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)

張薇彤

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)柜在此電流等級下需要安裝風(fēng)機(jī)來強(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)備觸頭滑動可靠連接、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：TM564 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（a）-00-02

電力是社會各項(xiàng)組織活動的生命源泉。近年來，隨著我國宏觀經(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)對供電質(zhì)量、可靠性及外觀的要求也越來越高。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，目前市場上廣泛運(yùn)用的開關(guān)設(shè)備在長期的實(shí)踐工作中呈現(xiàn)出體積大，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(dǎo)致溫升值超過標(biāo)準(zhǔn)范圍。當(dāng)升高熱量超過一定范圍時(shí)，會進(jìn)一步引發(fā)引線過熱現(xiàn)象，發(fā)生絕緣事故，導(dǎo)致設(shè)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(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)下手車動靜觸頭滑動連接部位出現(xiàn)較為頻繁，同時(shí)動觸頭偏心，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）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)觸頭滑動連接可靠

針對中置式開關(guān)設(shè)備中手車動靜觸頭滑動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連接不可靠導(dǎo)致故障的問題。

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)備的性能要求，采用了具有國內(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期載流情況下發(fā)生過熱現(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)備長期載流時(shí)溫升

長期載流時(shí)溫升計(jì)算就是估算在開關(guān)設(shè)備長期通過額定電流，發(fā)熱過程和散熱達(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)而評估其載流能力。在計(jì)算過程中，我們將輻射和對流作為導(dǎo)體表面的傳熱方式，將外殼對內(nèi)、對外的熱傳導(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)備相對穩(wěn)定發(fā)熱的運(yùn)行情況下，導(dǎo)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(fēng)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(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 ℃，設(shè)備輻射率ε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導(dǎo)體產(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)體的長度達(dá)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(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)采用電泳無光黑漆對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，對空間進(jìn)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(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下需要安裝風(fēng)機(jī)來強(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)、實(shí)用、可靠的原則，采用空氣作為相間、及相對地絕緣介質(zhì)。在設(shè)備內(nèi)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(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，采用鋼板對各隔室間進(jìn)行分隔，使局部故障對相鄰隔室正常運(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

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(shè)備故障問題，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)備的高性能、高質(zhì)量要求，將引領(lǐng)未來開關(guān)柜發(fā)展的方向。

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