基于KYN28—12型中置式鎧裝配電柜提高散熱能力的研究

俞冬平+盛鋒

摘 要：近年來，隨著企業(yè)用電負(fù)荷的不斷增加，中壓輸配電設(shè)備朝著大容量、大電流的方向發(fā)展，配電柜因?yàn)檫^熱而發(fā)生故障的情況日益凸顯。以額定電流為4 000 A的KYN28-12型中置式鎧裝配電柜的結(jié)構(gòu)為例，通過增加配電柜的散熱面積，提高其散熱效率、輻射系數(shù)，對易發(fā)熱部件施行有針對性的散熱等措施，從而改善配電柜的散熱條件。

關(guān)鍵詞：配電柜；散熱；靜觸頭；電泳漆

中圖分類號(hào)：TM643 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）17-0109-02

KYN28-12型中置式鎧裝配電柜是額定電壓為12 kV、頻率為50 Hz的開關(guān)設(shè)備。該型號(hào)的配電柜外形整齊、美觀，殼體機(jī)械強(qiáng)度高、體積小，柜內(nèi)元器件檢修方便，“五防”簡單、可靠，并且其配置的手車互換性好，所以，被廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站、工礦企業(yè)和高層建筑的12 kV配電系統(tǒng)中，作為接收和分配電能的單母線、單母線分段系統(tǒng)的戶內(nèi)開關(guān)設(shè)備使用。

隨著大容量設(shè)備的投入和運(yùn)行，配電柜過熱故障不斷顯現(xiàn)，KYN28-12型中置式鎧裝配電柜的柜體具有所有隔室獨(dú)立封閉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此，過熱問題成為了它朝著大容量方向發(fā)展的主要制約因素。

1 改善配電柜散熱能力的措施

配電柜的散熱能力主要受散熱面積、散熱效率、輻射系數(shù)和易發(fā)熱部件的影響，筆者主要從以下幾方面分析。

1.1 增加柜體散熱面積和通風(fēng)口面積

要增加熱對流和熱輻射的散熱功率，就必須增加配電柜的散熱面積。由于配電柜的兩側(cè)排列著其他柜，所以，計(jì)算配電柜散熱面積時(shí)，兩側(cè)的面積總是被忽略，大家認(rèn)為僅僅只有前面、后面和柜頂散熱。根據(jù)配電柜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，增加這3個(gè)面的面積幾乎是不可能的，因此，增加散熱面積只能從兩側(cè)考慮。如何把不能散熱的兩側(cè)改進(jìn)成可以散熱的是解決該問題的關(guān)鍵。

圖1 利用兩側(cè)散熱的柜體結(jié)構(gòu)圖

圖1是可以利用兩側(cè)散熱的柜體結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)大電流的配電柜和其他柜并列安裝時(shí)，在左、右兩側(cè)與其他柜之間各空200 mm的間距，考慮到空隙處前面和后面的安全和美觀，可以安裝封板，頂面不封，讓空氣可以流通，這樣，配電柜兩側(cè)的空氣就可以對流散熱。此改進(jìn)方案增加了配電柜兩側(cè)的散熱面積。

———————————————————————————

增大通風(fēng)口面積有利于配電柜的散熱。在計(jì)算配電柜的散熱面積時(shí)，實(shí)測配電柜吸氣口、排氣口的開孔面積為0.05 m2。根據(jù)配電柜現(xiàn)有的門板面積可知，吸氣口的開孔面積可以增加至0.08 m2，而排氣口已經(jīng)不能增加開孔面積了。因此，該型號(hào)的配電柜可以通過增加通風(fēng)口的面積來增大散熱功率，但是效果并不明顯。

1.2 強(qiáng)制風(fēng)冷和柜內(nèi)風(fēng)道設(shè)計(jì)

在相同的散熱面積下，強(qiáng)制對流散熱效果可以達(dá)到自然散熱效果的3～8倍，所以，在開關(guān)柜中采用強(qiáng)制風(fēng)冷是降低溫升的有效手段。

利用計(jì)算好的配電柜內(nèi)散熱功率和發(fā)熱功率可以計(jì)算出強(qiáng)制風(fēng)冷的送風(fēng)量。根據(jù)送風(fēng)量的要求，后柜選用2只風(fēng)量為330 m3/h的 150FZY2-D軸流風(fēng)機(jī)；軸流風(fēng)機(jī)安裝在后上蓋板，母線室選2只150FZY2-D軸流風(fēng)機(jī)安裝在蓋板的左、右兩側(cè)；氣道上方選用2只150FZY2-D軸流風(fēng)機(jī)安裝在蓋板前面；前柜選用1只風(fēng)量為2 250 m3/h的GFD850-155橫流風(fēng)機(jī)，橫流風(fēng)機(jī)安裝在斷路器室底部，出風(fēng)口直接對準(zhǔn)斷路器框架。

