論降低固定式中壓開關(guān)設(shè)備溫升之結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1、論降低固定式中壓開關(guān)設(shè)備溫升之結(jié)構(gòu)創(chuàng) 新設(shè)計(jì) 作者： 張薇彤 來(lái)源：科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2012 年第 34 期張薇彤（北京科銳配電自動(dòng)化股份有限公司 北京 101400 ）摘?要：本創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了固定式中壓開關(guān)設(shè)備“自然風(fēng)冷”的散熱結(jié)構(gòu)，攻破了傳統(tǒng)開關(guān) 柜在此電流等級(jí)下需要安裝風(fēng)機(jī)來(lái)強(qiáng)迫通風(fēng)降溫的難關(guān)。同時(shí)，該設(shè)備在散熱、觸頭連接、絕 緣等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了全方位的創(chuàng)新，取得了解決溫升、加強(qiáng)設(shè)備可靠性方面的重大突破。因 此，該設(shè)備已獲得實(shí)用新型及發(fā)明專利。該文主要結(jié)合傳統(tǒng)開關(guān)設(shè)備存在體積大，載流、絕緣、 機(jī)械事故率高等缺陷的分析，以提高開關(guān)設(shè)備的性能和質(zhì)量，降低設(shè)備溫升為前提，從設(shè)備觸 頭滑動(dòng)可靠連

2、接、散熱、降低電阻發(fā)熱源、避免渦流發(fā)熱、絕緣以及外觀等方面探討了固定式 中壓開關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和工藝。關(guān)鍵詞：固定式中壓開關(guān)設(shè)備 溫升 結(jié)構(gòu) 創(chuàng)新設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)： TM564 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1674-098X （2012）12（a）-00-02電力是社會(huì)各項(xiàng)組織活動(dòng)的生命源泉。近年來(lái)，隨著我國(guó)宏觀經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鄉(xiāng)電網(wǎng)大規(guī) 模建設(shè)和改造進(jìn)程不斷加快，電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)不斷提高，同時(shí)對(duì)供電質(zhì)量、可靠性及 外觀的要求也越來(lái)越高。開關(guān)設(shè)備是供電系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，在保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行中發(fā) 揮著重要的作用。然而，目前市場(chǎng)上廣泛運(yùn)用的開關(guān)設(shè)備在長(zhǎng)期的實(shí)踐工作中呈現(xiàn)出體積大，

3、載流、絕緣、機(jī)械事故率高等一系列缺陷，嚴(yán)重威脅著供電設(shè)備的安全運(yùn)行以及工作人員的生 命質(zhì)量，引起社會(huì)的廣泛關(guān)注。一種大電流、小型化、高可靠性、綠色環(huán)保的新型固定式中壓 開關(guān)設(shè)備亟待開發(fā)。基于此背景，筆者所在研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 11022-1999 高壓開 關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共同技術(shù)要求，共同創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種降低固定式中壓開關(guān)設(shè)備溫升 的開關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)，現(xiàn)報(bào)道如下。1? 設(shè)計(jì)目的中置式結(jié)構(gòu)開關(guān)設(shè)備的主要故障是設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，在長(zhǎng)期載流情況下，斷路器手車上、下隔離動(dòng)觸頭過(guò)熱導(dǎo)致溫升值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)范圍。當(dāng)升高熱量超過(guò)一定范圍時(shí)， 會(huì)進(jìn)一步引發(fā)引線過(guò)熱現(xiàn)象，發(fā)生絕緣事故，導(dǎo)致設(shè)備燒毀故障。而

