中壓開關(guān)柜的散熱技術(shù)探討

1、中壓開關(guān)柜的散熱技術(shù)探討,西安高壓電器研究院 王平,2015 年 5 月,目錄,目錄 1.散熱設(shè)計的重要性 2.開關(guān)柜的發(fā)熱源 3.開關(guān)柜的散熱技術(shù)探討 3.1對流散熱 3.2傳導(dǎo)散熱 3.3導(dǎo)體的輻射散熱 3.4真空滅弧室的散熱 3.5通過散熱片提高散熱能力 3.6固體絕緣件的散熱 3.7通風(fēng)通道及柜體的散熱 4.熱管散熱技術(shù)的應(yīng)用設(shè)想,1.散熱設(shè)計的重要性,開關(guān)柜產(chǎn)品的額定電流提高、外殼防護等級提高、小型化以及有些產(chǎn)品采用密封結(jié)構(gòu)，都需要很好地解決發(fā)熱與散熱問題，限制各處的溫升在許可范圍內(nèi)。 熱的處理是一個難題，溫升過高時會加速元件的老化，使得產(chǎn)品絕緣性能下降、可靠性下降。 采取措施限制發(fā)

2、熱僅是解決問題的一個方面，加強并有效地散熱是解決問題的另一重要方面。,2.開關(guān)柜的發(fā)熱源,開關(guān)柜在穩(wěn)定狀態(tài)下的發(fā)熱源有導(dǎo)體通電時產(chǎn)生的焦耳熱、感應(yīng)熱、介質(zhì)熱。 焦耳發(fā)熱：當(dāng)電流流過具有電阻值的導(dǎo)體、導(dǎo)體連接的接觸部位時產(chǎn)生的能量損耗。 感應(yīng)發(fā)熱：是一種由放置在交變磁場中的導(dǎo)磁體產(chǎn)生的渦流損失或磁滯損失引起的發(fā)熱現(xiàn)象。 介質(zhì)發(fā)熱：當(dāng)電介質(zhì)上加有交流電場時，會產(chǎn)生熱損失。單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱損耗與頻率、介電常數(shù)、介質(zhì)損失角正切、電場強度有關(guān)。,2.開關(guān)柜的發(fā)熱源,減少發(fā)熱可采取以下措施： 嚴(yán)格控制主回路電阻值； 控制真空滅弧室的回路電阻在較低值； 控制各導(dǎo)體連接的接觸電阻； 采用截面周長大或帶散熱結(jié)

3、構(gòu)的母線與分支母線，增大導(dǎo)流截面積，如：采用雙D主母線、多片組合分支母線； 位于交變磁場中的零部件（如：柜體左右側(cè)板、中間隔板、套管安裝板、螺栓、螺母等）采用非導(dǎo)磁材料制造，如：不銹鋼1Cr18Ni9Ti。,3.開關(guān)柜的散熱技術(shù)探討,傳統(tǒng)的散熱技術(shù)有對流、傳導(dǎo)和輻射3種散熱方式，結(jié)構(gòu)上采取和加強的散熱措施有： 對流散熱，分自然的和強制的。 依靠柜體外表面自然對流向外部放出的散熱量是溫差和散熱面積的函數(shù)。 傳導(dǎo)散熱，把觸頭盒內(nèi)的動、靜觸頭中的熱量向母線傳導(dǎo)，以減輕滑動連接的觸頭等部位的局部熱負(fù)荷。 輻射散熱，依靠輻射，柜表面向外部放出的散熱量是溫差和散熱面積的函數(shù)。斷路器室內(nèi)壁及分支母線表面涂裝

4、，使高溫器件表面通過輻射把熱量散至金屬殼體。 然而，對于1面開關(guān)柜整體而言： 總散熱量依靠輻射的散熱量依靠對流的散熱量,3.開關(guān)柜的散熱技術(shù)探討,熱管散熱，熱管散熱是一種新技術(shù)，已在制冷行業(yè)、IT行業(yè)應(yīng)用，在開關(guān)行業(yè)應(yīng)用極少。 熱管散熱的基本原理：典型的熱管由管殼、吸液芯（毛細管）和端蓋組成，熱管內(nèi)部被抽成真空狀態(tài)，充入適當(dāng)?shù)囊后w，這種處在真空條件下的液體沸點低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細多孔材料構(gòu)成。將熱管分成蒸發(fā)段、冷凝段，根據(jù)應(yīng)用需要在二段之間可布置絕熱段。當(dāng)蒸發(fā)段開始受熱的時候，管壁周圍毛細管中的液體就會迅速汽化，產(chǎn)生蒸汽，此時這部分的壓力就會變大，蒸汽流在微小壓力差的牽引下向冷

5、凝段流動。蒸汽流到達冷凝段后，冷凝成液體，同時也放出大量的熱量，最后液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段，完成一次循環(huán)。如此循環(huán)不止，熱量從熱管一端傳至另外一端。,3.1對流散熱,對流散熱是開關(guān)柜散熱的主要途徑，應(yīng)進行開關(guān)柜的對流散熱設(shè)計并優(yōu)化。底盤車下開通風(fēng)孔、觸頭盒上開通風(fēng)槽引導(dǎo)冷風(fēng)流向發(fā)熱溫度最高處（斷路器軟連接及觸頭盒內(nèi)）；利用煙囪效應(yīng)，提高風(fēng)速，增加流量；柜頂泄壓板兼有散熱功能，其結(jié)構(gòu)設(shè)計為波浪形，以增大通風(fēng)和散熱面積；通風(fēng)風(fēng)道的結(jié)構(gòu)。,3.1對流散熱,充氣柜中，密封箱體內(nèi)SF6氣體的對流散熱是重要途徑。 充氣柜中，SF6氣體密度約為空氣的5倍，由于其熱傳導(dǎo)率、比熱、動態(tài)粘性系數(shù)

