環(huán)保氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升控制方法研究

徐慧強(qiáng)，李 猛，楊鎮(zhèn)寧

（許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌 461000）

0 引言

SF6氣體作為優(yōu)異的絕緣和滅弧介質(zhì)，在電力設(shè)備中應(yīng)用非常廣泛。一個(gè)SF6分子對(duì)溫室效應(yīng)的影響為CO2分子的25 000倍，其壽命約為3 400年。該氣體在常溫下性能穩(wěn)定，不可降解，排放到大氣中，無(wú)法回收。因此，降低溫室效應(yīng)的唯一辦法就是盡量減少該氣體的使用，或者找出新型氣體替代SF6。目前，國(guó)家倡導(dǎo)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建設(shè)綠色新能源節(jié)約型社會(huì)。因此，環(huán)保型氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜是未來(lái)中壓領(lǐng)域發(fā)展的必然。

本文將采用環(huán)保氣體作為絕緣介質(zhì)，將斷路器、導(dǎo)體、三工位隔離開(kāi)關(guān)等高壓部件全部密封于不銹鋼氣箱內(nèi)，通過(guò)在氣箱上預(yù)留的孔，由插接式電纜終端實(shí)現(xiàn)進(jìn)出線。該開(kāi)關(guān)柜具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、SF6氣體零排放等優(yōu)點(diǎn)。

隨著電力用戶用電負(fù)荷的急劇增長(zhǎng)，大容量、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、高適應(yīng)性中壓開(kāi)關(guān)柜成為該領(lǐng)域的重要研究課題。額定電流大于1 250 A的充氣式開(kāi)關(guān)柜均為大容量氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜。依據(jù)焦耳定律，開(kāi)關(guān)柜產(chǎn)生的熱量與額定電流和主回路電阻成正比。由于充氣式開(kāi)關(guān)柜是全密封的，發(fā)熱導(dǎo)體不能直接把熱量散于大氣中，只能先散于氣箱內(nèi)，再通過(guò)氣箱散于大氣中，散熱效率極低，容易導(dǎo)致某些零部件的溫升超出國(guó)標(biāo)要求。

本文以某2 500 A環(huán)保氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備作為研究對(duì)象，對(duì)電接觸理論及散熱技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合溫升試驗(yàn)，找出解決大電流環(huán)保氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜溫升的解決辦法[1-2]，確保開(kāi)關(guān)柜長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

1 開(kāi)關(guān)柜的發(fā)熱與散熱機(jī)理研究

1.1 溫升標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)GB/T 11022《高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》和GB 3906《3.6 kV～40.5 kV交流金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》的要求，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，需要對(duì)本文設(shè)計(jì)的12 kV-2 500 A環(huán)保氣體開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行1.1倍額定電流溫升試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)預(yù)埋的溫度傳感器對(duì)氣箱內(nèi)部關(guān)鍵元器件的溫升情況實(shí)時(shí)監(jiān)控，穩(wěn)定后，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)不得超過(guò)規(guī)定的溫升值，如表1所示。

表1 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部導(dǎo)體的溫度及溫升要求

由于SF6氣體會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)，本文進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)盡可能地采用干燥空氣，以減少溫室氣體的排放，但其導(dǎo)熱性能弱于SF6氣體，對(duì)溫升試驗(yàn)考核更為嚴(yán)酷。

1.2 發(fā)熱機(jī)理分析

12 kV-2 500 A環(huán)保氣體開(kāi)關(guān)柜氣箱內(nèi)導(dǎo)體回路是直接發(fā)熱源，當(dāng)開(kāi)關(guān)柜通電流時(shí)，發(fā)熱過(guò)程包括氣箱內(nèi)部導(dǎo)體的焦耳損耗、磁滯損耗、渦流損耗和介質(zhì)損耗。由此可知，開(kāi)關(guān)柜的總發(fā)熱功率Pf為：

式中：Pj為焦耳熱量，當(dāng)主回路電阻R流經(jīng)電流I時(shí)產(chǎn)生；介質(zhì)損耗Wd、磁滯損耗Wh、渦流損耗Wc為開(kāi)關(guān)柜通過(guò)交變電流時(shí)的感應(yīng)發(fā)熱。因此式（1）可簡(jiǎn)化為：

式中：Kf為開(kāi)關(guān)設(shè)備的集膚效應(yīng)指數(shù)。

1.2.1 焦耳發(fā)熱

由焦耳定律可知，Pj為：

其中，開(kāi)關(guān)柜主回路電阻R由導(dǎo)體固有電阻和接觸電阻兩部分組成，回路電阻越大，發(fā)熱功率也就越大。因此，適當(dāng)?shù)乜刂苹芈冯娮枋墙鉀Q溫升的關(guān)鍵辦法。導(dǎo)體固有電阻可以通過(guò)增加導(dǎo)體截面積、縮短導(dǎo)體長(zhǎng)度、提高導(dǎo)體的電導(dǎo)率等辦法降低。導(dǎo)體的加工方法不同、工藝不同都會(huì)導(dǎo)致接觸電阻的不同，接觸電阻由收縮電阻和膜電阻組成。接觸電阻的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