4、造成該故障的主要原因， 一方面是中置式開關(guān)設(shè)備中，斷路器為移開式結(jié)構(gòu)，接觸不良現(xiàn)象在該結(jié)構(gòu)下手車動(dòng)靜觸頭滑 動(dòng)連接部位出現(xiàn)較為頻繁，同時(shí)動(dòng)觸頭偏心，引發(fā)斷路器觸頭系統(tǒng)出現(xiàn)較大的接觸電阻，增大 了設(shè)備的發(fā)熱量，導(dǎo)致溫升值超標(biāo)；另一方面較大的渦流發(fā)熱，增加了開關(guān)設(shè)備的內(nèi)部溫度， 導(dǎo)致主回路產(chǎn)生的熱量極難向柜內(nèi)散發(fā)；另外，該結(jié)構(gòu)型的開關(guān)設(shè)備散熱效率低，不宜在特定 的時(shí)間內(nèi)將柜內(nèi)的熱量散發(fā)出去。因此，新型開關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上應(yīng)克服中置式結(jié)構(gòu)開關(guān)設(shè) 備的缺陷，達(dá)到以下設(shè)計(jì)目的：（1）設(shè)備觸頭滑動(dòng)可靠連接設(shè)計(jì)（2）自然風(fēng)冷(3) 加強(qiáng)開關(guān)設(shè)備散熱設(shè)計(jì)(4) 降低電阻發(fā)熱源設(shè)計(jì)(5) 避免渦流發(fā)熱設(shè)計(jì)(6)

5、 絕緣設(shè)計(jì)(7) 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2? 設(shè)計(jì)要點(diǎn)及步驟2.1? 采用固定式結(jié)構(gòu)，保證開關(guān)觸頭滑動(dòng)連接可靠針對(duì)中置式開關(guān)設(shè)備中手車動(dòng)靜觸頭滑動(dòng)連接部位接觸不良的缺陷，本設(shè)計(jì)采用了固定式 連接的開關(guān)設(shè)備，從根本上解決了觸頭滑動(dòng)連接不可靠導(dǎo)致故障的問(wèn)題。一方面，本設(shè)計(jì)采用具有永磁操作機(jī)構(gòu)的真空斷路器，該操作結(jié)構(gòu)僅有一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，并 且與真空滅弧室直接相連，其特有的機(jī)械特性正好匹配于真空斷路器的工作特性。同時(shí)，與彈 簧結(jié)構(gòu)相比，永磁操作機(jī)構(gòu)的零部件大幅度減少，達(dá)至70%。這一優(yōu)點(diǎn)有效避免了零件連接零散的問(wèn)題，大大提高了開關(guān)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，從而實(shí)現(xiàn)免維護(hù)運(yùn)行。另一方面，本設(shè)計(jì)為滿足固定式開關(guān)設(shè)備的性能

6、要求，采用了具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平的側(cè)裝式 高壓隔離開關(guān)。該隔離開關(guān)具有體積小、可靠性高、承載大電流、獨(dú)特的觸頭加緊結(jié)構(gòu)以及能 開斷較大短路電流等優(yōu)點(diǎn)，有效減少了觸頭處于長(zhǎng)期載流情況下發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象而引發(fā)的設(shè)備故 障。2.2? 根據(jù)設(shè)備性能，估算設(shè)備長(zhǎng)期載流時(shí)溫升長(zhǎng)期載流時(shí)溫升計(jì)算就是估算在開關(guān)設(shè)備長(zhǎng)期通過(guò)額定電流，發(fā)熱過(guò)程和散熱達(dá)到平衡， 溫度達(dá)到穩(wěn)定溫度時(shí)，開關(guān)設(shè)備的溫升值，進(jìn)而評(píng)估其載流能力。在計(jì)算過(guò)程中，我們將輻射 和對(duì)流作為導(dǎo)體表面的傳熱方式，將外殼對(duì)內(nèi)、對(duì)外的熱傳導(dǎo)忽略。同時(shí)，本結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中已 將渦流發(fā)熱有效避免，因此，臨近效應(yīng)、介質(zhì)損耗、感應(yīng)發(fā)熱以及集膚效應(yīng)忽略不計(jì)。在設(shè)備相對(duì)穩(wěn)定發(fā)熱的

7、運(yùn)行情況下，導(dǎo)體的熱功率P即為輻射功率Pr、空氣對(duì)流散熱功率Pc 及通風(fēng)自然對(duì)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(guān)設(shè)備外形尺寸：寬1000?mm高2250?mm深1300?mm額定電流3150?A,環(huán)境溫度T為20?C，設(shè)備輻射率e為0.072，設(shè)備散熱表面積 Sc=13.64?m2，開關(guān)設(shè)備上下自然通風(fēng)口面積 A=0.12?m2，吸排氣口的位置差 2.4?m。根據(jù)常用簡(jiǎn)易計(jì)算法“設(shè)備內(nèi)氣體平均 溫升法”進(jìn)行估算得出當(dāng)達(dá)熱平衡時(shí)，該設(shè)備內(nèi)溫升在30?K 以下，滿足溫升要求。2.3? 針對(duì)設(shè)備散熱方式，設(shè)計(jì)設(shè)備散熱措施電器產(chǎn)生熱源主要包括電流通過(guò)導(dǎo)體

