开关柜温升影响因素的仿真与试验研究

杜丽 丁永生 石维东 刘 进 陆 军

（1. 南瑞集团公司（国网电力科学研究院），南京 211000；2. 江苏南瑞帕威尔电气有限公司，南京 211000；3. 上海置信电气股份有限公司，上海 200335）

开关柜的温升设计对于开关柜能否长期稳定运行至关重要。开关柜由于体积小、结构复杂，柜内元器件的散热条件比较恶劣，导致温升容易超标。元器件温度过高会导致开关柜内设备提前老化，造成设备损坏和用户停电[1]。

近年来，许多学者对开关柜的温升问题进行了研究。一些学者采用仿真分析或建立微积分数学模型的方法对开关柜的局部元件如触头、母线、电缆及断路器等进行了传热、温升的数值仿真分析[2-10]。开关柜整体的温升是受各部件综合影响的，一些学者和同行利用有限元分析软件进行了仿真分析，得到了开关柜整体的温度场分布[11-14]，且温升试验结果表明仿真分析与试验数据有较好的一致性。

1 开关柜温升的影响因素

开关柜的温升由发热和散热情况综合决定。其中开关柜的主要发热原因是柜体产生的电阻损耗，公式由式（1）给出。开关柜的散热有热传导、热对流、热辐射3种情况。傅里叶定律（Fourier’s law）对热传导现象做出了较为明确的表达，其表达式如式（2）所示。热对流遵循牛顿冷却定律（Newton’s law of cooling），表达式如式（3）所示。热福射遵循斯蒂芬一波尔兹曼定律，其数学公式如式（4）所示。

式中，P为电阻损耗功率，W；Ka为附加损耗系数；I为额定电流，A；R为导体电阻，包括回路内导体的直流电阻和电接触电阻两部分，Ω。

式中，Φ 为热流率，W；λ 为导热系数，W/（m·K）；t为温度，K；x为在导热面上的坐标，m。

式中，Φ 为热流率，W；hc为对流传热系数，W/（m2·℃）；A 为散热面积，m2；tw为物体表面温度，℃；tf为流体温度，℃。

式中，Φ 为热流率，W；ε 为辐射率，其中 0＜辐射率＜1；σ 为斯蒂芬-波尔兹曼常数，其值为 5.67×10-8W/（m2·K4）；A1为为辐射面 1 的面积，m2；F12为形状系数；T1为辐射面 1的温度，K；T2为辐射面2的温度，对于空气绝缘开关柜KYN96，即为空气毗邻开关柜零部件处的温度，K。

在散热方面，由式（3）、式（4）可看出，热对流散热量与部件表面和空气间的温差成正比例关系；热辐射散热量与 （ T14- T24）成正比关系， T14-T4= ΔT4+ 4 T ΔT3+ 6 T2Δ T2+ 4 T3ΔT ，其中 Δ T=T - T ，12也就是说，环境温度对开关柜的辐射散热是有影响的。在发热方面，由式（1）来看，发热量与柜体的电阻成正比例关系。因此，柜体结构中影响电阻的参数（如铜排规格、导体材料）都将影响到开关柜的发热量。

2 样机与研究方法简述

本文以典型开关结构KYN96-12的出线柜为研究对象，开展了环境温度、结构参数（铜排规格、导体材料）对开关柜温升影响的仿真分析与试验研究。

2.1 样机参数

该出线柜样机额定电流为1250A，尺寸为（宽×深×高）800mm×1500mm×2240mm；样机引出排规格为80mm×10mm，上分支排规格为80mm×10mm，下分支排规格为 80mm×8mm。引出排伸出柜外500mm。回路电阻测试仪测得三相导体的回路电阻分别为 68μΩ、63μΩ、62μΩ；其中配套断路器 NPV-12的三相回路电阻分别为30μΩ、30μΩ、29μΩ。

样机中触头盒安装板与穿墙套管安装板的材料为不锈钢板，电缆拼板材料为铝板，其他壳体材料为敷铝锌板；断路器触臂材料为铝，其他导体材料为铜。

2.2 仿真分析简介

将简化的出线柜模型导入电磁分析软件，删除绝缘件（不导电，不产生欧姆损耗）后进行热损耗分析，得到热源分布。仿真电流大小与试验电流相等，为 1.1倍的额定电流。然后将模型导入热分析软件，导入热源后进行稳态热分析，得到整柜的温度场分布情况。

模型简化与仿真方法参考文献[12]，与文献[12]不同之处在于，本文进行了出线柜整柜的稳态热分析。图1为出线柜样机简化后的三维模型，包含壳体、导体及必要的绝缘件。图2为出线柜的欧姆损耗分布云图。图3为出线柜的温度仿真云图。为清晰显示柜内部件云图，图 2、图 3已将部分壳体零件设置为“不显示”状态。

