低壓成套設計與應用中隔離開關散熱技術研究

／浙江方圓電氣設備檢測有限公司 矯財東 黃芳 吳衛東 祝文婷／

低壓成套設計與應用中隔離開關散熱技術研究

／浙江方圓電氣設備檢測有限公司 矯財東 黃芳 吳衛東 祝文婷／

針對低壓成套開關柜中隔離開關溫升過高的情況，分析了主要影響因素，介紹了目前散熱技術領域的常用技術。結合實際情況，提出了幾種散熱方案，并進行了相關試驗和分析。從而為降低產品溫升，提高系統工作性能提供設計參考。

隔離開關；溫升；工作電流；成套設備

0 引言

隨著中國世界化進程的飛速發展，國民經濟飛速發展，低壓配電產品運用的越來越多。人們對低壓配電產品的要求越來越高，尤其是運行的安全性和可靠性。隔離開關作為各種低壓成套產品的主要部件之一，廣泛運用于工業、商業及民用等領域，其穩定性對保持整個電網持續、可靠供電起著至關重要的作用。

隔離開關主要是承載一定的工作電流，并能滿足隔離要求的一種開關，是低壓成套設備的主要元器件之一。溫升是低壓成套設備考核的重要指標。在實際認證過程中，成套設備的關鍵器件隔離開關的進出線端子的溫升，時常會超出限值要求，造成實驗失敗。對整個柜體而言，發熱會引起整個柜體環境溫度上升。過高的溫度會導致材料的物理性能和化學性能下降，引起產品機械強度和電氣絕緣性能下降、系統故障頻發，甚至會導致著火等嚴重事故，造成生命和財產損失。因此，對成套柜的散熱技術進行研究，特別是隔離開關的散熱技術研究很有必要。

本文針對低壓成套配電柜中常用的隔離開關溫升試驗的影響因素進行了分析，提出了較為合理的散熱方案并進行了實驗驗證，有效改善了溫升指標，提高整個系統性能。

1 影響溫升的因素分析

溫升是影響產品壽命和可靠性的重要因素，了解造成溫升過高的因素，對進行產品設計和改進都有較為重要的意義。影響成套設備中隔離開關溫升的主要因素有以下幾點。

1.1 產品自身的問題

隔離開關主要由動觸頭、靜觸頭、安裝底座、接線端子等組成。在實際設計時，在滿足標準要求的前提下，部分生產廠家為了提高經濟效益，往往會減少產品的銅排規格。以最常用的HR17-630A為例，GB14048.1—2012《低壓開關設備和控制設備第1部分：總則》[1]表11中規定銅排規格為400mm2（40×5×2），而市場上所常見的幾種隔離開關的銅排尺寸為180mm2（30mm×3mm×2）、240mm2（40mm×3mm×2），有的甚至是150mm2（30mm×5mm），與標準要求相差甚遠。由于工藝設計等問題，本來設計的是線接觸，但實際是點接觸，造成實際接觸面積過少。同時，國內的隔離開關生產廠家并不是很重視隔離開關的設計與制造，產品普遍存在抗防銹、防塵及防腐蝕性能較差的情況。這些缺陷易引起產品觸頭腐蝕及夾緊彈簧遭到腐蝕（會造成導電面夾緊力不足）等問題。觸頭腐蝕和夾緊力不足會引起產品的載流能力下降，加劇產品回路發熱，易造成實際運行時故障頻發。

1.2 成套制造商的設計問題

隔離開關等元器件其設計和試驗都是根據各自相關標準（例如隔離開關標準就是根據GB14048.3—2008《低壓開關設備和控制設備 第3部分：開關、隔離器、隔離開關以及熔斷器組合電器》[2]，由于標準中很少提及降額等參數要求，因此，很少廠家能夠提供足夠的詳細的載流量與環境溫度、載流量與海拔高度、降額要求等技術參數。同時，成套設備廠家由于人員配置有限、資料不足、經驗缺乏及試驗環境不足等原因，在設計時往往按照經驗選取低壓元器件產品和連接銅排，并未考慮海拔、降容等實際使用要求，也未嚴格按照標準選取相關銅排，更沒有進行系統設計、仿真及試驗等。這就造成了在實際使用及認證中，成套產品內部的元器件指標往往達不到預期的設計目標。

