關于成套開關電容補償柜的發熱情況討論

黃耀志

摘要：在電網系統的運行過程中，為了改善電網功率因數低下帶來的能源浪費和不利于生產供電的因素，電容補償柜應運而生。電容補償柜是根據分層分區、就地平衡的原則被設計和制造的，用于集中補償低壓電網的功率因數的電氣設備。基于此，本文主要就電容補償柜的發熱情況進行分析。

關鍵詞：功率因素；電容補償柜；發熱

一、電容補償柜溫度過高的危害分析

1、高溫環境條件下電器元件的降容。電容補償柜內的各電器元件均按相關標準規定有正常工作的環境條件。一般來說，電器正常運行的環境溫度條件為：周圍空氣溫度不高于40℃，當電器運行在周圍空氣溫度高于40℃時，在一定溫度范圍內，允許降低負荷長期工作。開關柜內元器件的降容，使設備工作效率低于設計指標，甚至不能滿足運行要求。

2、對金屬材料性能的影響。溫度升高會導致金屬材料的機械強度下降甚至軟化，例如銅在溫度超過200℃時，鋁在溫度超過90℃時，機械強度將明顯下降；而銅和鋁正是低壓電容補償柜電氣回路中廣泛應用的金屬材料，柜內大部分的元器件和所有連接導體都由銅或鋁制成。同時，高溫會引起導體表面的氧化、硫化等，使導體接觸電阻劇增，進而使導體的發熱量進一步加大。

3、對絕緣材料的影響。在高溫環境下，有機絕緣材料將會變脆老化，導致絕緣性能下降甚至絕緣擊穿，材料的使用壽命也將縮短。例如，A級絕緣材料在一定溫度范圍內，每升高8～10℃，材料的使用壽命將縮短50%，因此長期運行在高溫條件下的電容補償柜內的元器件以及電纜的使用壽命等都會受到嚴重的影響。

4、造成元器件的故障。高溫是眾多元器件的大敵，高溫可使半導體器件熱擊穿，使電子激活加劇，進而使不導電的半導體層導通：高溫也可使元器件的性能變劣，例如高溫作用下，元器件的反向導電電流增大，放大倍數減小等。低壓電容補償柜上所使用的無功補償控制器、數字式測量儀表等都是精密的元器件，長期處于高溫工作環境易導致其工作不正常以及壽命縮短等。

二、電容補償柜內部過熱原因分析

1、導體發熱。目前，部分銅排、電纜廠家一味降低產品成本，以次充好，使用雜質含量較多的銅材、甚至是黃銅來代替純銅出售，以至于回路電阻大幅度增加，發熱量也大量增加。造成設備運行中搭接頭接觸電阻過大的主要原因有：搭接頭的緊固螺栓松動，導體搭接面不平整，接觸面積偏小，以及導體表面氧化等。

2、元器件發熱。大容量的各類主回路元器件都是發熱大戶，尤其是濾波電抗器，因為其工作時不僅僅存在焦耳損耗，更在其鐵磁部件中產生交變磁通，從而在鐵磁體中產生渦流和磁滯損耗。以諾基亞公司生產的XKIB系列濾波電抗器為例，根據其使用說明書，正常使用時，電抗器表面溫度可到達90～120℃，多組電抗器同時運行時的發熱量是巨大的。

3、外界環境溫度過高。低壓電容補償柜因柜內過熱引起設備故障或事故的情況，夏季發生的次數占全年次數的多數。夏季環境溫度高是一個重要原因，我國大部分地區夏季溫度可高達40℃，部分用戶配電室內無通風設施，環境更為嚴酷，在設計時通常可按正常環境溫度增加5℃考慮，由此帶來的影響不容忽視。

三、電容補償柜過熱情況的處理對策

1、柜內導體設計及安裝要求。降低導體本身的發熱量，應降低整個回路電阻：①采用優質導體。開關柜內通常要求采用T2型優質純銅加工導電體，其材質電阻率ρ≤0.0177Ω·mm2/m。②增大導體截面積。電容柜內導體截面積應滿足設備最大工作電流的要求，并留有一定裕度。③加強制造工藝，降低接觸電阻。在銅母排搭接接頭處采取壓花、鍍錫或鍍銀等措施，并且搭接接頭的緊固螺栓務必滿足緊固力矩的要求。采用具有耐高溫能力的導體。柜內軟電纜，尤其是與濾波電抗器直接連接的一次電纜，應采用耐高溫型電纜。

2、柜內自然風道設計。風道是形成風冷散熱的重要組成部分，在有限的柜內空間考慮將眾多的元器件合理布局，保證元器件之間的間距，改善散熱條件，留出風道。對于組數較多、體積較大的電容器及電抗器，應分層布置，并且保持各層元器件對應整齊，不阻擋風道。在電容柜內溫度升高時，合理的風道布局將形成煙囪效應，熱空氣沿垂直風道上升，通過柜頂通風孔或開關柜縫隙將熱量迅速排出至柜外。用于熱設計的進風、排風口防護等級應保持與開關柜整體外殼防護等級一致。戶內低壓開關設備防護等級通常不超過IP4X，即需防止直徑超過1mm的固體塵埃進入外殼，因此可以在通風口處加裝1mm孔徑的絲網。

3、強制風冷散熱設計。當自然通風的方法不能達到散熱要求時，可以采取強制通風的散熱設計。考慮低壓電容補償柜內的多組電容電抗器同時工作的運行方式，以及發熱元器件并列布置的安裝方式，通常采取并聯風道的設計方法，其特點是：①冷卻均勻，風流從進風口進入后，分散流經每個單元到達出風口，各單元流經的風量、風速和溫度基本相等；②風阻小，風流經過的層數就是元器件布置的層數；③散熱效果好；④要求采用輸送風量較大的軸流風機，可采用2～4臺100W的風機，根據熱空氣上升的特性，在風機安裝時應保持柜底風機為進氣方向，柜頂風機為排氣方向，選用風機時應盡可能選擇靜音風機，防止工作時噪聲超出開關柜設備允許的標準值。風機的控制采用溫濕度控制器進行自動控制，在滿足溫升要求的同時，降低風機的工作時間，延長其壽命，并減少額外的能耗。

4、柜頂金屬板采用黑漆噴涂工藝處理。黑漆噴涂工藝實際上是提高材料的灰度，使材料表面的輻射波吸收率提高、反射率降低，從而達到快速散熱的目的。通常開關柜外殼尺寸相對固定，散熱面積不便于增大，但是通過黑漆噴涂工藝處理的柜頂金屬板可以有效提高單位面積散熱效率。由于電容補償柜內輻射功率較小，相對于加強制風冷的散熱方法，黑漆噴涂工藝對散熱的作用比較有限，僅作為對流散熱的一種補充。

四、小結

總之，電容無功補償柜技術的實施，極大的提升了供配電系統設備的技術性能和技術水平。與此同時，電容器配電柜的散熱問題對電容器能否長期正常運行影響很大，一個散熱良好的成套低壓電容器配電柜能夠延長電容器的使用年限，為企業節省資金并提高供電質量和經濟效益。

參考文獻：

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（作者單位：佛山市特變電氣有限公司）