可減少中壓開(kāi)關(guān)柜柜體電能損耗的節(jié)能環(huán)

閆新，鐘明，王青

（1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450000；2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局渠首分局，河南 南陽(yáng) 473000）

1 中壓開(kāi)關(guān)柜柜體電能損耗節(jié)能環(huán)產(chǎn)生的技術(shù)背景

電力系統(tǒng)由發(fā)電、變電、輸電、配電等環(huán)節(jié)組成，其中配電環(huán)節(jié)所使用的中壓開(kāi)關(guān)柜（包括10kV開(kāi)關(guān)柜和35kV開(kāi)關(guān)柜）數(shù)量是巨大的，通常一段10kV母線或35kV母線系統(tǒng)所使用的開(kāi)關(guān)柜數(shù)量由幾面到十幾面不等，大容量的配電系統(tǒng)中一段母線上的開(kāi)關(guān)柜數(shù)量多達(dá)二十多面。根據(jù)電氣主接線的形式，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)有單母線或雙母線穿越各柜體之間，形成完整的母線系統(tǒng)。為保證每面柜體達(dá)到一定要求的防護(hù)等級(jí)，目前各開(kāi)關(guān)生產(chǎn)廠的生產(chǎn)工藝均采用在母線室的左右兩側(cè)利用敷鋁鋅板或經(jīng)過(guò)防腐處理的冷軋鋼板作為側(cè)板進(jìn)行封閉，并預(yù)先在機(jī)床上加工做好圓形的開(kāi)孔供安裝環(huán)氧樹(shù)脂套管（每相母線對(duì)應(yīng)一個(gè)開(kāi)孔），母線在環(huán)氧樹(shù)脂套管中進(jìn)入相鄰的開(kāi)關(guān)柜母線室內(nèi)。為避免單根母線穿越柜體側(cè)板時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)形成的渦流造成開(kāi)關(guān)柜體發(fā)熱和電能的損失，將三個(gè)供安裝環(huán)氧樹(shù)脂套管的圓形開(kāi)孔之間切割兩條縫隙，使得三相母線開(kāi)孔聯(lián)通形成一個(gè)整體的空氣間隙。開(kāi)關(guān)柜體側(cè)板開(kāi)孔及縫隙分割圖見(jiàn)圖1。

圖1 開(kāi)關(guān)柜體側(cè)板開(kāi)孔及縫隙分割（實(shí)物圖片）

如將母線穿越柜體側(cè)板的位置視為一個(gè)接點(diǎn)，根據(jù)基爾霍夫電流定律，三相對(duì)稱運(yùn)行的母線流進(jìn)（流出）該節(jié)點(diǎn)的電流的矢量和為零，在含蓋三相母線的包絡(luò)面上不產(chǎn)生磁場(chǎng)，同時(shí)柜體側(cè)板也不產(chǎn)生任何電能損失。這種工作條件只能認(rèn)為是一種理想狀況，實(shí)際工作能耗情況分析如下。

（1）所有的三相用電負(fù)荷均非完全對(duì)稱。中壓配電回路所供負(fù)荷存在單相負(fù)荷和三相負(fù)荷，所謂三相對(duì)稱負(fù)荷只是負(fù)荷的不平衡度相對(duì)較小。因此，柜內(nèi)的三相電路都不是完全對(duì)稱運(yùn)行，在含蓋三相母線的包絡(luò)面上仍然存在交變的磁場(chǎng)，柜體側(cè)板存在渦流及電能損失。電能損失的大小隨母線電流的增大而增大，隨母線電流的減小而減小。

（2）即使開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的三相電路工作在完全對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)，三相母線根據(jù)制造工藝的要求,其布置不具備幾何對(duì)稱性，利用數(shù)學(xué)微元法分析，在開(kāi)關(guān)柜側(cè)板母線周邊的任意一個(gè)微小的區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度仍然不為零，磁感應(yīng)強(qiáng)度值的大小隨時(shí)間的變化也在變化，微小的區(qū)域內(nèi)也存在渦流及電能損失,可以推斷整個(gè)母線室側(cè)板也存在渦流及電能損失。電能損失的大小隨母線電流的增大而增大，隨母線電流的減小而減少。

2 減少開(kāi)關(guān)柜柜體電能損耗的解決方案

中壓開(kāi)關(guān)柜柜體電能損耗節(jié)能環(huán)要解決的技術(shù)問(wèn)題是減少柜體的電能損耗，為柜體內(nèi)主母線穿越側(cè)板處提供一種新的結(jié)構(gòu)型式，圍繞三相母線周圍環(huán)形布置一種呈現(xiàn)導(dǎo)磁率高、電阻率高的材料，降低開(kāi)關(guān)柜柜體的電能損耗。

