中压12kV1250A开关柜温升问题的分析以及解决方案

何振力

【摘 要】开关柜的的温升试验是GB3906标准中规定的型式试验的一个检测项目,开关柜内的温度升高会造成柜内绝缘材料的老化加速,会危害电气设备的使用安全和使用寿命,甚至会造成设备的一次电气绝缘对地击穿或相间击穿最终形成内部故障.本文就国网的馈线开关设备的结构设计并结合设备运行热量的散失加以分析,并提出解决问题的办法.

【期刊名称】《黑龙江科技信息》 【年(卷),期】2017(000)032 【总页数】2页(P41-42) 【关键词】开关柜;温升散热;试验 【作 者】何振力

【作者单位】福州天宇电气股份有限公司,福建 福州 350000 【正文语种】中 文

随着国家经济的飞速发展,目前电力系统中10kV线路日趋增多,且各地的用电负荷也急剧攀升,作为输电传输控制的12kV的开关柜所承载的负荷电流也大幅上升,开关柜内的母线采用搭接方式固定,同时开关手车存在“动静”滑动连接,以及真空灭弧室存在隔离端口(合闸时压力接触),这些搭接存在搭接电阻,电流增大时会造成这些部位温度上升。结合现有的技术以及工艺方案,以及各行业标准,目前所有馈线一次回路≤1250A的控制回路都是自然冷却,热量的散失完全靠热传递来进行,没有强

制风冷的措施。温度过高时,金属离子内部运动加速,会加速比如触头盒、母线套管、安装底座真空极柱的老化,存在安全隐患。

12kV开关柜一次回路导电以及热量散热通道如图1。

开关柜的结构按照功能划分为四块,一是低压控制室(仪表室),靠柜前上；二是母线室,连接左右功能柜的一次母线搭接,靠近柜后中间靠上部位；三是断路器室,高压控制室,控制此回路的开断功能；四是电缆室,安装有电流互感器,零序互感器,接地开关,以及温湿度监测和加热器等。断路器室下端是二次电缆室,当需要带有线路电压监测时,可以安装一次电压PT设备和放电计数器。

一次主回路,分三相ABC相,母线室通过主母线、支母线通过触头盒内部的“静触头”与断路器室的断路器的上触臂的“梅花触头”滑动搭接,断路器的下触臂通过相同的方式与电缆室的支母线搭接,同时电缆室互感器的两端采用螺栓紧固搭接,完成电能的再次分配。

主母线通额定电流1250*1.1倍,线路的损耗功率P=I2*Z(忽略感抗以及容抗,相对于发热可忽略不计)P阻抗损耗功率,I回路电流,Z为回路阻抗。

2.3.1 母线搭接处,采用螺栓固定,搭接面积大,所有的接触电阻较小,发热量较小; 2.3.2 “动静”触头搭接,和“动静”触头的触头压力,压点数量有关,此结构由于“动静”滑动搭接,有误差偏差,搭接不完整且工作位置时在触头盒内,发出的热量不易散除,是发热的主要来源；

2.3.3 断路器的真空触头搭接,和触头的压力以及截面积相关,真空断路器真空灭弧室内部采用固定方式,密闭在环氧树脂内部,且导电触头处在真空中,发出的热量不容易散除,是手车断路器的主要发热体；

2.3.4 单相支母线,线路电阻较大,是发热的主要源头；

2.3.5 一次回路通过绝缘套管安装板时,在金属板上会有涡流产生,同时导体内部的涡流也产生热量。导体的电阻率越小,则涡流越强,产生的热量就很大。

通过以上的分析,开关柜的发热源主要集中在断路器室内,且不容易散热,是主要的温升升高的地方。

热传递有三种方式：热传导,热对流,热辐射。由于≤1250A的开关柜一次回路存在阻抗而引起母线导体发热以及涡流在母线本体上产生热量,散热主要通过：热传导到周边导体,通过热对流和空气接触进行热交换,以及通过热辐射到开关柜体上散热。现阶段开关柜的母线已经优先选用导热较高的铜作为金属材料,热传导是最好的,且导体到金属板有安全距离,热辐射少。根据能量守恒定律,开关柜一次回路的导体所产生的热量,主要通过母线和空气之间因温差而进行热量的交换,即散热主要依靠热对流来进行。同时≤1250A的开关柜规定采用自然冷却的方式,即不能通过辅助手段,比如增加设备强制风冷来提高热对流,如果要将开关柜的温升降下来,还得采用他方法来提高热对流或者减少热量的产生。

按目前行业标准,开关柜要求开关柜的隔室IP2X(间隙≤12.5mm)以、关门时IP4X(间隙≤1mm)。现在的开关柜设计时考虑了外壳及隔室间的防护等级,未考虑开关柜的散热通道问题,比如触头盒小型化,无进气通道,无出气通道,无空气流通通道,导致开关柜运行时,一次回路的元器件热量不能及时散出,造成开关柜温度升高。根据GB3906的固定母线采用镀锡处理的表面搭接温升值不允许高于75℃,而对“动静”搭接处温升值不允许高于65℃,根据实际测量,触头处的温升很容易超标。 开关柜的温升埋点 断路器室的测试数据如下： 方案1：现有的开关技术方案,未进行优化改进。

方案2：采用技术改进后的技术方案,优化空气的流进流出通道(增加满足防护等级的进风口,同时在开关柜顶增加一些自然散热通道),将导磁的中隔板更换成非导磁材料、一次断路器回路的改进(采用1600A的真空极柱)来降低一次回路的电阻。 方案3：在方案2的基础上恢复一次断路器的真空极柱。即仅做了空气流进流出通道以及中隔板的防涡流改进。

通过以上试验数据的对比我们可以发现：

4.1 在现有的的开关柜结构上不进行改进,手车室的温升值满足不了标准的要求,存在较大的安全隐患。

4.2 通过优化空气的流进流出通道、中隔板的防涡流改进,温升值改善明显,完全满足标准要求,并有较大的安全裕度。

4.3 通过对照方案2和方案3,优化一次回路的电阻,成本提高相对较多,但是试验上的差值相差不多,效果不大。所以优化开关柜的结构设计,改善热对流的现状,对于改善温升的效果更显著。

通过对开关柜的结构进行剖析,以及发热源的简单框架建议,结合现有的技术规范以及技术特点,分析温度升高的区域以及存在的问题,带着这些问题有针对性的开展研究性的试验并得到了有比较性的结论。开关柜在组装过程中,应该严格按照工艺规范的标准执行,可以有效地防止人为的增加回路阻抗。同时开关柜的结构会随着方案的增多而在演化,但是需要认识到开关柜的发热源以及有效的应对方案特别重要。