李颖?
北京市西城区政府投资项目建设中心??100052
摘要：
KYN28型配电柜是目前国内高压配电柜市场上的主流高压开关设备，具有外形整齐，小巧美观，强度高，元器件检修方便，互换性好，应用广泛等优点。它可以配置ABB公司生产的VD4、国内各厂家生产的VS1（ZN73）、GE公司生产的VB2等多种型号的真空断路器以及C3系列的固定负荷开关。。
近年来，随着中压输配电开关设备的大容量、大电流趋势发展，用电负载不断增大，由于工作产生过热而引发设备故障的现象，已经成为我国高压配电柜行业面临的主要技术问题。
配电柜中的热源主要由各种电阻产生，柜内发热功率高于散热功率，想要降低配电柜的发热功率，主要还是从怎样减小各种电阻和减小邻近效应、集肤效应对电阻的影响，但仅仅依靠降低配电柜发热来控制配电柜的温升是远远不够的，从目前的技术水平看，减小接触电阻的手段非常有限，并且成本高，因此还必须考虑改善配电柜的散热条件，散热最有效的手段就是强制风冷。基于此，本文从改进配电柜机械结构方面来分析如何解决配电柜温升控制问题，设计并制造了样柜，通过温升试验对比改进前后数据，验证改进方案是有效、合理的，并成功运用于企业实践。
关键词：配电柜；改善散热条件；控制温升；结构改进；试验对比
前言
从理论上分析，一般通过减小各部分电阻阻值，降低集肤效应与邻近效应来减少配电柜发热功率。以现有的技术水平看，减小接触电阻阻值的手段有限且成本较高，因此必须从改善配电柜散热防护方面研究入手，目前来看最有效的解决方法就是采用强制风冷方式。笔者结合企业现场实际工作情况，从改善配电柜散热防护方面来讨论如何进行配电柜温升控制。
1.增大配电柜两侧散热面积与通风口面积
1.1增大配电柜两侧散热面积
热对流散热功率Py=1.86SCΔTS1.25，其中SC表示柜体散热表面积，ΔTS表示外环境与散热面温度差;热辐射散热功率Pr=5.67×10－8ε［(Tm+ΔTs)4－T4m］Sr，其中ε为表面辐射系数，Tm为许用温升，Sr表示柜体辐射外表面积。
由此可知，配电柜的散热面积是增加热对流与热辐射散热功率的关键因素。企业放置大电流配电柜时，一般会和其他柜并列安装，可将配电柜左右两侧改进成可进行空气对流散热的表面，增大散热面积。比如在配电柜两侧与其他柜间距各空出0．2m的距离，空隙处前后面安装封板，柜顶不装封板，配电柜门板上下部和顶部都留有自然通风口，可使空气保持对流，以提高柜体两侧散热面积。
1.2增大配电柜通风口面积
一般情况下，通风口处自然对流的散热功率可用Pv=CPρ(gH/Tm)0.5ΔT1.5aAe×103计算，式中，Ae=，CP为空气主压比热系数，ρ为空气密度，H为吸排气口高度差，Tm为许用温升，ΔTa为柜内空气温升值，Ae为吸排气口有效面积，A1为吸气口面积，A2为排气口面积，K1为吸气口局部阻力系数，K2为排气口局部阻力系数。
由此可知，增加柜体通风口面积有助于配电柜散热。实测配电柜吸、排气口孔口面积是0.05m2，从KYN28型配电柜门板面积分析来看，吸气口开孔面积可以增大至0.08m2，以此增加配电柜通风口面积，提高柜体散热功率。
2.强制对流风冷与柜体内风道设计
2.1强制对流风冷
通常情况下，强制对流风冷散热比普通自然散热效果要提升2～7倍，因此强制风冷是配电柜降低温升的有效手段。
强制风冷送风量可用V=来计算，其中Pq为需要强制风冷的散热功率，CP为空气主压比热系数，ρ为空气密度，ΔTa为温升值，ξ为通风口阻力系数。
通过计算求得送风量具体大小。根据计算结果的要求，后柜配备2只150FZY2－D型号轴流风机，安装于后上盖板;母线室配备2只轴流风机(型号同上)，安装于盖板左右侧面;气道上端配备2只轴流风机(型号同上)，安装于盖板前面;前柜配备1只GFD850－155型号横流风机，安装于断路器室底部，同时出风口直接对准断路器框架。