真空斷路器梅花觸頭的熱量是通過觸臂傳導(dǎo)到框架內(nèi)散熱的，而斷路器內(nèi)部電阻產(chǎn)生的熱量是通過動(dòng)接頭傳到底盤小車上的，由此可以判斷，前柜散熱主要針對的是斷路器和絕緣盒散熱。當(dāng)斷路器處于工作位置時(shí)，隔弧板、斷路器與中隔板形成風(fēng)道，并在橫流風(fēng)機(jī)上部設(shè)計(jì)1個(gè)小室，將斷路器下方的隔板縮短至小室口。此設(shè)計(jì)方案可以使軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)量流于風(fēng)道內(nèi)。在氣道上部安裝3個(gè)軸流風(fēng)機(jī)，配電柜的前下門開網(wǎng)孔，就形成了圖2中a路徑的氣流，氣流a是針對真空斷路器和觸頭盒散熱的。

圖2 改進(jìn)后的配電柜形成風(fēng)道示意圖

*[基金項(xiàng)目]江蘇省高校自然科學(xué)資金項(xiàng)目（編號(hào)：14KJB460028）

因?yàn)樗械哪概哦技性诤蠊?，所以，后柜的散熱條件也必須優(yōu)化。在后柜下部開網(wǎng)孔，并且在后上覆板和母線室頂上加裝軸流風(fēng)機(jī)，在母線室后的隔板上開網(wǎng)孔，從而形成圖2中的氣流b和氣流c。氣流b和氣流c是針對主母排散熱的，它們在金屬中傳導(dǎo)的散熱效率是最高的，所以，快速冷卻主母排，使觸頭盒內(nèi)的熱量可以通過母排更快地散熱。

風(fēng)道設(shè)計(jì)對柜體散熱具有非常明顯的效果，這與它獨(dú)有的特點(diǎn)是分不開的，具體表現(xiàn)為以下三點(diǎn)：①合理地控制氣流，使其按預(yù)定的路徑通行，并將氣流合理地分配到各單元和組件，提高元件的散熱效率，更好地改善各元件的散熱條件；②降低冷空氣的輸送阻力，避免被大型元件阻塞，造成風(fēng)量損耗；③在柜內(nèi)也可以考慮安裝專用熱交換器（柜用空調(diào)），它的散熱效果非常好，但是成本高，體積較大，不易安裝。

1.3 靜觸頭改進(jìn)設(shè)計(jì)

由于觸頭盒內(nèi)發(fā)熱量高，散熱困難，所以，它是最容易達(dá)到或超過溫升規(guī)定的位置。為了減小接觸電阻、增大散熱功率，必須優(yōu)化靜觸頭結(jié)構(gòu)，因?yàn)閮?yōu)化靜觸頭結(jié)構(gòu)相比于其他方法見效更快、更經(jīng)濟(jì)。

圖3是靜觸頭改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)，它是由兩部分組成的，主體部分由銅管加工而成，中間用銅螺母固定，這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)就是用料省，節(jié)約成本。但是，由于底部和母線的可視接觸面積很小，只有銅管的截面部分，并且為了使銅管截面與母線的接觸是可靠的，銅螺母必須縮于截面內(nèi)部，所以，當(dāng)螺栓擰緊時(shí)，銅螺母的表面并不與母線接觸，這就會(huì)使靜觸頭發(fā)生輕微的變形，從而影響底部和母線的接觸面積。

圖4是靜觸頭改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，它是由銅棒加工而成的整體式結(jié)構(gòu)。因?yàn)椴捎昧苏w式結(jié)構(gòu)，所以，底部和母線的可視接觸面積增加，減小了接觸電阻。同時(shí)，底部采用槽型結(jié)構(gòu)，增加了靜觸頭的散熱面積，提高了散熱效率。在靜觸頭的上、下部各開3個(gè)直徑為7 mm的小孔是為了將聚集在靜觸頭內(nèi)部的熱空氣通過小孔對流更快地散發(fā)。試驗(yàn)證明，因?yàn)殪o觸頭內(nèi)部對流條件差，聚集在其內(nèi)部的熱空氣溫度非常高，所以，在靜接觸頭的上、下部各開3個(gè)小孔，不僅可以提高靜觸頭的散熱效率，還不影響靜觸頭的強(qiáng)度。改進(jìn)后的靜觸頭因?yàn)槭钦w式結(jié)構(gòu)、采用銅棒加工的，用料比圖3所示的靜觸頭多，因此，成本也相應(yīng)提高了。但是，如果先用銅胚鍛成圖4所示的靜觸頭粗毛胚，然后再進(jìn)行精加工，這樣既可減少成本，還可以提高散熱效率。

