基于热管技术的大电流开关柜散热驱潮系统设计

林 超

（深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000）

0 引 言

大电流开关柜由于长期高负荷运行发热量过大，且湿、热的空气环境将会降低柜内设备的绝缘强度。经验表明，如果开关柜内温湿度过大问题不加以控制，导致绝缘层加速老化，过热程度不断加剧，将逐渐引发事故[1]。另外，空气过于潮湿还容易形成凝露，严重破坏了设备绝缘，易引发电弧、设备起火甚至爆炸等事故。因此，大电流开关柜的散热问题和驱潮问题，是变电站运行维护的两个关键问题[2]。

目前，针对大电流开关柜的散热和驱潮问题，变电站采取了大量措施。现阶段，主要散热技术手段有：（1）高压室加装空调、风机降低环境温度；（2）对大电流开关柜加装风机等措施，对开关柜进行散热降温；（3）装设实时监控系统检测柜内温度来进行运行维护等。驱潮措施主要是装设驱潮器来防止凝露现象。

上述措施使得开关柜发热和潮湿问题得到了一定缓解。现阶段，已有技术措施已能够将高压室室温控制在正常范围（40 ℃以下）内，但开关柜表面温度却依然保持在较高水平，如图1所示。同时，因过热或凝露引起的开关柜事故还时有发生。由图1易见，高压室室内环境温度在30 ℃左右，满足开关柜运行环境要求的0～40 ℃要求，而开关柜柜面的温度远远高于环境温度，最高温度达到51 ℃。综上所述，目前大电流开关柜散热瓶颈主要是开关柜内电气设备发出的热量无法较好地散出柜外[3]。

图1 大富站501开关柜近期测温结果表

大电流开关柜的驱潮器通过加热柜内温度来防止水蒸气形成凝露，却不能解决柜内高温高湿度运行环境对设备的影响。因此，驱潮器也不能杜绝开关柜内凝露的形成[4]。结合现场运行维护经验和基本理论分析，开关柜的散热和驱潮困难主要原因如下。

（1）为满足防爆要求，开关柜壳体采用金属铠装敷铝锌钢板形成密闭的空间，影响了开关柜散热。

（2）金属全封闭开关柜需具有IP3X的防护等级，使得开关柜的散热口设计较小，导致柜内通风气道不足，大大降低了散热风机的散热能力。此时，即使配备大功率风机，但由于风道过小，风机会产生较大震动，发出嗡嗡的噪声，不仅降低风机寿命，而且不能达到期望的散热效果。

（3）驱潮器湿度传感器灵敏度低，低驱潮能力低。同时，驱潮器也不能改善柜内高温高湿度环境。

综合上述研究背景和研究现状可知，在不破坏开关柜防护等级的前提下，设计一种更有效的散热驱潮系统十分必要。针对这一问题，引进热管技术，利用PLC控制系统，设计了一种适用于大电流开关柜的散热驱潮系统。该系统附在开关柜后柜门上，能够对开关柜进行有效降温，放置吸附剂后能够吸收开关柜内湿气，达到散热和驱潮的双重效果。

1 热管技术的应用基础

热管是世界上迄今所知的传热速度最快的传热元件，被称为“热超导管”。它传热效率高，沿轴向的等温特性好，但热耗散效率比同质量的铜散热器大2～3个数量级。因热管具有热响应速度快、热传输量大、不需要主动元件、本身不需要耗能和可变换热流等优点，自20世纪70年代商业化应用以来，得到了各方面的重视。

热管是一个密闭封焊的蒸发冷却器件，由密封管、吸液芯和蒸汽通道组成。制造时，管内抽成负压后，放入适量可以汽化的工作液体（如水、乙醇、氟利昂等），使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体并加以密封，如图2所示。从轴向看，管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），中间为绝热段。工作时，外部热源的热量传至蒸发段，由于热传导使工质的温度上升，进而导致液相介质吸热蒸发。

图2 热管原理图

热管技术最初被用在航天领域，专门解决面向太阳和背向太阳的温差问题，属尖端国防技术。民用化后，在化工、热工及电力电子等领域有着广泛应用。用于笔记本电脑散热的热管属于小型热管，能明显改善电脑散热能力，提高电脑性能。国内对老式油浸式变压器进行了改造，采用热管技术强化冷却散热，取得了良好的效果。

