成套開關柜的防護等級和溫升問題探討

紀桂強

（廣東正超電氣有限公司，廣東汕頭 515041）

0 引言

國家標準GB 4208—2017《外殼防護等級（IP代碼）》闡述了有電氣設備外殼提供的防護等級的分級系統，該標準適用于額定電壓不超過72.5 kV，借助外殼防護的電氣設備的防護分級[1]。該標準以代碼字母IP、第一位特征數字、第二位特征數字、附加字母、補充字母等表示外殼對人員接近危險部件、防止固體異物或水進入的防護等級，以及這些防護相關的附加信息。其中第一位特征數字0～6表示外殼對固態異物進入的保護程度及對人員操作時防止接近危險部件的能力；第二位特征數字0～9表示外殼對防止進水造成有害影響的能力[5]。

GB 4208—2017《外殼防護等級（IP代碼）》標準是該標準現行的最新版本，等效采用IEC 60529：2013，與2008年版標準相比，增加了第二位特征數字9的防護等級，并對某些內容進行編輯性修改，對GB/T 4208-2008已規定防護等級未做修改。標準對檢驗方法實施的要求比較完善、可操作性強，對提高我國成套開關柜外殼的防護功能水平，確保各類別成套開關柜的安全運行和安全維護，規范適用于不同使用條件要求的成套開關柜外殼的制造有非常重要的指導意義。

成套開關柜的外殼是柜體的重要組成部分。外殼可以防止操作人員觸及帶電部分以及外來固體的進入，是最直接的防護措施[8]。溫升是成套開關柜的另一個重要指標，直接影響產品的質量和壽命。成套開關柜設計過程中通常需要經過溫升試驗考核，方法是通過施加額定電流使其自然升溫，達到每小時溫度變化不超過1 K時，則溫度達到穩定狀態，此時溫升值不能超過國家標準的規定值[6]。

1 防護等級與溫升相互制約

成套開關柜防護等級越高、外殼密閉性越好、通風散熱性能就越差，開關柜運行時產生的熱量聚集在柜體內部無法散出，致使柜體內部溫度升高、電氣絕緣性能下降，對開關柜安全運行直接構成威脅。因此，在進行成套開關柜設計時，不應該盲目追求更高的防護等級。如果防護等級太高、開關柜內部運行溫度過高，設備可能就要降容使用，設備絕緣也要進行特殊處理，顯然加大了制造成本。

成套開關柜有自然通風型與非自然通風型之分，開關柜內的通風類型與自然通風性能，會對其運行溫升產生一定的影響。

外殼防護等級IP5X及以上的非自然通風型開關柜，由于使用環境的限制，不允許受到污染或帶有粉塵的空氣與水進入其內部。當然，防護等級越高，開關柜外殼密閉性越好，設備的積熱只能依靠其外殼表面自身散發。外殼防護等級IP4X及以下的自然通風型設備，開關柜柜體內部會有一定程度的自然通風通道，內部聚集熱量的散發，除由其外殼承擔外，殼體內的自然通風通道也會將部分積熱帶出，散熱能力較強。由此可見，外殼防護等級愈高，通風散熱的能力愈差。有些設備對散熱的要求更高，往往需采用內部強迫通風的措施，來實現設備的長期安全運行。

額定電流相同的非自然通風型開關柜，為提高散熱性能，柜內通電導體的截面積相對自然通風型設備要大一些，導致開關柜造價相對較高。常用的成套開關柜，大多數都屬自然通風型設備，造價相對較低并可滿足大多數用戶的使用要求。一般中小電流的開關柜，由于設備殼體的散熱能力充分，發生溫升損壞的情況較少。而大電流的開關柜發生溫升損壞的情況則較為常見，主要原因之一則是柜體外殼的散熱能力難以滿足大電流運行時柜體內部熱量散發的需要。在不可增大開關柜體積的情況下，提高柜體自然通風散熱的能力，成為解決開關柜散熱問題的關鍵技術之一。

成套開關柜防護等級設計的適宜性以及外殼上進出風口設計的合理性，是解決設備散熱能力的一個重要措施。因此，開關柜外殼防護設計是否適當與開關柜散熱性能的高低密不可分。

2 成套開關柜外殼防護等級的選擇

對成套開關柜的外殼設計，有些用戶盲目追求開關柜的高防護等級，甚至在擁有良好運行環境條件的變電站中也要求設備的外殼是IP5X或更高。對成套開關柜產品外殼的合理設計，應當充分尊重顧客的要求，也需要與用戶進行妥善溝通，設計上絕不能盲目追求開關柜的高防護等級，而忽略對外殼局部作特殊防護等級設計的必要性，使開關設備失去自身具有的固有散熱功能特性。

對于成套開關柜的外殼防護等級的確定，除應根據國家標準GB/T 4208-2017的一般規定與用戶的要求執行外，還應特別注意有關標準的下述條款。

（1）國家標準GB/T 4208-2017中的1范圍：“對特殊形式的設備，產品標準可以規定不同的要求，但至少要保證相同的安全水平”[1]。

（2）國家標準GB/T 11022-2011中的5.13條：“對于其他條件，例如維修、試驗等，防護等級可以是不同的”[2]。

（3）國家標準GB7251.1中的7.1.5條：“如果成套設備各部位有不同的防護等級，成套設備制造商則應單獨標出該部位的防護等級”[3]。

上述標準條款，明確指出了成套開關設備外殼的防護等級，應根據具體使用條件要求確定，其整體設計并非是要強求各部分的必須一致，如遇設備溫升過高、內部熱量聚集無法散去的情況，可對開關設備外殼局部防護作特殊設計。作局部特殊設計時，除應滿足標準要求，防止人員意外觸電和固體異物、水進入影響其安全運行外，還應滿足設備長期安全可靠運行的其他功能要求。對GB/T 4208-2017標準的理解應全面準確，設備外殼上局部防護等級的確定應根據其具體功能如自然通風等要求確定。當然，局部特殊設計方案應通過TTA或PTTA驗證，尤其要尊重開關設備實際運行的驗證，才能確保設備長期安全可靠運行。