圖3 靜觸頭改進(jìn)前示意圖 圖4 靜觸頭改進(jìn)后示意圖

1.4 靠近熱源處材料涂覆黑色電泳漆

在配電柜殼體內(nèi)靠近熱源處的側(cè)板和隔板上涂覆黑色電泳漆，

可以提高其散熱效率。涂料的輻射系數(shù)和太陽光吸收率見表1.

表1是涂料的輻射系數(shù)和太陽光吸收率。從表中可知，當(dāng)板材上涂厚0.24 mm的黑色電泳漆時(shí)，輻射系數(shù)ε由原來的0.018～0.072提高到0.48，因此，涂覆黑色電泳漆對散熱有很大的影響。

表1 涂料的輻射系數(shù)和太陽光吸收率

表面狀況 輻射系數(shù)ε 太陽光吸收率

無涂覆，有光澤 0.018～0.072 0.1

凃厚0.24 mm的黑漆 0.48 0.96

凃厚1 mm的白色涂料 0.94 0.15

凃厚1 mm的黑色涂料 0.94 0.97

有的觀點(diǎn)認(rèn)為，溫度在115 ℃以下電氣導(dǎo)體的輻射波為不可視紅外線，因此，輻射系數(shù)與涂料顏色無關(guān)，主要與涂料的厚度有關(guān)。假如把涂覆厚度增加到1 mm，那么，無論涂料是什么顏色，它的輻射系數(shù)ε都為0.94，比涂厚0.24 mm黑色電泳漆的輻射系數(shù)高將近1倍。但是，由于1 mm厚度的加工過程過于復(fù)雜，無法有效控制材料、烘干程度、涂覆次數(shù)等，并且還容易剝裂，因此，在實(shí)際操作中這種做法是不可行的。

圖5是在靠近熱源處要涂覆黑色電泳漆的幾處位置，即互感器安裝板、安裝觸頭盒的中間隔板、母線室與電纜室隔板。這些位置因?yàn)榭拷鼰嵩?，所以，通過輻射吸收后直接傳導(dǎo)到柜體散熱。因?yàn)橛脩魹榱苏R、美觀，配電柜的門一般都會(huì)要求制成統(tǒng)一的顏色，因此，無法涂覆黑色電泳漆。

圖5 材料發(fā)黑處理的位置

2 結(jié)束語

通過增加配電柜的散熱面積、增加軸流風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制風(fēng)冷、合理布置柜內(nèi)風(fēng)道和風(fēng)機(jī)的位置、在靠近熱源處的材料上涂覆黑色電泳漆、對易發(fā)熱的部件施行有針對性的散熱措施等可以有效地改善配電柜的散熱能力。經(jīng)過企業(yè)技術(shù)部門的檢驗(yàn)，改進(jìn)后的配電柜散熱能力在一定程度上得到了提高。

參考文獻(xiàn)

[1]梁樹林.瀝青路面微波養(yǎng)護(hù)車加熱裝置風(fēng)冷散熱研究[D].西安：長安大學(xué)，2012.

[2]彭貴清.淺談高壓開關(guān)設(shè)備的溫升及制造技術(shù)[J].電工技術(shù)雜志，2004（07）.

[3]黃恒禧.應(yīng)用高壓開關(guān)柜溫升的簡易算法及降低相應(yīng)發(fā)熱的技術(shù)措施[J].福建建筑，2008（03）.

[4]盛鋒.基于KYN28-12型中置式鎧裝配電柜的減小發(fā)熱功率控制研究[J].輕工科技，2014（08）.