其中，K與接觸材料有關(guān)；m與接觸形式有關(guān)。如表2所示。

表2 不同零部件接觸K、m的取值

開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部導(dǎo)體連接部位大多采用M10、M12的螺釘進(jìn)行緊固，力矩分別為35 N·m、45 N·m。經(jīng)計(jì)算，其接觸電阻如表3所示。

表3 不同螺釘?shù)慕佑|電阻

主回路電阻的大小決定發(fā)熱功率的大小，只有降低回路電阻，把回路電阻控制在一定的范圍內(nèi)，才能有效解決溫升問(wèn)題，同時(shí)也不能忽略集膚效應(yīng)對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備溫升的影響。

（1）集膚效應(yīng)

導(dǎo)體通過(guò)的電流大于1 000 A時(shí)，需計(jì)算集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)對(duì)其影響產(chǎn)生的熱量。電流頻率越高，導(dǎo)體截面越大，電流分布越不均勻，導(dǎo)致主回路導(dǎo)體的焦耳損耗及交流電阻就越大。本文設(shè)計(jì)的環(huán)保型開(kāi)關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，為保證柜內(nèi)主回路有良好的通流能力和可靠的絕緣性能，內(nèi)部導(dǎo)體通常設(shè)計(jì)為圓形結(jié)構(gòu)，考慮到集膚深度，將實(shí)心導(dǎo)體更改為空心，不僅降低了導(dǎo)體的成本和質(zhì)量，而且降低了開(kāi)關(guān)設(shè)備的熱效應(yīng)[3]。集膚深度計(jì)算公式如下：

式中：ur為導(dǎo)體的相對(duì)磁導(dǎo)率（非磁材料和銅均為1）； ρc為銅材的電阻率（20℃時(shí)， ρc=0.017 5 μΩ·m）； ρ為電阻率；對(duì)于銅材，k=1。

（2）鄰近效應(yīng)

相鄰較近的導(dǎo)體或者軟連接通過(guò)交流電流時(shí)，其中一個(gè)導(dǎo)體產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)對(duì)臨近的導(dǎo)體產(chǎn)生作用，致使臨近導(dǎo)體的電流分布朝向一側(cè)，導(dǎo)致電流密度在導(dǎo)體內(nèi)部分布不均勻，從而使臨近導(dǎo)體的集膚指數(shù)和焦耳損耗增大。電流頻率越大，導(dǎo)體距離越近，鄰近效應(yīng)就越明顯。因此，減少開(kāi)關(guān)柜內(nèi)軟連接的使用，增大相鄰導(dǎo)體之間的距離，有助于降低臨近效應(yīng)產(chǎn)生的熱效應(yīng)。

1.2.2 感應(yīng)發(fā)熱

當(dāng)金屬導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流流線會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)自行閉合，形成渦流。依據(jù)楞次定律，當(dāng)作為支撐件的導(dǎo)體置于交流電流產(chǎn)生的交變磁通中時(shí)，導(dǎo)體會(huì)感應(yīng)出渦流，從而發(fā)熱。設(shè)計(jì)充氣柜時(shí)，一般在電流貫通部位及附近使用不銹鋼、鋁等非磁性材料制作支撐件，整個(gè)氣室采用不銹鋼焊接，達(dá)到使用非磁性材料切斷閉合金屬回路的效果。此外，所有的零件固定螺釘均采用不銹鋼材質(zhì)。

1.3 散熱機(jī)理分析

熱量的傳導(dǎo)方式共有3種，分別為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射[4-5]。熱傳導(dǎo)主要是固體中或固體間的傳熱主要方式，其本質(zhì)為分子受熱發(fā)生震動(dòng)，將熱量傳遞給臨近分子，從而實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。熱傳導(dǎo)發(fā)生于在導(dǎo)體材料內(nèi)部，通常采用的傳導(dǎo)散熱方法有在導(dǎo)體上安裝散熱器，采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的導(dǎo)電體和絕緣體。

熱對(duì)流又稱對(duì)流傳熱，實(shí)質(zhì)上就是流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)因?yàn)槭軣嵋鹫饎?dòng)，產(chǎn)生熱量交換的現(xiàn)象。對(duì)流散熱計(jì)算公式如下：

式中：αl為對(duì)流散熱系數(shù)，W/(m2·℃)；θw為導(dǎo)體溫度，℃；θ0為外界環(huán)境溫度，℃；F1為導(dǎo)體單位長(zhǎng)度的散熱面積，m2/m。

