12 kV中置式開關(guān)柜中2500 A電流互感器溫升分析及對策

吳金雄，楊桂平

（1.廈門華電開關(guān)有限公司，福建廈門 361199；2.江蘇靖江互感器股份有限公司，江蘇泰州 214500）

引言

隨著國民經(jīng)濟高速發(fā)展，對電力能源的需求也快速增加[1,2]。中壓配電系統(tǒng)正在全面走向智能化、信息化。全封閉中置式開關(guān)柜用于接受和匹配3.6 kV～12 kV的網(wǎng)絡(luò)電能，并對電力電路實行控制保護(hù)、監(jiān)視和測量。因此，它是中壓配電系統(tǒng)的重要設(shè)備，對區(qū)域安全用電起著非常重要的作用[3,4]。

封閉式中置開關(guān)柜投運后，長期2500 A及以上的電流通過母線（銅排）等導(dǎo)體后產(chǎn)生大量熱量，很難散發(fā)到柜外。溫度超過一定極限會對柜內(nèi)的銅排、觸頭等一次部件及二次元件造成嚴(yán)重?fù)p害，長期過熱運行將引起絕緣件燃燒、空開跳閘、斷路異常等事故。

2500 A電流互感器是中置式開關(guān)柜的關(guān)鍵部件，它的技術(shù)性能直接關(guān)系到開關(guān)柜能否長期安全運行?；仡櫩偨Y(jié)了同類電流互感器的現(xiàn)狀，詳細(xì)分析了其熱源起因，研究了溫度場的特征和熱傳導(dǎo)特性，并針對存在的結(jié)構(gòu)問題，提出了限熱散熱方案。配制新型2500 A電流互感器的12 kV中置式開關(guān)柜順利通過了型式試驗，能夠滿足國家電網(wǎng)運行技術(shù)要求。

1 目前12 kV中置式開關(guān)柜中2500 A電流互感器現(xiàn)狀

1.1 中置式開關(guān)柜母線（銅排等）標(biāo)準(zhǔn)要求

因為母線（銅排）、電流互感器的結(jié)構(gòu)等決定溫度場的分布，母線（銅排）是溫升的源頭[5-7]，國家標(biāo)準(zhǔn)《高壓交流開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》（GB/T 11022—2020）對通電額定電流大小和電流互感器的外形、母線規(guī)格、數(shù)量及是否可配備風(fēng)機冷卻等都作出明確的規(guī)定，其有關(guān)內(nèi)容匯總?cè)绫?所示。

從表1中可以看出，額定電流IN≤2500 A時，其電流互感器為塊狀式，額定電流IN≥3150 A時，電流互感器采用穿芯式。因此，2500 A電流互感器是塊狀式電流互感器的大電流極限規(guī)格型號。圖1為電流互感器一次母線裝配圖。

圖1 電流互感器一次母線裝配圖

1.2 電流互感器規(guī)定釆用塊狀式，散熱比較困難

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，目前中置式開關(guān)柜2500 A電流互感器釆用塊狀式。由于一次繞組澆注在本體內(nèi)部，不利于散熱；其端子搭接塊為扁平式，向外微凸。在開關(guān)柜中安裝時，開關(guān)柜母線與電流互感器搭接塊連接為接觸式螺栓聯(lián)結(jié)，存在接觸電阻，增加了熱源強度。這兩種結(jié)構(gòu)形態(tài)都很容易導(dǎo)致溫升超標(biāo)現(xiàn)象發(fā)生。

1.3 開關(guān)柜柜體進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)狀態(tài)不合理

目前的開關(guān)柜電纜室門進(jìn)風(fēng)口和穿墻套管排風(fēng)口為不銹鋼紗網(wǎng)。其熱量流出通道不暢，很容易導(dǎo)致柜內(nèi)整個母線通電回路及腔內(nèi)溫度急劇上升。

2 中置式開關(guān)柜中2500 A電流互感器通電回路溫度場分析

開關(guān)柜內(nèi)部熱源主要有一次母線、斷路器、電流互感器等形成[8,9]。這里著重分析電流互感器通電回路產(chǎn)生的溫度場，而假定其他元部件的溫度場都能滿足標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

2.1 開關(guān)柜電流互感器通電回路的主要熱源

2.1.1 電流互感器通電回路的熱源特性

為便于分析電流互感器通電回路的熱源特性，將電流互感器等值電路圖轉(zhuǎn)化為電流互感器等效熱源電路圖。圖2為塊狀式電流互感器電路圖。

圖2(b)中，最外面線框為電流互感器環(huán)氧樹脂包封外表面；內(nèi)粗虛線框為鐵芯；R1外為外部一次母線（鐵芯）及搭接接觸電阻總和；R1內(nèi)為內(nèi)部一次母線（鐵芯）電阻；X1為一次母線（鐵芯）繞組；X0和R0為勵磁回路阻抗，以粗虛線連接于電路；R2為二次繞組電阻（在內(nèi)部）；X2為二次線繞組（在內(nèi)部）；RL和XL為負(fù)載阻抗（在外部）。另外，ie為鐵芯等效渦旋電流，Re為鐵芯等效渦旋電阻，以虛線連接于電路。