〔編輯：白潔〕

Improve the Cooling Capacity in the Home-based KYN28-12 Type Assembly Cabinet Armor Research

Yu Dongping， Sheng Feng

Abstract： In recent years， with the increasing business electricity load， medium voltage transmission and distribution equipment in the direction of large-capacity， high current development situation distribution cabinet because of overheating and failure become increasingly prominent. Rated current of 4 000 A KYN28-12 type of armor in the home-assembled cabinet structure， for example， by increasing the distribution cabinet cooling area， improve its thermal efficiency， radiation coefficient， easy implementation of targeted heat-generating components cooling and other measures to improve heat dissipation distribution cabinet.

Key words： distribution cabinet； cooling； static contact； electrophoretic paint

圖3 靜觸頭改進(jìn)前示意圖 圖4 靜觸頭改進(jìn)后示意圖

1.4 靠近熱源處材料涂覆黑色電泳漆

在配電柜殼體內(nèi)靠近熱源處的側(cè)板和隔板上涂覆黑色電泳漆，

可以提高其散熱效率。涂料的輻射系數(shù)和太陽光吸收率見表1.

表1是涂料的輻射系數(shù)和太陽光吸收率。從表中可知，當(dāng)板材上涂厚0.24 mm的黑色電泳漆時(shí)，輻射系數(shù)ε由原來的0.018～0.072提高到0.48，因此，涂覆黑色電泳漆對散熱有很大的影響。

表1 涂料的輻射系數(shù)和太陽光吸收率

表面狀況 輻射系數(shù)ε 太陽光吸收率

無涂覆，有光澤 0.018～0.072 0.1

凃厚0.24 mm的黑漆 0.48 0.96

凃厚1 mm的白色涂料 0.94 0.15

凃厚1 mm的黑色涂料 0.94 0.97

有的觀點(diǎn)認(rèn)為，溫度在115 ℃以下電氣導(dǎo)體的輻射波為不可視紅外線，因此，輻射系數(shù)與涂料顏色無關(guān)，主要與涂料的厚度有關(guān)。假如把涂覆厚度增加到1 mm，那么，無論涂料是什么顏色，它的輻射系數(shù)ε都為0.94，比涂厚0.24 mm黑色電泳漆的輻射系數(shù)高將近1倍。但是，由于1 mm厚度的加工過程過于復(fù)雜，無法有效控制材料、烘干程度、涂覆次數(shù)等，并且還容易剝裂，因此，在實(shí)際操作中這種做法是不可行的。

圖5是在靠近熱源處要涂覆黑色電泳漆的幾處位置，即互感器安裝板、安裝觸頭盒的中間隔板、母線室與電纜室隔板。這些位置因?yàn)榭拷鼰嵩?，所以，通過輻射吸收后直接傳導(dǎo)到柜體散熱。因?yàn)橛脩魹榱苏R、美觀，配電柜的門一般都會(huì)要求制成統(tǒng)一的顏色，因此，無法涂覆黑色電泳漆。

圖5 材料發(fā)黑處理的位置

2 結(jié)束語

通過增加配電柜的散熱面積、增加軸流風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制風(fēng)冷、合理布置柜內(nèi)風(fēng)道和風(fēng)機(jī)的位置、在靠近熱源處的材料上涂覆黑色電泳漆、對易發(fā)熱的部件施行有針對性的散熱措施等可以有效地改善配電柜的散熱能力。經(jīng)過企業(yè)技術(shù)部門的檢驗(yàn)，改進(jìn)后的配電柜散熱能力在一定程度上得到了提高。

參考文獻(xiàn)

[1]梁樹林.瀝青路面微波養(yǎng)護(hù)車加熱裝置風(fēng)冷散熱研究[D].西安：長安大學(xué)，2012.

[2]彭貴清.淺談高壓開關(guān)設(shè)備的溫升及制造技術(shù)[J].電工技術(shù)雜志，2004（07）.

[3]黃恒禧.應(yīng)用高壓開關(guān)柜溫升的簡易算法及降低相應(yīng)發(fā)熱的技術(shù)措施[J].福建建筑，2008（03）.

[4]盛鋒.基于KYN28-12型中置式鎧裝配電柜的減小發(fā)熱功率控制研究[J].輕工科技，2014（08）.

〔編輯：白潔〕

Improve the Cooling Capacity in the Home-based KYN28-12 Type Assembly Cabinet Armor Research

Yu Dongping， Sheng Feng

Abstract： In recent years， with the increasing business electricity load， medium voltage transmission and distribution equipment in the direction of large-capacity， high current development situation distribution cabinet because of overheating and failure become increasingly prominent. Rated current of 4 000 A KYN28-12 type of armor in the home-assembled cabinet structure， for example， by increasing the distribution cabinet cooling area， improve its thermal efficiency， radiation coefficient， easy implementation of targeted heat-generating components cooling and other measures to improve heat dissipation distribution cabinet.

