可減少中壓開關柜柜體電能損耗的節能環

閆新，鐘明，王青

（1.黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450000；2.南水北調中線干線工程建設管理局渠首分局，河南 南陽 473000）

1 中壓開關柜柜體電能損耗節能環產生的技術背景

電力系統由發電、變電、輸電、配電等環節組成，其中配電環節所使用的中壓開關柜（包括10kV開關柜和35kV開關柜）數量是巨大的，通常一段10kV母線或35kV母線系統所使用的開關柜數量由幾面到十幾面不等，大容量的配電系統中一段母線上的開關柜數量多達二十多面。根據電氣主接線的形式，開關柜內有單母線或雙母線穿越各柜體之間，形成完整的母線系統。為保證每面柜體達到一定要求的防護等級，目前各開關生產廠的生產工藝均采用在母線室的左右兩側利用敷鋁鋅板或經過防腐處理的冷軋鋼板作為側板進行封閉，并預先在機床上加工做好圓形的開孔供安裝環氧樹脂套管（每相母線對應一個開孔），母線在環氧樹脂套管中進入相鄰的開關柜母線室內。為避免單根母線穿越柜體側板時產生磁場形成的渦流造成開關柜體發熱和電能的損失，將三個供安裝環氧樹脂套管的圓形開孔之間切割兩條縫隙，使得三相母線開孔聯通形成一個整體的空氣間隙。開關柜體側板開孔及縫隙分割圖見圖1。

圖1 開關柜體側板開孔及縫隙分割（實物圖片）

如將母線穿越柜體側板的位置視為一個接點，根據基爾霍夫電流定律，三相對稱運行的母線流進（流出）該節點的電流的矢量和為零，在含蓋三相母線的包絡面上不產生磁場，同時柜體側板也不產生任何電能損失。這種工作條件只能認為是一種理想狀況，實際工作能耗情況分析如下。

（1）所有的三相用電負荷均非完全對稱。中壓配電回路所供負荷存在單相負荷和三相負荷，所謂三相對稱負荷只是負荷的不平衡度相對較小。因此，柜內的三相電路都不是完全對稱運行，在含蓋三相母線的包絡面上仍然存在交變的磁場，柜體側板存在渦流及電能損失。電能損失的大小隨母線電流的增大而增大，隨母線電流的減小而減小。

（2）即使開關柜內的三相電路工作在完全對稱運行狀態，三相母線根據制造工藝的要求,其布置不具備幾何對稱性，利用數學微元法分析，在開關柜側板母線周邊的任意一個微小的區域內的磁感應強度仍然不為零，磁感應強度值的大小隨時間的變化也在變化，微小的區域內也存在渦流及電能損失,可以推斷整個母線室側板也存在渦流及電能損失。電能損失的大小隨母線電流的增大而增大，隨母線電流的減小而減少。

2 減少開關柜柜體電能損耗的解決方案

中壓開關柜柜體電能損耗節能環要解決的技術問題是減少柜體的電能損耗，為柜體內主母線穿越側板處提供一種新的結構型式，圍繞三相母線周圍環形布置一種呈現導磁率高、電阻率高的材料，降低開關柜柜體的電能損耗。

支撐中壓開關柜體電能損耗節能環進行節能的理論及原理為：并聯磁路中，材質導磁率高的回路磁通量大，材質導磁率低的回路磁通量小；并聯電路中或具有相同電動勢的兩個支路中，電阻大的回路通過的電流值小（電能做功小），電阻小的回路通過的電流值大（電能做功大）。開關柜柜體側板在主母線通過的電流產生感應電動勢，從而產生渦流。渦流產生電能損耗，要想消除或減少這種損耗就要分析開關柜柜體側板材質的特性及電能損耗原因，柜體側板大多采用敷鋁鋅板或經防腐處理的冷軋鋼板，具有一定的導磁率（比空氣導磁率高）和電阻率，當柜體側板周圍有磁場時，磁力線會集中在柜體側板上（側板比空氣導磁率高）形成較大渦流。中壓開關柜柜體電能損耗節能環選用的材質導磁率越高、電阻率越高越具有明顯的節能效果，理想的狀態是所有的磁場都由中壓開關柜體電能損耗節能環中通過，產生的感應電動勢形成的電流回路電阻很大（趨近無窮大），這樣既在開關柜側板中無電能損失，中壓開關柜體電能損耗節能環中也無電能損失。

3 在中壓開關柜柜體上應用節能環的制作及安裝參考圖

節能環的制作及安裝應根據中壓開關柜側板母線穿孔尺寸，確定節能環的開孔尺寸，根據母線電流的大小確定節能環的有效導磁截面，節能環的厚度。節能環的制作圖見圖2、圖3。中壓開關柜柜體側板開孔圖見圖4，節能環的裝配示意圖見圖5。

圖2 節能環制作圖

圖3 節能環制作A-A剖面圖

圖4 柜體側板開孔圖

圖5 節能環裝配示意圖

4 節能環在中壓開關柜柜體上應用的措施

（1）節能環在實施過程中不改變原中壓開關柜的原有設計內容。

（2）根據側板母線開孔制作中壓開關柜體電能損耗節能環，保持節能環的開孔與側板母線開孔一致，包括用于固定母線套管的固定螺栓孔也完全一致。節能環的材質可選用鐵基非晶合金帶材，鐵基非晶合金帶材多層疊加（每層厚度大約2mm，與側板的厚度相當），疊加層數由四層至七層不等。對于母線額定電流為630A和1250A時疊加五層，母線額定電流為1600A和2000A時疊加六層，母線額定電流為2500A和3150A時疊加七層，母線額定電流為4000A時疊加八層（節能環疊加層數在實際應用過程中可以通過試驗結果調整到最佳層數），然后將節能環用環氧樹脂進行澆注做到整齊美觀。

（3）中壓開關柜裝配穿越母線套管時，在開關柜母線室的側板處將節能環裝在側板內側和外側各一個（側板雙側安裝），和母線套管使用同一螺栓固定。

5 節能環在中壓開關柜柜體上應用的預期節能效果

中壓開關柜體電能損耗節能環應用到電力系統中將起到明顯的節能效果，估算國內電力系統中壓開關柜的使用數量在3000～4000萬面之間，平均每面開關柜母線穿越側板電能損失約為150W，采用中壓開關柜體電能損耗節能環后，可節約70%以上的電能損失，每面開關柜內節約能耗約為105W，可為全國電力系統節約315～420萬kW發電容量。

6 結語

中壓開關柜柜體電能損耗節能環可減少柜體的電能損耗，其節能措施具有理論支持，具體節能效果有待實踐中驗證。本文引用的技術數據僅為初估數據。建議有技術有經驗具備對中壓開關柜柜體電能損耗節能環的應用進行試驗檢驗其節能效果的設備制造廠家，能夠參加節能環的研究與完善，最終生產出柜體節能型中壓開關柜。