2．2柜体内风道设计
采用风道冷却可以迫使气流按规定路径通行，合理控制气流并分配至配电柜内部各单元和各组件，避免冷空气在输送过程中被大型元件阻塞而造成风量损耗，降低了冷空气传输阻力，提升散热效果，基于此种原因，设计上采用了风道冷却方式。
绝缘盒和断路器是配电柜前柜散热的主要来源。断路器处于工作状态时，断路器、中隔板和隔弧板三者可以形成风道。为使轴流风机风量都流入风道内，并形成主要对断路器及触头盒进行散热的a路径气流，我们设计时在横流风机上端增加一个小室，将断路器下方的隔板尺寸缩小至小室口，同时在气道上端安装轴流风机3只，在配电柜前下门设计增加网孔，结构如图1所示。
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图1改进后的配电柜形成风道的示意
配电柜后柜上母排全部集中，发热量较大，设计时可在配电柜后柜下端增加网孔，在母线室顶部与后上覆板增设安装轴流风机，在母线室后隔板同样增加网孔，形成可对主母排进行快速风冷散热的气流b和气流c，如图1所示。主母排由于金属热传导的缘故得到快速冷却，触头盒内热量得以降温。
3.静触头的机械结构改进
触头盒散热困难，内部热量很高，极易超过温升限定范围。由于优化静触头结构比其它方法成本更低，成效更快，因此我们通过改进静触头结构来降低接触电阻，提高散热功率。图2是静触头改进前结构示意图，底部和母线接触截面为保证与母线接触可靠，铜螺母需要缩在截面内部。拧紧螺栓时，母线与铜螺母表面不发生接触，使得静触头有微小变形，导致底部与母线接触面积变小，接触效果变差，因而不利于散热。
图2静触头改进前示意
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将静触头改进为整体式结构，由铜棒直接加工而成，增大了静触头底部与母线的可视接触面，接触电阻值减小。因对流条件受限制，静触头内热量很高，底部我们设计选用可增大静触头散热面积的槽型结构，上、下端分别设计改造加工3个Φ7mm小孔。试验证明，通过在静触头上、下端各开设3个小孔，既方便内部热空气对流散热，又不降低静触头自身强度。为节约成本，可先用铜坯锻造加工粗毛坯，后精加工成静触头的工艺方法，如图3所示。
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图3静触头改进后示意
4.热源处附近涂厚黑色电泳漆
在靠近热源处材料涂覆黑色电泳漆，可以合理提升热量辐射系数，改善柜内散热效果。在柜体内靠近热源处隔板与侧板处涂覆黑色电泳漆，在靠近热源处的安装触头盒中间隔板、互感器安装板、母线室与电缆室隔板等位置处同样涂覆黑色电泳漆，并通过传导到柜体进行散热，起到较好的降温效果。
涂料的辐射系数与太阳光吸收率见表1。
表1涂料的辐射系数与太阳光吸收率
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图4.涂厚黑色电泳漆
由表1可知，当板材上涂厚0．24mm黑色电泳漆，辐射系数ε可由原来的0.02～0.07提升至0.48，因此我们可以在柜体内热源附近的隔板上与侧板内涂黑色电泳漆，以提高散热效果;若涂厚增加到1mm，虽然辐射系数ε为0.94，远大于涂厚0.24mm黑漆辐射系数0.48，但在企业实际生产操作中，由于1mm厚度加工过程涉及工艺、材料、涂覆次数、烘干程度、易剥裂等复杂因素，目前很难控制。在企业实际生产过程中，我们在热源处附近的母线室与电缆室隔板、安装触头盒的中间隔板、互感器安装板等位置涂覆0.24mm厚黑色电泳漆，通过辐射吸收热源热量后，热量传导到配电柜金属柜体进行散热，起到散热的效果。