Key words： distribution cabinet； cooling； static contact； electrophoretic paint

圖3 靜觸頭改進(jìn)前示意圖 圖4 靜觸頭改進(jìn)后示意圖

1.4 靠近熱源處材料涂覆黑色電泳漆

在配電柜殼體內(nèi)靠近熱源處的側(cè)板和隔板上涂覆黑色電泳漆，

可以提高其散熱效率。涂料的輻射系數(shù)和太陽光吸收率見表1.

表1是涂料的輻射系數(shù)和太陽光吸收率。從表中可知，當(dāng)板材上涂厚0.24 mm的黑色電泳漆時(shí)，輻射系數(shù)ε由原來的0.018～0.072提高到0.48，因此，涂覆黑色電泳漆對散熱有很大的影響。

表1 涂料的輻射系數(shù)和太陽光吸收率

表面狀況 輻射系數(shù)ε 太陽光吸收率

無涂覆，有光澤 0.018～0.072 0.1

凃厚0.24 mm的黑漆 0.48 0.96

凃厚1 mm的白色涂料 0.94 0.15

凃厚1 mm的黑色涂料 0.94 0.97

有的觀點(diǎn)認(rèn)為，溫度在115 ℃以下電氣導(dǎo)體的輻射波為不可視紅外線，因此，輻射系數(shù)與涂料顏色無關(guān)，主要與涂料的厚度有關(guān)。假如把涂覆厚度增加到1 mm，那么，無論涂料是什么顏色，它的輻射系數(shù)ε都為0.94，比涂厚0.24 mm黑色電泳漆的輻射系數(shù)高將近1倍。但是，由于1 mm厚度的加工過程過于復(fù)雜，無法有效控制材料、烘干程度、涂覆次數(shù)等，并且還容易剝裂，因此，在實(shí)際操作中這種做法是不可行的。

圖5是在靠近熱源處要涂覆黑色電泳漆的幾處位置，即互感器安裝板、安裝觸頭盒的中間隔板、母線室與電纜室隔板。這些位置因?yàn)榭拷鼰嵩矗?，通過輻射吸收后直接傳導(dǎo)到柜體散熱。因?yàn)橛脩魹榱苏R、美觀，配電柜的門一般都會(huì)要求制成統(tǒng)一的顏色，因此，無法涂覆黑色電泳漆。

圖5 材料發(fā)黑處理的位置

2 結(jié)束語

通過增加配電柜的散熱面積、增加軸流風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制風(fēng)冷、合理布置柜內(nèi)風(fēng)道和風(fēng)機(jī)的位置、在靠近熱源處的材料上涂覆黑色電泳漆、對易發(fā)熱的部件施行有針對性的散熱措施等可以有效地改善配電柜的散熱能力。經(jīng)過企業(yè)技術(shù)部門的檢驗(yàn)，改進(jìn)后的配電柜散熱能力在一定程度上得到了提高。

參考文獻(xiàn)

[1]梁樹林.瀝青路面微波養(yǎng)護(hù)車加熱裝置風(fēng)冷散熱研究[D].西安：長安大學(xué)，2012.

[2]彭貴清.淺談高壓開關(guān)設(shè)備的溫升及制造技術(shù)[J].電工技術(shù)雜志，2004（07）.

[3]黃恒禧.應(yīng)用高壓開關(guān)柜溫升的簡易算法及降低相應(yīng)發(fā)熱的技術(shù)措施[J].福建建筑，2008（03）.

[4]盛鋒.基于KYN28-12型中置式鎧裝配電柜的減小發(fā)熱功率控制研究[J].輕工科技，2014（08）.

〔編輯：白潔〕

Improve the Cooling Capacity in the Home-based KYN28-12 Type Assembly Cabinet Armor Research

Yu Dongping， Sheng Feng

Abstract： In recent years， with the increasing business electricity load， medium voltage transmission and distribution equipment in the direction of large-capacity， high current development situation distribution cabinet because of overheating and failure become increasingly prominent. Rated current of 4 000 A KYN28-12 type of armor in the home-assembled cabinet structure， for example， by increasing the distribution cabinet cooling area， improve its thermal efficiency， radiation coefficient， easy implementation of targeted heat-generating components cooling and other measures to improve heat dissipation distribution cabinet.

Key words： distribution cabinet； cooling； static contact； electrophoretic paint