支撐中壓開(kāi)關(guān)柜體電能損耗節(jié)能環(huán)進(jìn)行節(jié)能的理論及原理為：并聯(lián)磁路中，材質(zhì)導(dǎo)磁率高的回路磁通量大，材質(zhì)導(dǎo)磁率低的回路磁通量小；并聯(lián)電路中或具有相同電動(dòng)勢(shì)的兩個(gè)支路中，電阻大的回路通過(guò)的電流值小（電能做功?。娮栊〉幕芈吠ㄟ^(guò)的電流值大（電能做功大）。開(kāi)關(guān)柜柜體側(cè)板在主母線通過(guò)的電流產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生渦流。渦流產(chǎn)生電能損耗，要想消除或減少這種損耗就要分析開(kāi)關(guān)柜柜體側(cè)板材質(zhì)的特性及電能損耗原因，柜體側(cè)板大多采用敷鋁鋅板或經(jīng)防腐處理的冷軋鋼板，具有一定的導(dǎo)磁率（比空氣導(dǎo)磁率高）和電阻率，當(dāng)柜體側(cè)板周圍有磁場(chǎng)時(shí)，磁力線會(huì)集中在柜體側(cè)板上（側(cè)板比空氣導(dǎo)磁率高）形成較大渦流。中壓開(kāi)關(guān)柜柜體電能損耗節(jié)能環(huán)選用的材質(zhì)導(dǎo)磁率越高、電阻率越高越具有明顯的節(jié)能效果，理想的狀態(tài)是所有的磁場(chǎng)都由中壓開(kāi)關(guān)柜體電能損耗節(jié)能環(huán)中通過(guò)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)形成的電流回路電阻很大（趨近無(wú)窮大），這樣既在開(kāi)關(guān)柜側(cè)板中無(wú)電能損失，中壓開(kāi)關(guān)柜體電能損耗節(jié)能環(huán)中也無(wú)電能損失。

3 在中壓開(kāi)關(guān)柜柜體上應(yīng)用節(jié)能環(huán)的制作及安裝參考圖

節(jié)能環(huán)的制作及安裝應(yīng)根據(jù)中壓開(kāi)關(guān)柜側(cè)板母線穿孔尺寸，確定節(jié)能環(huán)的開(kāi)孔尺寸，根據(jù)母線電流的大小確定節(jié)能環(huán)的有效導(dǎo)磁截面，節(jié)能環(huán)的厚度。節(jié)能環(huán)的制作圖見(jiàn)圖2、圖3。中壓開(kāi)關(guān)柜柜體側(cè)板開(kāi)孔圖見(jiàn)圖4，節(jié)能環(huán)的裝配示意圖見(jiàn)圖5。

圖2 節(jié)能環(huán)制作圖

圖3 節(jié)能環(huán)制作A-A剖面圖

圖4 柜體側(cè)板開(kāi)孔圖

圖5 節(jié)能環(huán)裝配示意圖

4 節(jié)能環(huán)在中壓開(kāi)關(guān)柜柜體上應(yīng)用的措施

（1）節(jié)能環(huán)在實(shí)施過(guò)程中不改變?cè)袎洪_(kāi)關(guān)柜的原有設(shè)計(jì)內(nèi)容。

（2）根據(jù)側(cè)板母線開(kāi)孔制作中壓開(kāi)關(guān)柜體電能損耗節(jié)能環(huán)，保持節(jié)能環(huán)的開(kāi)孔與側(cè)板母線開(kāi)孔一致，包括用于固定母線套管的固定螺栓孔也完全一致。節(jié)能環(huán)的材質(zhì)可選用鐵基非晶合金帶材，鐵基非晶合金帶材多層疊加（每層厚度大約2mm，與側(cè)板的厚度相當(dāng)），疊加層數(shù)由四層至七層不等。對(duì)于母線額定電流為630A和1250A時(shí)疊加五層，母線額定電流為1600A和2000A時(shí)疊加六層，母線額定電流為2500A和3150A時(shí)疊加七層，母線額定電流為4000A時(shí)疊加八層（節(jié)能環(huán)疊加層數(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可以通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整到最佳層數(shù)），然后將節(jié)能環(huán)用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行澆注做到整齊美觀。

（3）中壓開(kāi)關(guān)柜裝配穿越母線套管時(shí)，在開(kāi)關(guān)柜母線室的側(cè)板處將節(jié)能環(huán)裝在側(cè)板內(nèi)側(cè)和外側(cè)各一個(gè)（側(cè)板雙側(cè)安裝），和母線套管使用同一螺栓固定。

5 節(jié)能環(huán)在中壓開(kāi)關(guān)柜柜體上應(yīng)用的預(yù)期節(jié)能效果

中壓開(kāi)關(guān)柜體電能損耗節(jié)能環(huán)應(yīng)用到電力系統(tǒng)中將起到明顯的節(jié)能效果，估算國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)中壓開(kāi)關(guān)柜的使用數(shù)量在3000～4000萬(wàn)面之間，平均每面開(kāi)關(guān)柜母線穿越側(cè)板電能損失約為150W，采用中壓開(kāi)關(guān)柜體電能損耗節(jié)能環(huán)后，可節(jié)約70%以上的電能損失，每面開(kāi)關(guān)柜內(nèi)節(jié)約能耗約為105W，可為全國(guó)電力系統(tǒng)節(jié)約315～420萬(wàn)kW發(fā)電容量。

6 結(jié)語(yǔ)

中壓開(kāi)關(guān)柜柜體電能損耗節(jié)能環(huán)可減少柜體的電能損耗，其節(jié)能措施具有理論支持，具體節(jié)能效果有待實(shí)踐中驗(yàn)證。本文引用的技術(shù)數(shù)據(jù)僅為初估數(shù)據(jù)。建議有技術(shù)有經(jīng)驗(yàn)具備對(duì)中壓開(kāi)關(guān)柜柜體電能損耗節(jié)能環(huán)的應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)其節(jié)能效果的設(shè)備制造廠家，能夠參加節(jié)能環(huán)的研究與完善，最終生產(chǎn)出柜體節(jié)能型中壓開(kāi)關(guān)柜。