǎn)生的熱效應(yīng)以及交變電流在周圍導(dǎo)磁金屬材料中發(fā)生的渦流損耗。

A）限制接觸電阻

影響接觸電阻的因素主要有材料性質(zhì)、表面涂敷、接觸面積與平整程度和接觸壓力等幾個(gè)方面：

一是材料性質(zhì)。對(duì)開關(guān)柜而言，對(duì)觸頭的要求主要是以下兩點(diǎn)：一是長(zhǎng)期工作中，要求電接觸在長(zhǎng)期通過額定電流時(shí)，溫升不超過標(biāo)準(zhǔn)要求，接觸電阻要保持穩(wěn)定;二是在短時(shí)通過短路電流時(shí)，要求電接觸不發(fā)生熔焊或觸頭材料的噴濺等。一般觸頭使用純銅材質(zhì)，表面鍍銀處理。

二是表面涂敷。在觸頭位置涂抹滴點(diǎn)高、有效時(shí)間長(zhǎng)的電力復(fù)合脂，一方面可阻斷觸頭表面與空氣（O2、水分等）接觸產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，另一方面增大了有效接觸面，有效降低了接觸電阻。

三是改善接觸面積與表面平整度。開關(guān)柜內(nèi)動(dòng)靜觸頭的接觸面積通常與梅花觸頭數(shù)量、觸頭直徑以及觸頭插入深度有關(guān)，觸頭直徑越大、梅花觸頭數(shù)量越多、插入深度約深，則接觸面積越大、接觸電阻越小。

四是保證接觸壓力。動(dòng)靜觸頭的表面壓力主要與彈簧數(shù)量、彈簧勁度系數(shù)、彈簧直徑、觸頭對(duì)中性有關(guān)。

B）降低渦流和磁滯

我局規(guī)定，對(duì)于額定電流≥3150A的開關(guān)柜及隔離柜，其前柜上隔板、后柜頂板、后柜母線室上隔板、后柜母線室封板、后柜中彎板、穿墻套管安裝隔板等導(dǎo)流導(dǎo)體進(jìn)出磁感應(yīng)隔板，必須采用非導(dǎo)磁的不銹鋼板。對(duì)于額定電流1250A及以下開關(guān)柜，后柜母線室穿墻套管封板必須采用非導(dǎo)磁的不銹鋼板，其它分支穿透的隔板應(yīng)采用冷軋鋼板或敷鋁鋅板。

2）散熱效果提升

A）導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

開光柜內(nèi)母線、各跨線橋、以及主變變低都采用了母排結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)需考慮載流量、電暈、動(dòng)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定等因素。通常采用薄而寬的矩形、槽形、圓管形等導(dǎo)體形狀，矩形母排、管形導(dǎo)體最為常見。

B）導(dǎo)體顏色

實(shí)踐證明當(dāng)物體為輻射源時(shí)，物體表面顏色越深則輻射能力越強(qiáng)，故部分廠家在設(shè)計(jì)中采用非接觸面采取表面涂黑漆的處理方式。

C）導(dǎo)體散熱面積

為增加導(dǎo)體散熱面積，通常在開關(guān)柜內(nèi)溫度高、易發(fā)熱的導(dǎo)體表面上安裝散熱裝置，通過導(dǎo)體與散熱器的接觸直接傳導(dǎo)熱量。散熱器一般具有良好的導(dǎo)熱性，并制作成特殊的長(zhǎng)條形或圓管形等形狀，增加與空氣的接觸面積，從而獲得良好的散熱效果。

D）換氣通道優(yōu)化

當(dāng)設(shè)計(jì)中導(dǎo)體擁有足夠的散熱面積時(shí)，換氣通道的設(shè)計(jì)尤為重要。開關(guān)柜內(nèi)導(dǎo)體周圍的空氣被不斷的加熱，減小了空氣密度，熱空氣上升，冷空氣下降，從而形成自然對(duì)流。

我局規(guī)定，對(duì)于3150A及以上大電流柜靜觸頭盒需與靜觸頭配套，為五孔型，且不應(yīng)用全密封形式，靜觸頭盒上應(yīng)有對(duì)流風(fēng)道或采用熱管傳導(dǎo)式散熱器，以滿足溫升要求。

E）強(qiáng)迫風(fēng)冷

強(qiáng)迫風(fēng)冷是通過外置風(fēng)機(jī)強(qiáng)制改變空氣流動(dòng)方向，加速導(dǎo)體周圍空氣流動(dòng)速度，加快熱量的傳遞。加裝風(fēng)機(jī)是當(dāng)前眾多廠家提升大電流柜散熱效果、解決溫升試驗(yàn)不合格問題的主要手段，根據(jù)熱空氣上升冷空氣沉降的原理，一般采取下柜進(jìn)風(fēng)、柜頂出風(fēng)的強(qiáng)風(fēng)路徑。

3 典型發(fā)熱缺陷案例分析

1）110kV某變電站10kV某線F15開關(guān)柜母線室故障

2015年03月21日，110kV某變電站站10kV某線F15開關(guān)柜母線測(cè)量溫度47℃，周圍其他位置最高24℃，即刻電流僅為68A，當(dāng)天最高值為90A，發(fā)熱現(xiàn)象明顯。緊急停電后發(fā)現(xiàn)，斷路器手車C相母線側(cè)動(dòng)觸頭和動(dòng)觸頭臂以及極柱上端嚴(yán)重?zé)龘p，活門內(nèi)C相母線側(cè)靜觸頭、靜觸頭盒以及分支母線同樣燒損嚴(yán)重。