5.改进前与改进后温升试验的分析对比
5.1温升试验方案
工程设计上，采用温升试验方案是验证改进措施是否行之有效的最好方法。试验采用SLQ－82大电流发生器，并尽量接近企业实际生产环境。试验在恶劣外界环境中进行:风速低于0.5m/s，温度为14℃，试验电流为4000A，铜排采用3根10mm×120mm规格，柜体两侧安装边屏，以防外界环境条件的过于加热和过于冷却。试验测试下来，若温升增加数值在1h内不超过1K，我们就可以认为温升控制已经达到稳定状态。对易发热部位进行温升检测试验，采集、分析并比较实际运行温升数据，找出配电柜内实际真正发热点，对我们分析解决配电柜过热故障问题，有很大的帮助。
配电柜在运行时局部发热量高的部位如:主母排本体(1、12)，主母排的联接处(2、11)，联结断路器静触头(3、10)，断路器梅花触头(4、9)，断路器的触臂(5、8)，断路器的内部联接处(6、7)，如图5所示。此12处位置是我们重点进行温升检测的具体部位，特别是空间狭小，对流受限，接触电阻阻值又较大，最易出现过热故障的断路器的内部联结处与动静触头的联结处。
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图5温升检测位置
5.2改进前与改进后温升试验的数据分析
表2是配电柜改进前的温升试验数据，从表中可以看出柜内各部位的温升都超过标准允许值。虽然配电柜改进前在后覆板上加设了3个轴流风机，前下门和后下门增加了通风孔并焊接滤网，柜顶四周开设散热孔，但是只有后柜采用强迫风冷，而前柜没有相应措施，由于前后柜封闭而导致热空气无法对流;又因为前后门上的散热面积太小，通风口处的空气滤网孔径小于1mm，造成对流损失较大;同时静触头结构设计不合理，动静触头接触处电阻阻值较大且在主回路又增设一处接触电阻，直接引起配电柜发热功率的增大，柜内热量不容易散发，具有较大的事故隐患。
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表2改进前的温升数据
配电柜实施改造后，我们分别在上盖板和气道上端安装2只轴流风机(型号同上，下同)，在母线室左右两侧各安装1只轴流风机，前柜断路器室底部安装1只横流风机(型号同上)，出风口正对断路器框架，静触头结构按图3进行改进，梅花触头与静触头均采用镀厚银处理和穿心式电流互感器方式，将前后柜门散热面积增大，在水平母线后隔板上增加散热孔，方便母线室和电缆室热空气进行对流降温。表3是配电柜改进后的温升数据，从表中可以明显看出:配电柜改进后柜内各部位，特别是触头盒内温度明显降低到标准允许值范围内，并且在1h内的温升增加值均不超过1K，温升控制成效显著，达到稳定状态。
表3改进后的温升数据
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结束语：
温升试验是检验配电柜温升的唯一手段，我们设计并制作了样柜，通过比较分析配电柜改进前和改进后的温升数据，验证了本改进方案是有效、合理的，目前已成功运用于企业生产。需说明的是:由于测试试验环境的局限性，实际运行产生的温升数据与试验时采集的数据还是有差异的。实际运行时配电柜温升要受到配电柜数量、柜体排列布局、现场环境(如温度、湿度、风速、粉尘)等诸多因素的影响，实际温升数据通常均会超过试验采集数据，这就需要在后续工作中须坚持不懈地进行实际温升数据采集积累，以保证对配电柜实施持续性优化改进。
参考文献：
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