图1 出线柜的简化模型

图2 出线柜的欧姆损耗

图3 出线柜的温度仿真

2.3 温升试验简介

按行业标准DL 404—2007《3.6kV～40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》的要求进行温升试验，对出线柜的三相导体施加相位相差120°、大小为 1.1倍额定电流的试验电流，观察记录仪器上的温度变化情况，达到稳定状态后记录探头处的温度数据。温升测试仪为上海松宝科技发展有限公司的SBWS-01，记录装置型号为SBWS-32L，探头采用热电偶温度传感器。图4显示了温升试验中梅花触头上的测点布置情况。

图4 温升试验系统框图

总体来说，出线柜梅花触头处的温升随初始环境温度升高而降低，但降幅不大。因此，环境温度对1250A出线柜的温升情况有一定的影响，但影响较小。温升仿真数据与试验数据最大误差出现在 A相下触头处，绝对误差4.2℃，相对误差6.5%。

3.2 铜排规格对温升的影响

样机其他结构保持不变，仅将引出排规格由80mm×10mm 分别修改为 100mm×10mm、120mm×10mm，对3种规格引出排的出线柜进行温升仿真，

由于温升试验本身具有一定的误差，因此对于相近环境温度、相同结构的多次试验结果取平均值，然后进行分析研究。

3 环境与结构参数对温升的影响

分别改变环境温度与样机的引出排规格、断路器触臂材料，通过进行仿真分析与温升试验，研究对开关柜温升性能造成的影响。因为梅花触头是开关柜裸露导体中温升最高的部位，所以对各相梅花触头处的温升进行比较分析。

3.1 环境温度对温升的影响

样机结构参数不变，研究环境温度不同时开关柜的温升情况。分别将外界初始温度设置为10℃、30℃，进行出线柜的温升仿真分析，得到稳定状态时的环境温度分别为 13.2℃、32.4℃。进行温升试验时环境温度不能精确控制，在不同季节共进行了多次温升试验，稳定状态下的环境温度分别约为9℃、31℃。

图5给出了仿真分析及温升试验中出线柜梅花触头上的温升对比。从中可看出，在仿真分析中，随外界初始温度从10℃上升至30℃，各相梅花触头处的温升逐渐降低，降幅最大0.7℃；在温升试验中，A相上、下触头，B相上触头及C相上、下触头5个探点的温升都随初始环境温度的升高而有所降低，除A相下触头外，其他4处降幅都不大，B相下触头的温度没有明显变化。得到的梅花触头温升结果如图6所示。对三种规格引出排的出线柜进行温升试验，得到的梅花触头温升结果如图7所示。

图5 触头温升-环境温度不同

图6 触头温升仿真数据-铜排规格不同

图7 触头温升试验数据-铜排规格不同

在仿真数据和试验数据折线图中，可发现共同规律为：引出排规格由80mm×10mm换成100mm×10mm时，各相上触头温升降低，下触头温升升高；引出排规格再换成120mm×10mm时，各相上、下触头温升都有所降低。试验数据显示，原本温升较高的上触头温升降幅较大，已降至标准以内。引出排规格由 80mm×10mm修改为 120mm×10mm后，仿真分析中各相上触头温升下降了 3℃以上，试验分析中则下降了4℃以上。

3.3 断路器导体材料对温升的影响

样机引出排规格保持为80mm×10mm不变，仅将断路器触臂的材料由铝改成铜，分别对柜体进行温升仿真和试验，得到的梅花触头温升结果如图 8所示。图8中，从仿真结果来看，断路器触臂的材料由铝变成铜后，梅花触头上各点的温升降低了2℃～3℃；从试验结果来看，材料变化后，除 C相下触头之外，其他各触头上温升降低了2℃～9℃。因此，将断路器触臂的材料由铝质变成铜质，可使触头处的温升至少降低2℃；试验中C相下触头温升不降反升，认为是温升试验本身所具有的误差导致。

图8 触头温升-触臂材料不同

4 结论

本文以KYN96-12的出线柜为研究对象，利用仿真技术研究了环境温度、铜排规格、导体材料三个因素对开关柜温升情况的影响，得出结论如下：

1）环境温度对开关柜温升有一定的影响，但影响较小。开关柜温升随初始环境温度的升高而略有降低。

2）引出排规格对开关柜温升有较大影响。引出排规格由 80mm×10mm换成 100mm×10mm时，各相上触头温升降低，下触头温升升高；引出排规格再换成120mm×10mm时，各相上、下触头温升都有所降低。引出排规格由80mm×10mm修改为120mm×10mm后，仿真分析中各相上触头温升下降了3℃以上，试验分析中则下降了4℃以上。

3）断路器触臂材料对开关柜温升也有明显影响。断路器触臂的材料由铝变为铜后，仿真分析表明，梅花触头上各点的温升降低了2℃～3℃，试验结果表明，各触头温升降幅在2℃以上。

4）仿真分析结果与试验结果相吻合，可用于指导开关柜的温升优化及设计。