圖2 塊狀式電流互感器電路圖

根據(jù)圖2(b)可知，塊狀式電流互感器由內(nèi)、外兩部分熱源組成。通過電流時，內(nèi)、外熱源產(chǎn)生的熱量相互疊加后，最終需要通過母線及空氣媒介才能散發(fā)出去。

2.1.2 開關(guān)柜中電流互感器通電回路的熱源組成

根據(jù)塊狀式電流互感器結(jié)構(gòu)和等效熱源電路可知，其熱源主要來之于三個部分。（1）導(dǎo)體（母線）電阻熱源。在非超導(dǎo)工作環(huán)境狀況下，任何導(dǎo)體電阻都不會是零,因此，導(dǎo)體電阻是總等效電阻的一部分。（2）接觸電阻熱源。一次母線系統(tǒng)電阻并非只由導(dǎo)體組成，因為開關(guān)柜母線與電流互感器搭接塊連接為接觸式螺栓聯(lián)結(jié)，所以，還有搭接塊連接之間的接觸電阻[10-12]。而且，由于實際連接表面不可能做到百分之百“完美平面”，總會存在“接觸有效性”問題，這部分接觸電阻往往還會占有較大的比例。（3）鐵芯（母線）渦流損耗和二次繞組電阻。目前鐵芯（母線）質(zhì)量提高，疊片很薄，渦流很小，二次電流較小，所以，這部分熱源與以上兩個熱源相比要小得多。

2.2 開關(guān)柜中電流互感器通電回路溫度場

2.2.1 電流互感器回路內(nèi)部溫度場

內(nèi)部溫度場主要由內(nèi)部一次母線電阻、鐵芯渦流損耗和二次繞組電阻形成。由于環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)較?。?.2 W/(m·K)），固態(tài)環(huán)氧樹脂密度較大（3.1 g/cm3），其比熱容量也較大（550 J/(kg·℃)），所以在通電初期，內(nèi)部熱源要經(jīng)過一段時間才能將熱量傳遞出來。達(dá)到熱平衡后，外包固體環(huán)氧樹脂層將是具有穩(wěn)定熱源的溫度場。

2.2.2 電流互感器外部回路溫度場

外部溫度場由搭接端子接觸電阻熱源和環(huán)氧樹脂層熱源疊加而成。封閉狀態(tài)下，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很?。?.023 W/(m·k)），而內(nèi)部和外部熱源仍然持續(xù)產(chǎn)生熱量。如果散熱較慢，必將使互感器內(nèi)部產(chǎn)生溫度較高的溫度場，并又使得外部溫度場進(jìn)一步加強。如此循環(huán)往復(fù)，使得內(nèi)外溫度場強度不斷上升。

2.3 開關(guān)柜中溫度場的熱傳導(dǎo)分析

熱傳導(dǎo)是熱量從溫度高的區(qū)域向溫度低的區(qū)域轉(zhuǎn)移現(xiàn)象[13]。假設(shè)溫度在空間分布和時間中的變化函數(shù)為u（x，y，z，t），ut=?u/?t為溫度的時間增加率，k為熱傳導(dǎo)系數(shù)且介質(zhì)均勻，ρ為介質(zhì)密度，c為介質(zhì)比熱，熱源強度(單位時間在單位體積中產(chǎn)生的熱量)為F(x，y，z，t)，外部沒有其他熱源，根據(jù)數(shù)學(xué)物理方法,其熱傳遞方程為：

在這里的熱源強度可以等價為：F(xk，yk，zk，t)=Q/t=I2R，其中xk，yk，zk（k=1、2、3，）為常數(shù)，分別表示三相電流互感器熱源坐標(biāo)值。所以，單相電流互感器熱傳遞方程為：

無論是內(nèi)部溫度場還是外部溫度場，其最終都是通過母線后再以空氣為媒介將熱量散發(fā)出去。由上式可知，溫度的時間增加率ut與cρ成反比。因為空氣的cρ一般都遠(yuǎn)小于1，開關(guān)柜內(nèi)部空間又很窄，所以，如果散熱措施不恰當(dāng)，那么柜體內(nèi)環(huán)境溫度將迅速上升。

3 限熱散熱改進(jìn)方案與措施

3.1 增加電流互感器一次導(dǎo)體的截面，降低電流密度，減少導(dǎo)體電阻

為了減小熱源強度，首先考慮適應(yīng)增加一次導(dǎo)體截面積。因國家電網(wǎng)對電流互感器外的母線作了規(guī)范要求，不能更改變動；現(xiàn)只將電流互感器一次母線（繞組）紫銅T2直徑由原來的φ36 mm改為φ45 mm，從而減少了導(dǎo)體電阻。

