户外高压隔离开关电操机构箱内温度特性及加热器应用

钱 尚 郭文婷 张 君

（1.浙江聚弘凯电气有限公司 2.国网浙江省电力有限公司杭州市临安区供电公司3.湖南长高高压开关有限公司）

0 引言

在高压输变电设备中，户外高压隔离开关是一种受环境和气候条件影响最大的电气设备，它的运行条件比较恶劣，长年累月在低温及高湿环境下运行，机构箱内容易产生凝露导致电气方面的故障［1］，温湿度分布是影响电气设备表面凝露的重要因素［2］，为了保证电网长期安全可靠的运行，对户外高压隔离开关设备的制造水平提出了更高的要求。然而，现有加热器布置方法大多依赖于工程经验，可能存在由于加热器布点或功率不合理引起的加热盲区及过度加热问题，造成凝露加重和绝缘件加速老化等后果。因此，研究低温及高湿环境使用条件下电动操作机构箱内温度特性，通过科学选用和布置加热器［3］，实现机构箱内加热效率的最大化，对确保设备本体及电网的安全可靠的运行意义重大。

1 温度特性测试准备

1.1 箱体设置

根据试验装置空间大小设计2 个不锈钢材料箱体， 机构箱体尺寸： 长× 深× 高= 0.55m ×0.47m × 0.65m，考虑到低温环境地区采用保温箱体，其中1 个箱内贴海棉橡胶板保温材料。

1.2 加热器选用

DJR-G 型硅橡胶加热器和DJR-S 型铝合金加热器是目前市面常见的两种机构箱用加热器，常用功率有50W、100W、150W。

1.3 加热器布置

在箱体底板和箱体背板不同位置设置加热器，采用铝合金和硅橡胶不同组合加热器进行温升对比，检测箱内各不同位置点的温升，分析加热器的特性。

1.4 加热功率计算

因户内箱体加热器功率计算的经验公式：QE=k×A× △t，户外加热器功率需增加1 倍，故户外箱体加热器功率计算的经验公式：QE= 2 ×k×A× △t

式中，QE 为加热器功率（W）

K为热传导系数（W/m2k），1 台不锈钢板为3.7W/m2k，另1 台贴了保温材料，取K= 2W/m2k

△t为箱体内外温差。

A为箱体散热的经验面积。

当环境最低温度按照-20℃时计算，要保持机构箱内不低于-5℃，才能保证其内的机构和元件正常工作，则△t=10K。那么，箱体内部加热器的功率：

（1） 不锈钢箱体，QE= 2 ×k×A× △t= 2 ×3.7W/m2k× 1.843m2 × 15k= 204W。

（2） 保温材料箱体，QE= 2 ×k×A× △t=2 × 2W/m2k× 1.843m2 × 15k= 110W。

1.5 加热器组合的计算

1.5.1 不锈钢箱采用2个100W的加热器组合

可以产生温升

产品可以在-19.9℃（-5-14.9℃） 的环境下运行。

1.5.2 贴保温材料箱采用1个50W，1个60W的加热器组合

可以产生温升

产品可以在-19.9℃（-5-14.9℃） 的环境下运行。

2 温度特性测试方案

将测试机构箱体放在测试平台上，在箱内不同位置装加热器。箱内各装1 个数显温控器，设置好温控器的启动及停止温度，将温升测试设备的测温数据线固定在机构箱内，根据机构箱的内部结构布置测温点，并使用多路测温仪记录各测温点和环境的温度。如图1、图2、图3所示，选取机构箱内侧壁为测试位置，建立空间直角坐标系，在箱内不同位置设置4 个测温点。采用数显温控器、温升测试设备、多路数据记录仪（图4）等设备，加热总时长50min，每隔10min 记录一次测温点温升数据。在箱体底板和箱体背板不同位置设置加热器，采用铝合金和硅橡胶不同组合加热器进行温升对比，检测箱内各不同位置点的温升，并列两组测试数据对比分析。

图1 测温点布置示意图

图2 不锈钢机构箱测试照

图3 保温材料箱测试照

图4 多路数据记录仪数据记录照

2.1 不锈钢箱和保温材料箱测试温度对比

将2 台箱体放在测试平台上，在不锈钢箱内装2 个100W 的加热器。另一台保温材料箱内装2 个50W 的加热器。每个箱内各装1 个数显温控器，设置好温控器的启动及停止温度，将温升测试设备的测温数据线固定在机构箱内，按图1 布置测温点。接通电源进行测试。测得不锈钢箱温度数据如表1。

表1

测得保温材料箱温度数据如表2。

表2

2.2 铝合金加热器和硅橡胶加热器测试温度对比

将2 台箱体放在测试平台上，在不锈钢箱内装2 个50W 的加热器。另一台保温材料箱内装2 个50W 的加热器。每个箱内各装1 个数显温控器，设置好温控器的启动及停止温度，将温升测试设备的测温数据线固定在机构箱内，按图1 布置测温点。接通电源进行测试。测得不锈钢箱温度数据如表3。

表3

测得保温材料箱温度数据如下表4。

表4

3 数据分析

通过整理测温点温升数据可以看出，由于热空气的密度小，存在一定的上升热气流，加热器对其上方空间的加热效果优于下方空间。相同功率下，贴保温材料箱比不锈钢箱温度高。

相同功率下硅橡胶加热器的X、Y 轴影响范围和有效加热空间体积总是优于铝合金加热器。其中，150 W 硅橡胶加热器的加热效果最优。此外，如果加热器类型、功率和数量搭配合理，则总功率较小的方案可能比总功率较大的方案具有更好的加热效果。

为更全面描述加热器的加热性能，引入平均加热系数K，计算加热器的温升均匀性。K值越小，表明加热器的加热均匀性越好。K的计算式为：

式中，ΔTmax 为每组试验测温点的温升最大值；ΔTave为每组试验测温点的温升平均值。

通过式（1）计算得到的不同型号加热器的平均加热系数结果如表5所示。

表5 不同型号加热器的平均加热系数

可以看出，以支架形式安装的硅橡胶加热器加热均匀性在各功率下总是最优。以支架形式安装的铝合金加热器加热均匀性最差，长时间使用该种加热器容易引起局部温升过高、绝缘老化加剧等问题。此外，随着功率的增加，加热器的温升均匀性有所下降。总体来说，硅橡胶加热器的有效加热空间和温升均匀性均优于铝合金加热器，且硅橡胶加热器以支架形式安装时的温升均匀性最佳，加热效果最好。

3.4 加热器布置分析

由表6 可知，当加热器数量较少或功率较小时，平均温升值较小，除湿能力弱；随着加热器数量和功率的增大，平均温升值和除湿能力会随之增大，温升均匀性明显改善。

表6

4 结束语

针对隔离开关电动机构箱在高湿环境下引起凝露问题，本文通过对箱内温度数据的测试及数据整理及对比分析，得出以下结论：1）加热器对其上方空间的加热效果优于下方空间。应将加热器尽量布置在箱体底部，且适当分散布置，以保障箱内加热的均匀性。2）相同功率下贴保温材料机构箱比不锈钢机构箱温度高，在低温严寒地区投运的机构箱，宜采用贴保温材料箱体和硅橡胶加热器。3）硅橡胶加热器的有效加热空间和温升均匀性均优于铝合金加热器，且硅橡胶加热器以支架形式安装时的温升均匀性最佳，加热效果最好。4）对长年累月高湿环境，可增大加热器数量和功率，平均温升值和除湿能力会随之增大，温升均匀性明显改善。但需考虑增大加热器与绝缘件之间的距离，避免损坏绝缘件及过度加热加快绝缘老化问题。