论降低固定式中压开关设备温升之结构创新设计

张薇彤

摘 要：本创新设计实现了固定式中压开关设备“自然风冷”的散热结构，攻破了传统开关柜在此电流等级下需要安装风机来强迫通风降温的难关。同时，该设备在散热、触头连接、绝缘等结构设计上实现了全方位的创新，取得了解决温升、加强设备可靠性方面的重大突破。因此，该设备已获得实用新型及发明专利。该文主要结合传统开关设备存在体积大，载流、绝缘、机械事故率高等缺陷的分析，以提高开关设备的性能和质量，降低设备温升为前提，从设备触头滑动可靠连接、散热、降低电阻发热源、避免涡流发热、绝缘以及外观等方面探讨了固定式中压开关设备结构创新设计的要点和工艺。

关键词：固定式中压开关设备 温升 结构 创新设计

中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（a）-00-02

电力是社会各项组织活动的生命源泉。近年来，随着我国宏观经济的发展，城乡电网大规模建设和改造进程不断加快，电力系统设计的技术参数不断提高，同时对供电质量、可靠性及外观的要求也越来越高。开关设备是供电系统的有机组成部分，在保证电力系统正常运行中发挥着重要的作用。然而，目前市场上广泛运用的开关设备在长期的实践工作中呈现出体积大，载流、绝缘、机械事故率高等一系列缺陷，严重威胁着供电设备的安全运行以及工作人员的生命质量，引起社会的广泛关注。一种大电流、小型化、高可靠性、绿色环保的新型固定式中压开关设备亟待开发。基于此背景，笔者所在研究团队结合国家标准GB/T 11022-1999《高压开关设备和控制设备标准的共同技术要求》，共同创新设计了一种降低固定式中压开关设备温升的开关设备结构，现报道如下。

1 设计目的

中置式结构开关设备的主要故障是设备在运行过程中，在长期载流情况下，

断路器手车上、下隔离动触头过热导致温升值超过标准范围。当升高热量超过一定范围时，会进一步引发引线过热现象，发生绝缘事故，导致设备烧毁故障。而造成该故障的主要原因，一方面是中置式开关设备中，断路器为移开式结构，接触不良现象在该结构下手车动静触头滑动连接部位出现较为频繁，同时动触头偏心，引发断路器触头系统出现较大的接触电阻，增大了设备的发热量，导致温升值超标；另一方面较大的涡流发热，增加了开关设备的内部温度，导致主回路产生的热量极难向柜内散发；另外，该结构型的开关设备散热效率低，不宜在特定的时间内将柜内的热量散发出去。因此，新型开关设备结构在设计上应克服中置式结构开关设备的缺陷，达到以下设计目的：

（1）设备触头滑动可靠连接设计

（2）自然风冷

（3）加强开关设备散热设计

（4）降低电阻发热源设计

（5）避免涡流发热设计

（6）绝缘设计

（7）整体结构设计

2 设计要点及步骤

2.1 采用固定式结构，保证开关触头滑动连接可靠

针对中置式开关设备中手车动静触头滑动连接部位接触不良的缺陷，本设计采用了固定式连接的开关设备，从根本上解决了触头滑动连接不可靠导致故障的问题。

一方面，本设计采用具有永磁操作机构的真空断路器，该操作结构仅有一个运动部件，并且与真空灭弧室直接相连，其特有的机械特性正好匹配于真空断路器的工作特性。同时，与弹簧结构相比，永磁操作机构的零部件大幅度减少，达至70%。这一优点有效避免了零件连接零散的问题，大大提高了开关机械系统运行的可靠性，从而实现免维护运行。

另一方面，本设计为满足固定式开关设备的性能要求，采用了具有国内领先水平的侧装式高压隔离开关。该隔离开关具有体积小、可靠性高、承载大电流、独特的触头加紧结构以及能开断较大短路电流等优点，有效减少了触头处于长期载流情况下发生过热现象而引发的设备故障。

