斷路器機柜散熱制冷系統(tǒng)匹配設(shè)計及實驗研究

翁兆權(quán)，孟曉磊，唐景春

（1-安徽東風(fēng)機電科技股份有限公司，安徽合肥 230601；2-合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

斷路器機柜散熱制冷系統(tǒng)匹配設(shè)計及實驗研究

翁兆權(quán)*1，孟曉磊2，唐景春2

（1-安徽東風(fēng)機電科技股份有限公司，安徽合肥 230601；2-合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

本文在斷路器的熱場分析基礎(chǔ)上，構(gòu)建了其散熱制冷系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，機柜制冷機組運行時，各個靜觸頭溫度迅速降低，其工作溫度在52℃～62℃，溫升完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的小于65 K要求。本文設(shè)計的制冷系統(tǒng)，增加了斷路器在濕熱環(huán)境下的運行可靠性。

中壓斷路器；觸頭溫升；熱場分析；制冷系統(tǒng)

0　引言

中壓斷路器在電網(wǎng)系統(tǒng)中使用十分普遍，且一般連續(xù)滿負荷運行。由于產(chǎn)熱量較大，重要的部件必須采用高純度銅加工。為了控制機柜內(nèi)部開關(guān)靜觸頭的溫升，目前主要采用靜觸頭精細化設(shè)計（如鍍銀、開散熱孔、表面采用微小螺紋等）強迫通風(fēng)散熱方式（如安裝大功率風(fēng)機和優(yōu)化柜內(nèi)氣流風(fēng)道）。由于電氣柜的進風(fēng)溫度取決于當(dāng)?shù)貧夂驐l件，波動較大，若遇用電高峰，就極有可能造成機柜內(nèi)熱量得不到及時散發(fā)，開關(guān)靜觸頭的溫升超標(biāo)，引起靜觸頭燒熔甚至爆炸的事故，嚴(yán)重影響電網(wǎng)運行的安全性和可靠性。針對電力電子元器件的散熱問題，國內(nèi)外學(xué)者利用熱管散熱技術(shù)進行了相關(guān)應(yīng)用研究工作[1-5]。例如，COQUERY[5]在為鐵路配電網(wǎng)設(shè)計25 kV、50 Hz限流裝置時，為防止LTT(光控晶閘管)過熱，首次在裝置中設(shè)計安裝了熱管換熱器，在電流負荷達到2,000 A時可將光控晶閘管的溫度控制于90℃。但是，熱管只是高效散熱導(dǎo)體，無法改變夏季炎熱天氣機柜進風(fēng)的溫度和濕度。

本文依據(jù)中國南方地區(qū)夏季室外空氣設(shè)計參數(shù)的特點，為了降低機柜進風(fēng)空氣的溫度，在分析進風(fēng)空氣冷卻去濕處理過程的基礎(chǔ)上，構(gòu)建機柜散熱制冷系統(tǒng)，控制柜內(nèi)靜觸頭的溫升以滿足國標(biāo)GB 11022-2011的規(guī)定要求[6]。同時，電氣柜在通風(fēng)冷卻時易出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，會嚴(yán)重影響設(shè)備的安全性和可靠性[7]。黨向東等[8-15]針對以上情況，對特殊氣候條件下的電氣設(shè)備防凝露控制進行了實驗研究。本文參考以上文獻資料，并結(jié)合電氣柜實際應(yīng)用情況，對冷卻系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計：在控制柜體及內(nèi)部元器件的表面溫度處于露點溫度之上，防止其表面凝露現(xiàn)象發(fā)生的同時，使得斷路器在熱設(shè)計時不需考慮安裝地點的氣候類型，只需調(diào)整機柜散熱制冷系統(tǒng)運行參數(shù)即可，有效縮減了斷路器產(chǎn)品設(shè)計周期。