熱輻射又稱輻射傳熱，物體本身具有溫度，會(huì)激發(fā)產(chǎn)生電磁波被附近的低溫物體吸收，將其部分或全部轉(zhuǎn)換為熱量被自身吸收，其傳播不需要任何介質(zhì)。在大電流開(kāi)關(guān)柜中，氣箱是密封的，溫升平衡后，內(nèi)部對(duì)流換熱相對(duì)較少，因此輻射散熱是大電流開(kāi)關(guān)柜的主要散熱方式之一。依據(jù)傳熱學(xué)理論，導(dǎo)體輻射熱量為：

式中：ε為導(dǎo)體的輻射散熱系數(shù)；Ff為單位長(zhǎng)度導(dǎo)體的輻射散熱表面積。

2 開(kāi)關(guān)柜溫升控制難點(diǎn)

（1）充氣式開(kāi)關(guān)柜相較于空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜，其高壓一次導(dǎo)電體密封于氣箱內(nèi)，由于氣箱是絕對(duì)密封的，與外界環(huán)境沒(méi)有對(duì)流換熱，因此大電流開(kāi)關(guān)設(shè)備容易產(chǎn)生過(guò)熱狀況，尤其是氣箱內(nèi)部的隔離開(kāi)關(guān)、固封極柱及接觸部位容易過(guò)熱。且B相處在A、C相之間，散熱條件更差，通常B相的溫升要比A、C相高出3～5 K?？諝饨^緣開(kāi)關(guān)柜是敞開(kāi)的，可以直接與外部環(huán)境進(jìn)行熱交換。而充氣開(kāi)關(guān)柜是密閉的，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部氣體需要先將熱量傳遞至氣箱，再通過(guò)氣箱外表面與外界進(jìn)行熱量交換。此過(guò)程極大降低了對(duì)流換熱的效率，是導(dǎo)致內(nèi)部溫升過(guò)高的一個(gè)重要因素。

（2）絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱性直接影響開(kāi)關(guān)設(shè)備的溫升。在充氣柜中，氣體的換熱方式主要為對(duì)流換熱，為傳導(dǎo)換熱和對(duì)流換熱的耦合。由于N2的分子量比SF6小，即在同溫條件下，N2分子運(yùn)動(dòng)速度比SF6快得多，所以N2氣體的導(dǎo)熱系數(shù)比SF6小。與N2相比，SF6的密度和比熱容較大，同分子攜帶熱量多。因此同溫同壓條件下，SF6氣體的對(duì)流換熱系數(shù)N2在氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜中，當(dāng)絕緣介質(zhì)為干燥空氣時(shí)，其散熱效果最差。因此干燥空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜對(duì)溫升的要求更為嚴(yán)苛。

（3）目前干燥空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜的發(fā)展方向?yàn)樾⌒突?、?jīng)濟(jì)適用，這就導(dǎo)致必須對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的導(dǎo)體尺寸、氣箱尺寸和外形尺寸進(jìn)行嚴(yán)格控制，以致影響了整體氣箱的散熱面積，同時(shí)也對(duì)充氣柜的溫升控制設(shè)計(jì)提出了更苛刻的要求。

3 主回路電阻控制

電阻越大，發(fā)熱功率也就越大。因此，有效地控制電阻可以控制開(kāi)關(guān)柜的發(fā)熱量，從而有效提升開(kāi)關(guān)柜的大電流承載能力，而溫升不超標(biāo)。主回路電阻通常包含導(dǎo)體自身的電阻和接觸電阻。常采用的降低接觸電阻的辦法如下：

（1）適當(dāng)?shù)卦龃笤撨B接部位的緊固力矩；

（2）遵循螺釘緊固順序原則，保證銅排的兩個(gè)連接部位接觸電阻在控制范圍內(nèi)；

（3）適當(dāng)降低連接零部件的硬度；

（4）表面鍍銀處理；

（5）盡可能采用多螺釘固定方式；

（6）導(dǎo)電體切縫處理。

本文分別在開(kāi)關(guān)柜主回路導(dǎo)體處理前后測(cè)量了電阻，如表4所示。采用以上降低電阻的辦法后，開(kāi)關(guān)柜整體電阻降低了11.7%；由焦耳定律可知，其整柜發(fā)熱量也降低了11.7%。

表4 電阻值對(duì)比

4 熱仿真分析

在進(jìn)行仿真分析前，對(duì)新設(shè)計(jì)的充氣柜進(jìn)行溫升試驗(yàn)，當(dāng)電流達(dá)到2 400 A時(shí)，溫升不超標(biāo)，正好滿足國(guó)標(biāo)要求，但距離額定電流1.1倍的國(guó)標(biāo)溫升要求還差450 A電流，需通過(guò)仿真分析和理論計(jì)算，找出最佳散熱方案，解決溫升問(wèn)題。本文采用FLOEFD熱場(chǎng)分析軟件對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行仿真分析，導(dǎo)入模型后開(kāi)始計(jì)算，結(jié)果如圖1所示[6-8]。