1.3 產品使用環境限制

隔離開關等元器件主要安裝在低壓成套配電柜內部，其使用環境較為密閉。 如低壓綜合配電箱（JP柜）等成套柜一般安裝在戶外，其防護等級會達到IP44以上，其密閉性更高，這就加劇了整個柜體內部散熱不暢，造成使用環境溫度上升（根據實際試驗經驗，柜內環境溫度一般會比環境溫度高25℃左右）。GB14048.X規定元器件的溫升試驗溫度一般為10~40℃，當應用在成套柜中的元件產品其使用環境溫度也因此會上升到50℃以上，甚至達到65℃等。過高的使用環境溫度會造成隔離開關的載流量降低，這也就需要成套廠家在設計產品時考慮降容。而成套制造商由于資料缺乏等原因，并未考慮產品的降容使用要求。同時，由于使用環境溫度的上升，產品的接觸面與觸頭等表面氧化速度會加快，接觸電阻也較自由使用環境上升快，整個產品損耗也會隨之上升，進而加劇隔離開關溫升上升。

1.4 試驗環境的差異

隔離開關試驗依據的標準是GB14048.3—2008《低壓開關設備和控制設備 第3部分：開關、隔離器、隔離開關以及熔斷器組合電器》，而低壓成套柜依據的標準是GB7251.1—2013《低壓成套開關設備和控制設備第一部分：總則》[3]，其連接導線或銅排的規格要求基本一致。單個隔離開關在試驗時，進線端和出線端采用的均是標準銅排或導線，試驗環境為自由空氣；但隔離開關應用在柜體中時，進線端使用的是標準銅排或導線，而出線端采用的則是柜體內部銅排或導線，其規格和長度基本都小于標準要求，且試驗環境為密閉空氣。這些環境因素導致隔離開關產品在開關柜中應用時散熱不暢，易造成溫升超標。

1.5 產品載流部件特性限制

成套柜中的隔離開關在實際工作時，其產生的損耗主要有電阻損耗、鐵磁損耗等，在產品設計定型之后，隔離開關應用在成套配電柜中時，主要的影響因素是電阻損耗。電阻工作時的功耗為：

式中：P損為開關本體的阻性損耗；I為通過導體的電流；R為主回路電阻值；L為主回路導體長度；S為主回路導體面積；α為電阻溫度系數 ；ρ為在T時的電阻率 ；ρo為在0℃時的電阻率 ；T為溫度 。

應用在成套柜中的隔離開關，其主回路采用的主要載流部件的主要成分是銅、黃銅、鐵等，其電阻溫度系數一般為正，例如最常用的銅電阻溫度系數是0.00393/℃ ，其在50℃時的電阻率約為25℃時的1.1倍，電阻也會相應增大，在通過相同電流情況下，其電阻損耗也會顯著增長。電阻損耗主要以熱量形式散失掉。電阻損耗增大，也自然會帶來溫升的上升。

以上種種原因，造成了單體的隔離開關雖符合相關標準要求，而應用在成套柜中卻超標，無法滿足標準要求的現象。

2 散熱技術及散熱試驗方案

散熱的目的是對成套設備的實際運行溫度進行控制，以降低設備溫度，提高整個系統工作的穩定性與可靠性。降低成套柜產品的整體溫升的主要途徑為減少產品自身的發熱量和增強系統散熱能力。下面就目前常用的散熱技術進行敘述，并由此進行試驗方案的設計。