热管技术拥有良好的应用前景，利用热管技术将大电流开关柜内的热量传导出来，不仅大大提高了大电流开关柜的散热能力，而且不会影响其防护等级。

梅毒螺旋体明胶颗粒凝集阳性检出率为94.0%，梅毒酶联免疫吸附法检测阳性率为88.0%，梅毒甲胺红不加热血清反应检测阳性率为94.0%，见表1。

2 散热驱潮系统设计

2.1 散热驱潮系统热管散热器选型

开关柜内发热包括电流回路发热、涡流和磁滞引起的发热等，其中主要以电流回路发热为主。电流流经导线、CT刀闸等电力设备，发热量可以通过焦耳定律估算。

当开关柜通过2 000 A的电流时，其发热量约为1 800 W。当开关柜通过4 000 A的电流时，其发热量约为3 600 W。

依据表1热管传热功率的经验关系及热管生产厂家的产品功率介绍，采用4根长度为1 m、外径为25 mm且热管传输功率达到4 kW以上的热管，满足额定电流下高压开关柜的散热需求。

表1 热管管径、管长、与单管传热功率经验关系

2.2 散热驱潮系统的设计

高压柜后柜门中部偏下部位为开关柜刀闸（小车）触头部位，温度较高。因此，在此处打开散热孔进行通风，如图3所示。高压开关柜内的空气循环通道与柜外空气循环通道相互独立，满足高压开关柜的防护等级要求。在散热驱潮系统风道中装配干燥剂，可吸收高压开关柜内空气中的水分，达到了驱潮效果。运行人员可定期检查维护干燥剂，必要时及时更换。

图3 散热驱潮系统示意图

考虑有些高压柜下后柜门是地线装接处，可将散热系统悬于开关柜上。而如果是小车式高压柜，可直接让开关柜落地，借助柜底本身的风机代替#2风机。

2.3 PLC控制系统设计

如图3所示，通过PLC控制技术，以高压开关柜内和外散热窗安装的温度传感器为输入量，通过PLC控制系统控制#1风扇、#2启停。

风机开启的基本思路为：

（2）当仅需要驱潮时，#2风机启动，#1风机不启动。

据此，该控制系统的控制逻辑如图4所示。

按照图4的系统控制逻辑，可整定温湿度阀值，实现对各类机柜的散热驱潮。对于大电流开关柜，推荐整定值如表2所示。

图4 PLC控制系统逻辑图

表2 推荐整定参数表

通过汇编语言编写程序实现图4的控制逻辑图。

2.4 后台监视或系统设计

通过通信网络，将温湿度监控信号和风扇启停信号发送至监控后台，使巡视人员了解和掌握开关柜温湿度情况，如图5所示。PLC通信模块带有TCP/IP以太网通信处理器模块和RS845串行端口，可以同时和多台PLC进行通信，也可以与PC机进行通信。PLC输出信号经485串口输出值NP801转换成以太网模式，经交换机输送至监控后台电脑。信号经总线上传后送至PC机，实现后台电脑对全站大电流开关柜温湿度信号的监控。

图5 监控系统结构图

2.5 散热驱潮系统的优势分析

2.5.1 散热效果分析

（1）风道改善：进风口和出风口面积显著提高，为普通风冷型开关柜的3倍以上。考虑热管和翅片的散热效率，该系统的散热速度是普通风冷式开关柜的2.82倍以上。

（2）热管导热能力强：传输功率超过额定电流运行条件下开关柜的发热功率，

（3）无源散热驱潮能力增强：风机不启动时，因热能原理，柜内外空气仍能循环流动，具有一定的散热能力。

2.5.2 驱潮效果分析

（1）驱潮效果好：理论上，只要干燥剂更换及时，该系统干燥能力无限大。

（2）干燥剂更换方便：安装在散热驱潮系统箱中，方便更换，利于运行维护。

2.5.3 经济性分析

通过与相关厂家沟通，对上述散热驱潮系统进行经济性分析，初步花费大致如表3所示。从表3可知，该系统投资小，效果好，性价比高，具有较高的使用价值。

表3 散热驱潮系统经济性分析表

3 结 论

热管技术是新型散热技术，具有十分广阔的应用前景。文章利用热管技术提出了一种适用于大电流开关柜的散热、驱潮系统。该系统不破坏开关柜的防护等级，防尘、防小动物效果好，散热效果好。大电流开关柜以额定电流运行，该散热系统胜任散热工作，具有较好的驱潮能力。此外，她能够直接使用干燥剂吸附柜内水蒸气，直观并有足够的说服力。可见，该系统在实际生产中具有较大潜力，对大电流开关柜的散热和驱潮十分有益。