1　斷路器機柜內(nèi)部熱場分析

斷路器機柜主要由繼電器室、斷路器、斷路器手車室、電纜室、電流互感器、銅排、觸頭盒、觸頭、母線室、引風(fēng)機等部件構(gòu)成，具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示，試驗測得電氣功率元件的總產(chǎn)熱功率為3,804 W。

圖1　斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

除靜觸頭、銅排和斷路器外，其他部件進行簡化處理，利用有限元分析軟件Ansys的Icepak模塊進行數(shù)值計算。取機柜的夏季最高進風(fēng)溫度為40℃；設(shè)置導(dǎo)電產(chǎn)熱部件材料為T2銅；根據(jù)生產(chǎn)商提供數(shù)據(jù)，設(shè)置風(fēng)機5風(fēng)量為3,000 m3/h，引風(fēng)機13、16、17風(fēng)量均為720 m3/h，靜觸頭發(fā)熱功率175 W，真空斷路器發(fā)熱功率340 W，母線室銅排A、B和C的發(fā)熱功率依次設(shè)置為296 W、259 W和240 W，電纜室銅排A、B和C發(fā)熱功率均設(shè)置為313 W；網(wǎng)格采用hexa unstructured類型自動劃分；壓力采用標(biāo)準(zhǔn)形式，動量項和溫度項均采用一階形式進行離散化，采用紊流模型求解。KYN44A-12型斷路器柜體內(nèi)部元器件以及空氣的溫度場如圖2所示。

從圖2可以看出，母線室的靜觸頭溫度分布在90℃～120℃，國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定其溫度上限應(yīng)小于環(huán)境溫度加上65 K的溫升，因此其局部溫升范圍難以滿足要求。究其根本原因，在于冷卻空氣的進風(fēng)溫度40℃偏高，為了降低機柜的夏季運行空氣進風(fēng)溫度，匹配設(shè)計機柜的進風(fēng)處理制冷系統(tǒng)至關(guān)重要。

圖2　元器件以及內(nèi)部空氣的溫度場

2　機柜進風(fēng)處理過程分析

利用制冷機組對進風(fēng)處理的空氣焓-濕圖如圖3所示。

廣州地區(qū)夏季室外空氣的設(shè)計參數(shù)為（對應(yīng)于圖3的W點）：大氣壓力PB=99,992 Pa，干球溫度tDB=33.5℃，濕球溫度tWB=27.7℃，含濕量ω=0.02339 kg/kg干空氣，露點溫度tdp=27.27℃。

為了將斷路器靜觸頭的溫度控制在80℃以下，機柜的空氣出口溫度設(shè)定為tN=60℃（對應(yīng)于圖3的N點）。同時為了防止柜體及部件表面凝露現(xiàn)象的發(fā)生，機柜的空氣進口溫度必須處于露點溫度之上，設(shè)定為tO=27.5℃（對應(yīng)于圖3的O點）。

對機柜進風(fēng)的具體處理過程分析如下：W→L為空氣減焓降濕過程，即通過蒸發(fā)器將室外空氣處理至相對濕度RH=95%、溫度tL=8℃狀態(tài)；L→O為空氣再熱防凝露過程，即通過防凝露再熱器將經(jīng)過減焓降濕的空氣處理至高于露點溫度的狀態(tài)；O→N為送風(fēng)空氣在開關(guān)柜內(nèi)的吸熱增焓過程，即對柜內(nèi)發(fā)熱電氣件的冷卻過程。機柜送風(fēng)量可根據(jù)下式確定。

式中：

Va——送風(fēng)量，m3/s；

Qg——機柜的產(chǎn)熱量，kW；

ρ——空氣密度，kg/m3；

i——空氣的比焓，kJ/kg干空氣。

圖3　機柜進風(fēng)處理過程的空氣焓-濕圖

3　制冷系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計的斷路器機柜制冷系統(tǒng)如圖4所示。為了使冷卻裝置小型輕量化，制冷系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)的工況條件設(shè)定為：冷凝溫度tk=60℃，蒸發(fā)溫度to=0℃，制冷壓縮機吸氣過熱度溫度△ts=10℃，冷凝器的過冷溫度△tl=0℃；系統(tǒng)中采用環(huán)保型工質(zhì)R134a、全封閉式壓縮機、平行流冷凝器、翅片管式蒸發(fā)器以及防凝露再熱器。

