論降低固定式中壓開關設備溫升之結構創新設計

張薇彤

摘 要：本創新設計實現了固定式中壓開關設備“自然風冷”的散熱結構，攻破了傳統開關柜在此電流等級下需要安裝風機來強迫通風降溫的難關。同時，該設備在散熱、觸頭連接、絕緣等結構設計上實現了全方位的創新，取得了解決溫升、加強設備可靠性方面的重大突破。因此，該設備已獲得實用新型及發明專利。該文主要結合傳統開關設備存在體積大，載流、絕緣、機械事故率高等缺陷的分析，以提高開關設備的性能和質量，降低設備溫升為前提，從設備觸頭滑動可靠連接、散熱、降低電阻發熱源、避免渦流發熱、絕緣以及外觀等方面探討了固定式中壓開關設備結構創新設計的要點和工藝。

關鍵詞：固定式中壓開關設備 溫升 結構 創新設計

中圖分類號：TM564 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（a）-00-02

電力是社會各項組織活動的生命源泉。近年來，隨著我國宏觀經濟的發展，城鄉電網大規模建設和改造進程不斷加快，電力系統設計的技術參數不斷提高，同時對供電質量、可靠性及外觀的要求也越來越高。開關設備是供電系統的有機組成部分，在保證電力系統正常運行中發揮著重要的作用。然而，目前市場上廣泛運用的開關設備在長期的實踐工作中呈現出體積大，載流、絕緣、機械事故率高等一系列缺陷，嚴重威脅著供電設備的安全運行以及工作人員的生命質量，引起社會的廣泛關注。一種大電流、小型化、高可靠性、綠色環保的新型固定式中壓開關設備亟待開發?；诖吮尘?，筆者所在研究團隊結合國家標準GB/T 11022-1999《高壓開關設備和控制設備標準的共同技術要求》，共同創新設計了一種降低固定式中壓開關設備溫升的開關設備結構，現報道如下。

1 設計目的

中置式結構開關設備的主要故障是設備在運行過程中，在長期載流情況下，

斷路器手車上、下隔離動觸頭過熱導致溫升值超過標準范圍。當升高熱量超過一定范圍時，會進一步引發引線過熱現象，發生絕緣事故，導致設備燒毀故障。而造成該故障的主要原因，一方面是中置式開關設備中，斷路器為移開式結構，接觸不良現象在該結構下手車動靜觸頭滑動連接部位出現較為頻繁，同時動觸頭偏心，引發斷路器觸頭系統出現較大的接觸電阻，增大了設備的發熱量，導致溫升值超標；另一方面較大的渦流發熱，增加了開關設備的內部溫度，導致主回路產生的熱量極難向柜內散發；另外，該結構型的開關設備散熱效率低，不宜在特定的時間內將柜內的熱量散發出去。因此，新型開關設備結構在設計上應克服中置式結構開關設備的缺陷，達到以下設計目的：

（1）設備觸頭滑動可靠連接設計

（2）自然風冷

（3）加強開關設備散熱設計

（4）降低電阻發熱源設計

（5）避免渦流發熱設計

（6）絕緣設計

（7）整體結構設計

2 設計要點及步驟

2.1 采用固定式結構，保證開關觸頭滑動連接可靠

針對中置式開關設備中手車動靜觸頭滑動連接部位接觸不良的缺陷，本設計采用了固定式連接的開關設備，從根本上解決了觸頭滑動連接不可靠導致故障的問題。

一方面，本設計采用具有永磁操作機構的真空斷路器，該操作結構僅有一個運動部件，并且與真空滅弧室直接相連，其特有的機械特性正好匹配于真空斷路器的工作特性。同時，與彈簧結構相比，永磁操作機構的零部件大幅度減少，達至70%。這一優點有效避免了零件連接零散的問題，大大提高了開關機械系統運行的可靠性，從而實現免維護運行。

另一方面，本設計為滿足固定式開關設備的性能要求，采用了具有國內領先水平的側裝式高壓隔離開關。該隔離開關具有體積小、可靠性高、承載大電流、獨特的觸頭加緊結構以及能開斷較大短路電流等優點，有效減少了觸頭處于長期載流情況下發生過熱現象而引發的設備故障。