3 成套開關柜外殼設計與驗證

目前很多用戶對設備防護等級的理解有誤區，認為防護等級越高、設備性能越好，而忽視對設備通風散熱效果的綜合評估，導致開關柜運行溫升高，對設備極為不利。斷路器及相連導體在防護等級為IP2X、IP3X、IP4X、IP5X的開關柜中的溫升試驗結果表明，溫升相差近15 K[7]。因此，在確保運行維護人員安全和不影響開關柜絕緣性能的前提下，成套開關設備的設計應合理選擇防護等級，增設通風措施，以提高開關柜散熱效率。

3.1 自然通風型成套開關柜溫升過高問題

自然通風型成套開關柜的溫升過高問題，主要有三方面的因素：一是主回路的電阻值。其內阻值越小，溫升愈低。二是柜體有無磁滯發熱。磁滯發熱問題越小，設備殼體溫升異常情況越少。三是開關柜的通風散熱。增大通風量會使設備運行溫升降低。

3.2 防護等級IP4X大電流成套開關柜殼體通風孔設計

一般來講，以發熱源產生的熱量隨周圍空氣的上升、自然流動、將熱量帶出，用管道的辦法形成有風壓作用的通風，是常用于解決降低設備溫升的辦法和手段。

外殼防護等級IP30的開關柜，既有較高的防護等級，又容易得到較大的通風截面和散熱通風流量，較為適用于那些需具備高通風效率性能的設備要求。

外殼防護等級IP40的開關柜，其通風孔孔徑≤1.0 mm，很難適應自然通風型大電流成套開關設備運行需具備高通風效率性能的需要。開關柜內自然通風散熱很差，難以滿足額定電流1 600 A及以上電流負荷的通風散熱需要。設備投運后若長時間處于低負荷狀態，以及陰冷潮濕的天氣環境下，則柜內潮氣難以散出，易引發凝露電弧事故；若是較長時間在接近額定電流的負荷狀態，運行積溫難以散出，溫升過高，容易引發事故。

大額定電流容量（2 500 A及以上）成套開關設備的外殼進風口的防護等級一般不應受到IP4X的制約，防護等級設計以IP30為宜，門板和封板上通風孔的孔徑應略接近2.5 mm，以保證噴涂后每個通風口的寬度不小于2.4 mm。如個別用戶堅持要求柜體外殼的防護等級一律為IP40，則應通過在前后上下門（封）板內側附加細鋼板網（孔徑小于1×1 mm）的方式解決，門（封）板上進出風口的截面積應進一步加大，以保證進出風口能有足夠大的通風量。需要具備防內部故障電弧外協的成套開關設備，其前后門（封）內側還應設置防噴弧擋板，以防止一旦發生事故，電弧噴出會危及人身安全。

外殼防護等級IP5X以上的開關柜，柜體基本密不透風。為降低溫升，開關柜內采用的母排應有更大的截面比，需有20%左右的載流能力裕量，這會使開關柜的制造成本增加。

成套開關柜中，大電流柜的數量一般不多，其外殼的防護等級采取特殊設計方案，兼顧防護等級和溫升2個問題，用戶一般可以接受。

3.3 設計方案的驗證

在成套開關柜的設計上，設備外殼設計方案是否適當，在設定的防護等級下，設備的通風散熱性能能否達到溫升的要求，主要通過下列途徑進行證明：（1）基于多年的設計制造經驗和健全產品檢驗體系條件；（2）通過TTA或PTTA試驗；（3）通過長期實際運行的驗證。

溫升問題的產生與其產品外殼制造上的通風散熱功能差密切相關；與其對產品缺少必要的性能驗證有關；也與設計者對GB/T 4208-2017標準的片面理解相關，應當引起各方面的高度重視。

4 結束語

設備運行現場存在的大電流成套開關柜溫升過高的問題，與開關柜外殼防護等級的設計不當有關，開關柜的自然通風散熱性能差是一個不容忽視的重要原因。在夏季用電負荷過重時，部分大電流開關柜發熱異常、柜體外殼溫度很高，多數情況下是運行人員發現后及時采取措施，才避免了事故的發生。從標準DL/T 375-2010附錄C可以看出，環境溫度50℃時銅鋁排的安全載流量，僅為環境溫度35℃時安全載流量的76%[4]。由此可知，大電流開關柜內部的聚集熱量難以散發會發生意想不到的運行惡果。今后，隨著電網用電負荷的不斷增大，這一問題可能會更加突出，應當引起制造商和運營單位的高度重視，發現事故苗頭須及早采取適當措施解決。對于制造商而言，提高對設備殼體防護等級的認識水平，是解決大電流成套開關柜溫升問題的一個不可忽視的關鍵環節。目前，業內對成套開關柜外殼設計合理性的認識問題還需要給予特別重視，要重視TTA和PTTA的試驗結果，更要吸取產品實際運行中的經驗教訓。只要從用戶的實際需要出發，以確保設備長期安全可靠運行為出發點，優化產品設計與充分驗證，就能不斷提高設備的設計制造水平，為各方的可持續發展做出更大貢獻。