圖4　散熱空調(diào)制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)中各換熱器的換熱負荷計算如表1所示。

表1　制冷系統(tǒng)中熱交換器的換熱負荷

系統(tǒng)中流量調(diào)節(jié)閥用于冷凝器和防凝露再熱器中工質(zhì)流量的分配，以滿足冷凝器和防凝露再熱器換熱負荷要求，其中：冷凝器中制冷劑的流量為qmk=Qk/qk，再熱器中制冷劑的流量為qmr=Qr/qk，qk為制冷運行工況下的單位冷凝負荷；止逆閥作用為：當(dāng)冷凝器中工質(zhì)壓力高于防凝露再熱器中工質(zhì)壓力時，避免工質(zhì)流向防凝露再熱器。

4　靜觸頭溫升實驗分析

在母線室靜觸頭的溫升實驗系統(tǒng)中，使用光纖在線測試技術(shù)實時測量靜觸頭的溫度，測試精度為0.2℃。實驗條件為：試驗電流4,000 A，環(huán)境溫度35℃。通過實驗獲得母線室A、B、C三相靜觸頭的溫升曲線如圖5、圖6所示。

對比圖5和圖6的實驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：在4,000 A的工作電流下，機柜制冷機組停機時，母線室靜觸頭的工作溫度在90℃～120℃，具有燒蝕的風(fēng)險；機柜制冷機組運行時，各個靜觸頭溫度迅速降低，其工作溫度在52℃～62℃，溫升范圍完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的小于65 K要求。

圖5　制冷機組停機時靜觸頭溫度

圖6　制冷機組運行時靜觸頭溫度

5　結(jié)論

1）基于大電流斷路器夏季運行的產(chǎn)熱負荷特點，以控制母線室靜觸頭的溫升滿足國標(biāo)GB 11022-2011的規(guī)定要求為研究目標(biāo)，在機柜熱場仿真的基礎(chǔ)上，設(shè)計了機柜散熱用制冷系統(tǒng)。

2）實驗結(jié)果表明，構(gòu)建的機柜散熱用制冷系統(tǒng)，既可實現(xiàn)對機柜進風(fēng)空氣進行減焓、降濕、降溫等功能，又可防止柜體及部件的表面凝露現(xiàn)象的發(fā)生，增加了大電流斷路器在濕熱環(huán)境下的運行可靠性。

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Matching Design and Experimental Research on Refrigerating System of Circuit Breaker Cabinet

WENG Zhao-quan*1,MENG Xiao-lei2,TANG Jing-chun2
(1-Anhui Dongfeng Mechanical and Electrical Technology Company Limited,Hefei,Anhui 230601,China；2-School of Machinery and Automobile Engineering,Hefei University of Technology,Hefei,Anhui 230009,China)

Based on the analysis of circuit breaker cabinet thermal field,the refrigerating system has been constructed accordingly. The experiment result showed that,the various static contacts operating temperature is rapidly decreased to the range of 52℃～62℃ as the cabinet refrigeration unit operates,and the static contacts temperature rise fully meets the requirements of the national standard of less than 65 K. The operation reliability of the circuit breaker in hot and humid environment is increased by the proposed refrigerating system.

Medium voltage circuit breaker； Contact temperature rise； Thermal field analysis； Refrigerating system

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.05.108

*翁兆權(quán)（1967-），男，工程師，碩士，研究方向：機械加工裝備熱設(shè)計和控制。聯(lián)系地址：安徽東風(fēng)機電科技股份有限公司，郵編：230601。聯(lián)系電話：13866188277。E-mail：wzq.978@163.com。

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項目基金（No.K-GD2014-0767）。