2.2 根據設備性能，估算設備長期載流時溫升

長期載流時溫升計算就是估算在開關設備長期通過額定電流，發熱過程和散熱達到平衡，溫度達到穩定溫度時，開關設備的溫升值，進而評估其載流能力。在計算過程中，我們將輻射和對流作為導體表面的傳熱方式，將外殼對內、對外的熱傳導忽略。同時，本結構在設計中已將渦流發熱有效避免，因此，臨近效應、介質損耗、感應發熱以及集膚效應忽略不計。

在設備相對穩定發熱的運行情況下，導體的熱功率P即為輻射功率Pr、空氣對流散熱功率Pc及通風自然對流熱功率Pv的和，這就是熱平衡方程，即：

P=P+P+Pv

而已知：本開關設備外形尺寸：寬1000 mm，高2250 mm，深1300 mm。額定電流3150 A，環境溫度T為20 ℃，設備輻射率ε為0.072，設備散熱表面積Sc=13.64 m2，開關設備上下自然通風口面積A=0.12 m2，吸排氣口的位置差2.4 m。根據常用簡易計算法“設備內氣體平均溫升法”進行估算得出當達熱平衡時，該設備內溫升在30 K以下，滿足溫升要求。

2.3 針對設備散熱方式，設計設備散熱措施

電器產生熱源主要包括電流通過導體產生的電阻損耗、封閉開關設備鐵磁體內產生的渦流、磁滯損耗以及交流開關設備絕緣體內產生介質損耗。針對開關設備的散熱方式，要解決開關主回路產生的熱量不易散到柜內而引發的設備燒毀故障，本設計主要從抑制發熱、加強散熱兩方面入手來實現設計的目的。

（1）降低發熱，一是本設計中選用了高質量低電阻的新型元件作為電器元件，使整個回路電阻減小到最低限度；二是采用不導磁材料進行開關柜關鍵部位的組裝，使磁通隔斷，使渦流產生得到有效的避免，進一步解決了渦流發熱問題。三是本設計中，各零部件布局新穎，特殊隔離開關的設計、固定方式的有效連接，使主回路通電導體的長度達到最短，接近直線距離，有效降低了主回來電阻，對焦耳熱起到抑制作用，從而有效實現電阻發熱源的降低。

（2）加強散熱，一是本設計采用鋁散熱片作為大電流斷路器材料，使散熱面積增大，加強散熱；二是本設計采用電泳無光黑漆對主母線非搭接表面進行處理，增大輻射散熱系數，散熱能力提高8%～12%；三是穿心式互感器穿越電纜室的隔板，穿心式隔離套管穿越與斷路器室的隔板，形成電纜室至斷路器室再至母線室的通風通道，對空間進行了巧妙的利用，形成了有效的對流通道。并滿足了相間及對地絕緣要求。

因此，該設備實現了固定式中壓開關設備“自然風冷”的散熱結構，攻破了傳統中置柜在該電流等級下需要安裝風機來強迫通風降溫的難關。

2.4 絕緣設計

本設計遵循消除絕緣事故最經濟、實用、可靠的原則，采用空氣作為相間、及相對地絕緣介質。在設備內的帶電體相間及對地間有足夠的空氣絕緣距離存在，有效避免了絕緣事故的發生。

2.5 整體結構設計

開關柜主要由電纜室、斷路器室、母線室、泄壓通道和儀表室5部分組成。本設計中，采用鋼板對各隔室間進行分隔，使局部故障對相鄰隔室正常運行的影響得到有效避免。

同時，每個隔室都有獨立的泄壓通道通向柜頂部（見圖1），使工作人員的人身安全得到保證。

3 結語

作為電網中最重要的設備之一，高壓開關柜設備必須具備良好的性能才能保證電力系統安全、高效的運行。

本方案設計的新型降低固定式中壓開關設備溫升的結構，不僅保證了設備觸頭滑動的可靠連接，有效降低了因動靜觸頭滑動連接部位接觸而不良造成的設備故障問題，同時優化了設備散熱設計，防止設備發熱量過高，導致溫升值超標而造成的設備燒毀

事故。

另外通過絕緣設計和整體結構設計更加滿足了設備的高性能、高質量要求，將引領未來開關柜發展的方向。

參考文獻

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