2.1 散熱技術

常見的散熱技術主要有以下幾種[4-5]：

2.1.1 自然對流散熱

自然對流散熱是一種常用的散熱方式，其主要用在器件發熱的熱流密度不大的場合，此種散熱方式通過柜體的空隙及機殼的熱輻射、熱傳導和對流來實現散熱的目的。該種散熱方法的優點是外形結構簡單，成本相對較低，穩定性高。缺點是熱阻大，導熱能力低，散熱效率相對較差。

2.1.2 熱管技術

熱管技術起源于20世紀60年代，并在70年代得到了廣泛應用。熱管按結構形式區分可分為：普通熱管、分離式熱管、毛細泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等，其主要工作原理為：一般熱管內部被抽成負壓狀態，并在其內部沖入適當的沸點低、易揮發的工作介質。熱管有兩端：熱端和冷端。當熱管的熱端受熱時，毛細管中的液體介質會迅速蒸發，在壓力作用下流向冷端，并迅速散熱變成液體。變成液態的冷卻劑靠毛細力的作用流回熱段，完成一個循環。如此循環往復，熱量由熱管傳至冷端，完成散熱過程。熱管散熱的優勢很多，如導熱速度快，散熱效率高，單位散熱密度高等，但其也存在制作工藝復雜，價格一般比較高，產品耐老化及耐振動性能差等缺點。

2.1.3 強迫風冷散熱技術

強迫風冷方式主要采用的是對流換熱，其依靠風扇等使元器件周圍的空氣發生流動，從而將器件發出的熱量帶走，從而達到降溫的目的。這種散熱方式在熱密度大于0.155W/cm2的場合應用較多。其相比普通的自然對流散熱方式，具有散熱效率相對較高（一般可達到自然對流散熱方式的8~10倍），且成本相對較低。但此類散熱方式由于需要增加風機等散熱器件，噪聲大，可靠性相對較低。

2.1.4 液冷散熱技術

液冷技術也屬于強迫冷卻方式的一種，有直接冷卻和間接冷卻兩種方式。直接冷卻即液體與器件直接接觸，由冷卻液直接將熱量帶走。間接冷卻是利用液體冷卻劑通過中間媒介與器件接觸，熱量通過中間冷卻液傳導到液體中帶走。該種散熱方式具有散熱效率高，降溫速度快，成本相對適中。但也存在維護難度高，受制于冷卻液的冷卻效率，對冷卻液的效率和流動性要求高等缺點。

2.2 散熱技術方案及試驗

考慮到成套開關柜的成本限制以及元器件使用的通用性，本次實驗方案暫不考慮液冷散熱方式和熱管散熱方式，也不考慮改變元器件原設計、產品結構及更換殼架等級更高的產品等方法，而是制定了較為通用的方案，并在此基礎上進行試驗，以解決目前存在的問題。本文采用的試驗方案有如下幾種：散熱器法（自然散熱法），元件接線端子面積增大法（自然散熱法），強迫風冷法。

本實驗采用具有代表性的試品HR17-630A，并安裝于常見的低壓綜合配電箱（JP柜）中，實驗條件如下[6-7]：

1）溫升試驗的溫度測量點位置相同，且熱電偶固定方式采用焊接埋入法；

2）進線母排尺寸為：每相：（40mm×5mm×2根）×2m；

3）溫度采集采用工控機+Agilent 34970A以1min/次的速率連續采集；

4）各相電流基本平衡，每相電流應控制在±5%的允差范圍內。

2.2.1 散熱器直接散熱法

自然對流散熱法由于其較低的成本，且穩定性相對較高，是比較經典的散熱方法。本文涉及到的元器件電流密度并不是很大，因此本方案采用了較為常用的肋片散熱器。為了增強散熱器和接線端子的熱傳導性能，在散熱器和接線端子之間采用熱學鋼網覆蓋并勻力涂抹道康寧硅脂，其布置圖如圖1所示。