通過停電檢查分析后，故障原因總結(jié)為靜觸頭和分支母線固定螺絲未緊固，表面接觸壓力小，接觸面存在縫隙導(dǎo)致接觸電阻偏大，導(dǎo)體發(fā)熱形成氧化層后接觸電阻進(jìn)一步增大，引起惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致動(dòng)靜觸頭、觸頭壓緊彈簧、絕緣護(hù)套等位置過熱熔化。

2）110kV某變電站溫升不合格處理

2018年8月，由廣州廣高高壓電器有限公司提供的開關(guān)柜溫升試驗(yàn)結(jié)果不合格。大電流柜測(cè)量指標(biāo)中，觸頭最高溫升76.1（K），用螺栓的或與其等效的聯(lián)結(jié)最高溫升74.1（K），正常操作中可觸及的部件最高溫升29.4（K），正常操作中不需觸及的部件最高溫升41.8（K），均超過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn);小電流柜導(dǎo)體表面溫升限值超出技術(shù)條件書要求值，觸頭最高溫升59.8（K），用螺栓的或與其等效的聯(lián)結(jié)最高溫升62.4（K）。

★注：外殼溫升在正常操作中可觸及的部件不超過20K，在正常操作中不需觸及的不超30K，導(dǎo)體表面和對(duì)接觸頭部位溫升不得超過55K。

廠家給出的原因分析及其整改措施如下：

原因分析

①動(dòng)靜觸頭采用1250A的常規(guī)參數(shù)（靜觸頭為?49、梅花觸頭觸指30片）;

②靜觸頭與觸頭盒連接用的螺栓為普通鋼質(zhì)螺栓;

③4000A開關(guān)柜抽風(fēng)機(jī)功率?。〝嗦菲魇翼斝箟和ǖ莱轱L(fēng)機(jī)3只，功率功率35W;主母線室頂泄壓通道抽風(fēng)機(jī)3只，功率功率35W）。

整改措施

①梅花觸頭、靜觸頭換成1250A加強(qiáng)型（靜觸頭為?55、梅花觸頭觸指36片）;

②靜觸頭與觸頭盒連接用的螺栓換成不銹鋼內(nèi)六角螺栓;

③采用力矩扳手緊固螺栓，擰緊力達(dá)到要求值：45～59N.M;

④4000A開關(guān)柜抽風(fēng)機(jī)功率加大（斷路器室頂泄壓通道抽風(fēng)機(jī)3只，功率功率65W;主母線室頂泄壓通道抽風(fēng)機(jī)6只，功率功率65W）。

4 總結(jié)與提升

針對(duì)開關(guān)柜發(fā)熱問題，總結(jié)出一些設(shè)備驗(yàn)收和檢修維護(hù)中值得關(guān)注的地方。

1）開關(guān)柜驗(yàn)收

一是重點(diǎn)關(guān)注動(dòng)靜觸頭、梅花觸頭觸指數(shù)量、彈簧數(shù)量與尺寸規(guī)格、插入深度是否符合技術(shù)標(biāo)書及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，觸頭對(duì)中性是否良好。

二是關(guān)注母排結(jié)構(gòu)、散熱片、導(dǎo)體顏色、換氣通道、大電流柜風(fēng)機(jī)等內(nèi)容，了解開關(guān)柜散熱性能。

三是借助溫升試驗(yàn)、直阻測(cè)試等手段，嚴(yán)格按照深圳供電局技術(shù)標(biāo)書的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行把關(guān)。

2）檢修維護(hù)

一是紅外測(cè)溫時(shí)應(yīng)把握“外殼溫升在正常操作中可觸及的部件不超過20K，在正常操作中不需觸及的不超30K”的原則，若表面溫度過高，可能存在內(nèi)部發(fā)熱的情況。

二是母線及開關(guān)柜維護(hù)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注觸頭運(yùn)行工況以及母線室環(huán)境。

觸頭情況

應(yīng)觀察柜內(nèi)動(dòng)靜觸頭對(duì)中性、深入深度、潤(rùn)滑程度等問題。

（1）對(duì)中性方面，可以通過靜觸頭座外面表磨痕的均勻程度結(jié)合手車在搖進(jìn)搖出過程中觸頭分合前后手車升降情況進(jìn)行判斷;

（2）深入深度可以測(cè)量靜觸頭表面磨痕深度與靜觸頭外平面的距離粗略測(cè)算，應(yīng)落在15mm—25mm區(qū)間內(nèi)。

連接位置緊固程度

檢查開關(guān)柜內(nèi)電流互感器引線接頭、電纜與母排聯(lián)接接頭等位置螺栓是否緊固良好，防止在運(yùn)行中發(fā)生振動(dòng)松動(dòng)。

開蓋檢查

清掃

（1）清理柜體頂部蓋板及泄壓通道，提升開關(guān)柜散熱效果;

（2）母排接觸面應(yīng)平整緊密，無發(fā)熱變色，螺栓及墊片應(yīng)齊全穩(wěn)固;

（3）檢查母線室內(nèi)穿墻套管、支持絕緣子表面整潔，無裂痕和放電痕跡;

（4）主導(dǎo)體母排包覆的絕緣套應(yīng)完好，裸露部分無銹蝕。

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作者簡(jiǎn)介：方大川，浙江大學(xué)本科生，2014年入職，深圳供電局有限公司檢修部檢修二班班員。