3.2 改進(jìn)搭接塊連接方式，增加一次搭接塊的搭接面積

由以上分析還可以知道，一次母線和電流互感器搭接塊間接觸面不夠及不良很容易造成溫升超標(biāo)，嚴(yán)重接觸不良時甚至?xí)斐蔁龤КF(xiàn)象發(fā)生[14-16]。所以，安裝時除了保持表面清潔無氧化層外，還增加電流互感器一次搭接塊的搭接面，由80 mm×80 mm增加至100 mm×100 mm。這樣既增加其和母線間的接觸面積，減少了接觸電阻，更便于它們傳熱、散熱。

3.3 改進(jìn)電流互感器內(nèi)部導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，保證內(nèi)部導(dǎo)體散熱均勻

電流互感器為塊狀式，其一次母線有一部分在環(huán)氧澆注體內(nèi)部，所以，既要考慮電流互感器受限于體積及成本，又要能保證讓其散熱更均勻?，F(xiàn)將內(nèi)部的一次導(dǎo)體改為階梯式結(jié)構(gòu)，接近圓柱形。

3.4 改進(jìn)開關(guān)柜電纜室門進(jìn)風(fēng)口和頂部穿墻套管排風(fēng)口

盡量減小熱源是根本，但是很難徹底消除熱源。所以，在采取措施減少總電阻值的同時，還必須考慮采取行之有效的措施，設(shè)法把熱量及時排出柜外，以保證溫升在設(shè)備運行安全范圍之內(nèi)。

3.4.1 進(jìn)口風(fēng)采用新型釋壓板

電纜室門（柜子后下門）進(jìn)風(fēng)口由原來的不銹鋼紗網(wǎng)更換為噴黑色粉未漆的1.0 mm×5 mm釋壓板。這種釋壓板為1 mm厚鋼板，經(jīng)專業(yè)沖壓成1.0 mm×5 mm百葉窗式網(wǎng)格孔，安裝時其5 mm長孔排列為上下方向。這樣既保證其IP4X的要求，同時，也為進(jìn)風(fēng)起導(dǎo)向作用。而且噴黑色油漆，增加散熱功能。

3.4.2 穿墻套管排風(fēng)口也采用新型釋壓板

穿墻套管排風(fēng)口紗網(wǎng)同時更換為噴黑色粉末漆的1.0 mm×5 mm釋壓板。這種釋壓板除了其為1.0 mm×5 mm的網(wǎng)孔外，而且還做成V型形狀，導(dǎo)風(fēng)效果更好，更能有效地傳熱、散熱。試驗采用這種1.0 mm×5 mm釋壓板，最高點溫升為電流互感器上端B相73.2 K，滿足了國家電網(wǎng)公司的技術(shù)要求。

4 開關(guān)柜改進(jìn)的相關(guān)型式試驗數(shù)據(jù)

4.1 測試過程

為了對上述分析數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，2500 A進(jìn)線柜的電流互感器母線搭接處最高溫升為90.0 K左右，三相通電2500 A電流持續(xù)達(dá)到熱平衡穩(wěn)定，在1 h的通電時間內(nèi)溫升不超過1.0 K。通常通電時間一般為10.0 h～12.0 h可達(dá)到平衡穩(wěn)定。測試是通過各測試點埋接溫度傳感器來獲取溫度值，溫度傳感器連接到型號為GLY-04-C04溫度采集儀上，其每5 min自動采集及記錄一次測試溫度。GLY-04-C04溫度采集儀一次最多可采集100點上的數(shù)據(jù)。

4.2 測試過程數(shù)據(jù)

表2原開關(guān)柜中溫升超標(biāo)各點測試數(shù)據(jù)。表3為開關(guān)柜中2500 A電流互感器改進(jìn)后溫升超標(biāo)各點測試數(shù)據(jù)。表4為開關(guān)柜中伍部改進(jìn)后溫升超標(biāo)各點測試數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，最高點溫升為電流互感器上端B相測試點溫升73.2 K，低于75.0 K，滿足了國家電網(wǎng)公司的不高于75.0 K的技術(shù)要求，即12 kV中置式開關(guān)柜中2500 A電流互感器等所有測試點溫升符合國家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 原開關(guān)柜中溫升超標(biāo)各點測試數(shù)據(jù)

表3 開關(guān)柜中2500A電流互感器改進(jìn)后溫升超標(biāo)各點測試數(shù)據(jù)

表4 開關(guān)柜中伍部改進(jìn)后溫升超標(biāo)各點測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

開關(guān)柜內(nèi)溫度可以通過增加2500 A電流互感器母線面積和其結(jié)構(gòu)來有效降低電阻，降低其發(fā)熱來降低和母線搭接處等的溫升；同時通過改進(jìn)柜子進(jìn)、出風(fēng)口的材料、結(jié)構(gòu)來保證進(jìn)、出風(fēng)順暢，改變介質(zhì)密度來改善散熱，降低溫升。這些通過上述數(shù)據(jù)分析及多次的溫升測試得到了驗證，保證了中置式開關(guān)柜溫升降低到符合國家電網(wǎng)公司的標(biāo)準(zhǔn)要求，確保設(shè)備安全連續(xù)運行。通過降低電流互感器導(dǎo)體電阻及開關(guān)柜中介質(zhì)密度的改進(jìn)，溫升可降低15.0 K左右。