圖1 散熱器法散熱布置圖

按照相關標準，進行試驗，溫升實驗數據報告如表1所示。

采用外置散熱器方案，加快了接線端子和外部的導熱速度，可以增大端子的散熱速率。從試驗結果上來講，肋片散熱方式對隔離開關散熱有一定的改善作用，但其散熱效果受散熱片面積、體積等約束，應選擇合適的散熱片以達到理想效果。

表1 配電柜中隔離開關接線端子的溫升（外置散熱器法）

2.2.2 接線端子面積增大法

由于企業在設計產品時，企業為了節約成本，往往減少產品的端子面積，與標準要求相比有一定差距。為了較少產熱，增大散熱效率，設計了人為增大接觸導體面積。由于整個接觸面積變大，也就相應增大了接線端子和自由空氣的接觸面積，加快了接線端子的散熱速率，能適當降低導體的溫升。其溫升試驗結果如表2所示。

表2 配電柜中隔離開關接線端子的溫升（增大導體面積法）

采用增大導體散熱面積方案，也可以適當加大接線端子面積，能在一定程度上加快接線端子和外部自由空氣的導熱速率。從試驗結果上來看，該散熱方式對隔離開關散熱有一定改善作用，但改善有限，要達到標準要求，還需要進一步改進與提升。在設計連接銅排的時候，加工過程往往需用到非標銅排及線切割工藝等，要付出的成本也相對較高。

2.2.3 強迫風冷散熱法

強迫風冷散熱法是采用風扇等部件，依靠風扇自身的導流作用，通過空氣間冷熱空氣之間的熱交換，將歸體內的熱量帶走，從而降低柜體的整體內部溫度以及各部件溫升。風扇的總類主要有兩類：一類為軸流風機，另一類為離心風機。結合本應用環境，采用離心風機安裝于柜體底部，并在主要溫升監控點上安裝溫控開關（須涂抹導熱硅脂和導熱絕緣墊片），其動作溫度設為80℃，各個溫升開關之間并聯。當控制點溫度達到80℃時，風機控制回路導通，風機開始工作，將柜體內的熱空氣抽走，同時將外部的冷空氣導入。通過采用合適功率的風機并配以風道，端子溫度基本控制在合理的要求范圍內。

強迫風冷散熱法具有散熱效率高，散熱速率快的特點。經試驗，散熱風機功率越大，散熱效果也就越好。但該種散熱方式存在能量消耗，且散熱效果、長久工作可靠性與穩定性都與風機有直接關系。另外，采用強迫風冷的散熱方式還需要進行風道設計，并且要注意防護等級的設計要求。

圖2 溫控開關

4 結束語

應用在成套柜中的隔離開關等元器件的散熱問題是成套柜設計及應用中需要解決的主要問題，本文對成套柜中元器件溫升超標的原因進行了分析，在此基礎上設計了幾種散熱方案，并有效地降低了產品溫升。另外，本文所述的散熱方案，也可以為成套柜體散熱設計及應用提供參考。

[1] GB 14048.1—2012 低壓開關設備和控制設備 第3部分：開關、隔離器、隔離開關以及熔斷器組合電器[S].北京：中國標準出版社，2012.

[2] GB 14048.3—2006 低壓開關設備和控制設備 第3部分：開關、隔離器、隔離開關以及熔斷器組合電器[S].北京：中國標準出版社，2008.

[3] GB 7251.1—2013 低壓成套設備和控制設備 第1部分：總則：[S].北京：中國標準出版社，2013.

[5] 俞佐平，陸煜. 傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1995.

[6] 張正. 低壓成套開關設備CCC認證企業檢驗人員知識讀本[M]. 杭州：浙江大學出版社，2014.

[7] 張正,黃芳,顧枕月,等.新國標GB7251.1—2013低壓成套開關設備和控制設備的溫升實驗方法解讀.[J].電器與能效技術，2015（1）：62-72.