8、產(chǎn)生的電阻損耗、封閉開關(guān)設(shè)備鐵磁體內(nèi)產(chǎn)生的渦流、 磁滯損耗以及交流開關(guān)設(shè)備絕緣體內(nèi)產(chǎn)生介質(zhì)損耗。針對(duì)開關(guān)設(shè)備的散熱方式，要解決開關(guān)主 回路產(chǎn)生的熱量不易散到柜內(nèi)而引發(fā)的設(shè)備燒毀故障，本設(shè)計(jì)主要從抑制發(fā)熱、加強(qiáng)散熱兩方 面入手來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的目的。（1）降低發(fā)熱，一是本設(shè)計(jì)中選用了高質(zhì)量低電阻的新型元件作為電器元件，使整個(gè)回路 電阻減小到最低限度；二是采用不導(dǎo)磁材料進(jìn)行開關(guān)柜關(guān)鍵部位的組裝，使磁通隔斷，使渦流 產(chǎn)生得到有效的避免，進(jìn)一步解決了渦流發(fā)熱問(wèn)題。三是本設(shè)計(jì)中，各零部件布局新穎，特殊 隔離開關(guān)的設(shè)計(jì)、固定方式的有效連接，使主回路通電導(dǎo)體的長(zhǎng)度達(dá)到最短，接近直線距離， 有效降低了主回來(lái)電阻，對(duì)

9、焦耳熱起到抑制作用，從而有效實(shí)現(xiàn)電阻發(fā)熱源的降低。（2）加強(qiáng)散熱，一是本設(shè)計(jì)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(qiáng) 散熱；二是本設(shè)計(jì)采用電泳無(wú)光黑漆對(duì)主母線非搭接表面進(jìn)行處理，增大輻射散熱系數(shù)，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(fēng)通道，對(duì)空間進(jìn)行了巧妙的利用，形成了有效 的對(duì)流通道。并滿足了相間及對(duì)地絕緣要求。因此，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了固定式中壓開關(guān)設(shè)備“自然風(fēng)冷”的散熱結(jié)構(gòu)，攻破了傳統(tǒng)中置柜在 該電流等級(jí)下需要安裝風(fēng)機(jī)來(lái)強(qiáng)迫通風(fēng)降溫的難關(guān)。2.4? 絕緣設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)遵循消除絕緣事故最經(jīng)濟(jì)

10、、實(shí)用、可靠的原則，采用空氣作為相間、及相對(duì)地絕緣 介質(zhì)。在設(shè)備內(nèi)的帶電體相間及對(duì)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(fā) 生。2.5? 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開關(guān)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(shè)計(jì)中，采用鋼板對(duì)各隔室間進(jìn)行分隔，使局部故障對(duì)相鄰隔室正常運(yùn)行的影響得到有效避免。同時(shí)，每個(gè)隔室都有獨(dú)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(jié)語(yǔ)作為電網(wǎng)中最重要的設(shè)備之一，高壓開關(guān)柜設(shè)備必須具備良好的性能才能保證電力系統(tǒng)安 全、高效的運(yùn)行。本方案設(shè)計(jì)的新型降低固定式中壓開關(guān)設(shè)備溫升的結(jié)構(gòu)，不僅保證了設(shè)備觸頭滑動(dòng)的可靠 連接，有效降低了因動(dòng)靜觸頭滑動(dòng)連接部位接觸而不良造成的設(shè)備故障問(wèn)題，同時(shí)優(yōu)化了設(shè)備 散熱設(shè)計(jì)，防止設(shè)備發(fā)熱量過(guò)高，導(dǎo)致溫升值超標(biāo)而造成的設(shè)備燒毀事故。另外通過(guò)絕緣設(shè)計(jì)和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加滿足了設(shè)備