圖1 初始條件開(kāi)關(guān)柜溫升分布云圖

為了找出理論數(shù)據(jù)更加接近試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文選取幾個(gè)關(guān)鍵溫升監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

圖2 溫升監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

選取開(kāi)關(guān)柜溫升超標(biāo)最嚴(yán)重的B相為分析對(duì)象，并將B相主回路仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖3 仿真與溫升數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖4 修正后仿真與溫升數(shù)據(jù)對(duì)比圖

4.1 仿真參數(shù)修正

由于仿真技術(shù)水平和試驗(yàn)測(cè)試條件有限，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差是不可避免的。需要綜合各種因素，找到仿真誤差的來(lái)源，分析仿真誤差的走勢(shì)與方向，以便更好地利用仿真數(shù)據(jù)來(lái)指導(dǎo)后續(xù)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)。

（1）電阻誤差修正

之前采用的回路電阻測(cè)試儀精度為1μΩ，且測(cè)量是整體電阻，通過(guò)理論計(jì)算的電阻對(duì)主回路進(jìn)行功率劃分。現(xiàn)采用精度為0.1μΩ的回路電阻測(cè)試儀，并分段精細(xì)測(cè)量每一段導(dǎo)體電阻，依據(jù)實(shí)際電阻值對(duì)導(dǎo)體回路進(jìn)行功率劃分。

（2）輻射系數(shù)調(diào)整

輻射系數(shù)是影響開(kāi)關(guān)設(shè)備散熱的重要因素，因此輻射的設(shè)置是仿真分析精度高低的關(guān)鍵因素。將開(kāi)關(guān)設(shè)備的內(nèi)部相關(guān)導(dǎo)體送至檢測(cè)中心，對(duì)輻射系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并結(jié)合溫升試驗(yàn)，找出主回路零部件的輻射系數(shù)，以提高仿真的精確性。

（3）流體參數(shù)調(diào)整

通過(guò)設(shè)置流體子域、壓力、重力，對(duì)流體參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，接近了實(shí)際工況，降低了對(duì)流散熱誤差對(duì)仿真結(jié)果的影響。

綜上，結(jié)合仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)零部件的物理屬性進(jìn)行調(diào)整，最終將仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差控制在±1℃，如圖4所示。由圖可知，經(jīng)過(guò)對(duì)主回路零部件的初始參數(shù)修正后，仿真分析計(jì)算得到數(shù)據(jù)基本與溫升試驗(yàn)一致。并以此為基礎(chǔ)，將設(shè)計(jì)的每種散熱方案進(jìn)行仿真分析，計(jì)算出每種散熱方案對(duì)整體回路的提升電流，如表5所示。

表5 散熱措施散熱效果對(duì)比分析

依據(jù)每種散熱方案的成本、可行性等綜合性能進(jìn)行評(píng)估，選出最佳組合散熱方案解決1.1倍額定電流溫升問(wèn)題。本文選取異型母線方案、納米散熱涂料方案、散熱器方案及固封極柱散熱方案作為下次溫升試驗(yàn)的散熱方案。

4.2 溫升試驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿真分析結(jié)果的正確性，依據(jù)GB3906和GB11022的要求，對(duì)環(huán)保型12 kV-2 500 A樣機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)，通流2 750 A，通過(guò)熱電偶傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主回路溫升。國(guó)標(biāo)要求靜連接的溫升不超過(guò)75 K，動(dòng)連接的溫升不超過(guò)65 K，1 h內(nèi)溫升不超過(guò)1 K，達(dá)到穩(wěn)定[9]。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的環(huán)保型開(kāi)關(guān)設(shè)備靜連接處最高溫升值為71.5 K，動(dòng)連接處溫升最高為61.8 K，滿足國(guó)標(biāo)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)環(huán)保型12 kV-2 500 A開(kāi)關(guān)設(shè)備的溫升問(wèn)題提出了解決方案，結(jié)合熱場(chǎng)分析和溫升試驗(yàn)，找出最佳散熱方案，并順利地通過(guò)了型式試驗(yàn)，取得型式試驗(yàn)報(bào)告，得到以下結(jié)論。

（1）通過(guò)接觸電阻控制措施的采用，整柜發(fā)熱量降低了11.7%。

（2）通過(guò)FLOEFD熱分析軟件，高效準(zhǔn)確計(jì)算出每種散熱方案的散熱性能，優(yōu)中選優(yōu)，不僅解決了本項(xiàng)目的溫升問(wèn)題，而且縮短了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期，縮短了溫升試驗(yàn)的次數(shù)。