6、等物理參數(shù)與空氣不同，故熱傳導(dǎo)率比空氣大。發(fā)熱量相同的情況下，在SF6氣體中的導(dǎo)體溫升值比空氣中的小。0表壓下在SF6氣體中的溫升值與空氣中相比約為80%。,3.2傳導(dǎo)散熱,因空間、結(jié)構(gòu)有限，需依靠熱傳導(dǎo)將觸點處局部溫度高的點的熱量傳導(dǎo)到自身導(dǎo)體的另一端或與之相接觸的導(dǎo)體上，通過另一端或相接觸的導(dǎo)體散熱。 對于開關(guān)柜的傳導(dǎo)散熱，一般來說對提高柜體對外總散熱量的直接作用不大，主要是柜內(nèi)局部溫度分布的調(diào)節(jié)。,3.3導(dǎo)體的輻射散熱,在散熱方面，考慮了對流因素、連接導(dǎo)體間或與真空斷路器滅弧室的熱傳導(dǎo)因素外，開關(guān)柜內(nèi)各導(dǎo)體的溫度（溫升）還與導(dǎo)體自身、柜體隔板與面板、其它相導(dǎo)體的輻射熱等因素有關(guān)。,3.3

7、導(dǎo)體的輻射散熱,幾種材料的輻射率,3.3導(dǎo)體的輻射散熱,幾種材料對太陽能量的吸收率,3.3導(dǎo)體的輻射散熱,開關(guān)柜外表面或?qū)w表面向外部輻射出的散熱量是溫差、散熱面積、輻射率的函數(shù)。 可以使分支母線、導(dǎo)體等高溫零部件表面通過輻射把熱量散至開關(guān)柜的金屬外殼的內(nèi)壁上，再通過金屬外殼的外表面散到周圍大氣中去。 通過導(dǎo)體表面亞光處理、涂裝，提高表面紅外線的輻射作用，提高輻射散熱效率。 通過表面顏色的選擇，具有高的輻射作用、低的吸收作用，提高輻射散熱效率。 通過柜體表面涂裝，使柜體內(nèi)表面具有吸收紅外線，柜體外表面輻射紅外線的作用，提高輻射散熱效率。,3.4真空滅弧室的散熱,真空有許多代表性優(yōu)點，在開關(guān)行業(yè)

8、得到廣泛應(yīng)用。因真空滅弧室內(nèi)無對流，使得散熱差、冷卻效率低，是真空在開關(guān)行業(yè)應(yīng)用的代表性不足。 開關(guān)柜中使用的真空斷路器是一個發(fā)熱源，由于真空滅弧室散熱性能差需要有特別的散熱方法。 真空斷路器的發(fā)熱主要由滅弧室內(nèi)觸頭的接觸電阻產(chǎn)生。,3.4真空滅弧室的散熱,真空滅弧室的典型結(jié)構(gòu),1保護罩 2排氣管 3端蓋 4絕緣外殼 5屏蔽罩 6靜導(dǎo)電桿 7靜觸頭 8動觸頭 9動導(dǎo)電桿 10波紋管 11導(dǎo)向套,3.4真空滅弧室的散熱,真空滅弧室的散熱分析,3.4真空滅弧室的散熱,真空滅弧室的散熱： a.依靠熱傳導(dǎo)傳到與之相連的導(dǎo)體上，通過相連的導(dǎo)體散熱， b.在滿足外絕緣的情況下，盡可能縮短真空滅弧室絕緣外殼

9、的長度。 c.通過對真空滅弧室的外表面涂裝或包覆后提高輻射散熱效果。 真空滅弧室觸頭部分的回路電阻占整個滅弧室的絕大部分，降低該部分回路電阻對減少發(fā)熱的作用會很大。,3.5通過散熱片提高散熱能力,散熱片的設(shè)置 通過設(shè)置散熱片以增大散熱面積，提高輻射散熱量和對流散熱量將局部的集中熱源熱量對熱源的外部散出，解決局部過熱。,3.6固體絕緣件的散熱,環(huán)氧樹脂、聚碳酸酯等絕緣材料制造的套管類固體絕緣件，首先應(yīng)減少內(nèi)部導(dǎo)體的發(fā)熱量，由于絕緣材料的熱傳導(dǎo)性能差，主要通過增大絕緣件表面積及設(shè)置對流孔、對流槽等加強與提高對流散熱、輻射散熱的效率，并降低吸收率以防止或減少吸收其它熱源釋放的熱量。,3.7通風(fēng)通道及柜體的散熱,1.設(shè)置通風(fēng)通道 空氣柜中合理設(shè)置進風(fēng)口、通風(fēng)通道有利于空氣的流動。 充氣柜中避免SF6對流的死角。 利用煙囪效應(yīng)，提高風(fēng)速，增加流量。 2.加大散熱面積 提高柜的頂板、后板等的散熱功能，其結(jié)構(gòu)上可設(shè)計為波浪形，以增大通風(fēng)和散熱面積。,4.熱管散熱技術(shù)的應(yīng)用及設(shè)想,熱管散熱的優(yōu)點有：1）熱阻小，傳熱快，散熱效果好。2）重量輕且構(gòu)造簡單。3）熱傳輸量大，熱傳送距離長。4）本身并不耗電，無功耗、無噪音。5) 可以在無重力力場的環(huán)境下使用。6)傳熱方向可逆，蒸發(fā)端、凝結(jié)端可以互換。,4.熱管散熱技術(shù)的應(yīng)用及設(shè)想,熱管散熱在某箱變中的應(yīng)用