2.2 根据设备性能，估算设备长期载流时温升

长期载流时温升计算就是估算在开关设备长期通过额定电流，发热过程和散热达到平衡，温度达到稳定温度时，开关设备的温升值，进而评估其载流能力。在计算过程中，我们将辐射和对流作为导体表面的传热方式，将外壳对内、对外的热传导忽略。同时，本结构在设计中已将涡流发热有效避免，因此，临近效应、介质损耗、感应发热以及集肤效应忽略不计。

在设备相对稳定发热的运行情况下，导体的热功率P即为辐射功率Pr、空气对流散热功率Pc及通风自然对流热功率Pv的和，这就是热平衡方程，即：

P=P+P+Pv

而已知：本开关设备外形尺寸：宽1000 mm，高2250 mm，深1300 mm。额定电流3150 A，环境温度T为20 ℃，设备辐射率ε为0.072，设备散热表面积Sc=13.64 m2，开关设备上下自然通风口面积A=0.12 m2，吸排气口的位置差2.4 m。根据常用简易计算法“设备内气体平均温升法”进行估算得出当达热平衡时，该设备内温升在30 K以下，满足温升要求。

2.3 针对设备散热方式，设计设备散热措施

电器产生热源主要包括电流通过导体产生的电阻损耗、封闭开关设备铁磁体内产生的涡流、磁滞损耗以及交流开关设备绝缘体内产生介质损耗。针对开关设备的散热方式，要解决开关主回路产生的热量不易散到柜内而引发的设备烧毁故障，本设计主要从抑制发热、加强散热两方面入手来实现设计的目的。

（1）降低发热，一是本设计中选用了高质量低电阻的新型元件作为电器元件，使整个回路电阻减小到最低限度；二是采用不导磁材料进行开关柜关键部位的组装，使磁通隔断，使涡流产生得到有效的避免，进一步解决了涡流发热问题。三是本设计中，各零部件布局新颖，特殊隔离开关的设计、固定方式的有效连接，使主回路通电导体的长度达到最短，接近直线距离，有效降低了主回来电阻，对焦耳热起到抑制作用，从而有效实现电阻发热源的降低。

（2）加强散热，一是本设计采用铝散热片作为大电流断路器材料，使散热面积增大，加强散热；二是本设计采用电泳无光黑漆对主母线非搭接表面进行处理，增大辐射散热系数，散热能力提高8%～12%；三是穿心式互感器穿越电缆室的隔板，穿心式隔离套管穿越与断路器室的隔板，形成电缆室至断路器室再至母线室的通风通道，对空间进行了巧妙的利用，形成了有效的对流通道。并满足了相间及对地绝缘要求。

因此，该设备实现了固定式中压开关设备“自然风冷”的散热结构，攻破了传统中置柜在该电流等级下需要安装风机来强迫通风降温的难关。

2.4 绝缘设计

本设计遵循消除绝缘事故最经济、实用、可靠的原则，采用空气作为相间、及相对地绝缘介质。在设备内的带电体相间及对地间有足够的空气绝缘距离存在，有效避免了绝缘事故的发生。

2.5 整体结构设计

开关柜主要由电缆室、断路器室、母线室、泄压通道和仪表室5部分组成。本设计中，采用钢板对各隔室间进行分隔，使局部故障对相邻隔室正常运行的影响得到有效避免。

同时，每个隔室都有独立的泄压通道通向柜顶部（见图1），使工作人员的人身安全得到保证。

3 结语

作为电网中最重要的设备之一，高压开关柜设备必须具备良好的性能才能保证电力系统安全、高效的运行。

本方案设计的新型降低固定式中压开关设备温升的结构，不仅保证了设备触头滑动的可靠连接，有效降低了因动静触头滑动连接部位接触而不良造成的设备故障问题，同时优化了设备散热设计，防止设备发热量过高，导致温升值超标而造成的设备烧毁

事故。

另外通过绝缘设计和整体结构设计更加满足了设备的高性能、高质量要求，将引领未来开关柜发展的方向。

参考文献

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[2] 黄绍平，李永坚.中压开关设备智能单元设计[J].电力系统及其自动化学报，2004（2）.

[3] 张忙中.大电流开关设备运行中过热解决方案的探讨[J].机械研究与应用，2007（4）.