環保氣體絕緣開關設備溫升控制方法研究

徐慧強，李 猛，楊鎮寧

（許繼集團有限公司，河南許昌 461000）

0 引言

SF6氣體作為優異的絕緣和滅弧介質，在電力設備中應用非常廣泛。一個SF6分子對溫室效應的影響為CO2分子的25 000倍，其壽命約為3 400年。該氣體在常溫下性能穩定，不可降解，排放到大氣中，無法回收。因此，降低溫室效應的唯一辦法就是盡量減少該氣體的使用，或者找出新型氣體替代SF6。目前，國家倡導發展循環經濟，建設綠色新能源節約型社會。因此，環保型氣體絕緣開關柜是未來中壓領域發展的必然。

本文將采用環保氣體作為絕緣介質，將斷路器、導體、三工位隔離開關等高壓部件全部密封于不銹鋼氣箱內，通過在氣箱上預留的孔，由插接式電纜終端實現進出線。該開關柜具有結構緊湊、可靠性高、環境適應性強、SF6氣體零排放等優點。

隨著電力用戶用電負荷的急劇增長，大容量、經濟環保、高適應性中壓開關柜成為該領域的重要研究課題。額定電流大于1 250 A的充氣式開關柜均為大容量氣體絕緣開關柜。依據焦耳定律，開關柜產生的熱量與額定電流和主回路電阻成正比。由于充氣式開關柜是全密封的，發熱導體不能直接把熱量散于大氣中，只能先散于氣箱內，再通過氣箱散于大氣中，散熱效率極低，容易導致某些零部件的溫升超出國標要求。

本文以某2 500 A環保氣體絕緣開關設備作為研究對象，對電接觸理論及散熱技術進行研究，結合溫升試驗，找出解決大電流環保氣體絕緣開關柜溫升的解決辦法[1-2]，確保開關柜長期穩定可靠地運行。

1 開關柜的發熱與散熱機理研究

1.1 溫升標準

依據GB/T 11022《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》和GB 3906《3.6 kV～40.5 kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》的要求，在規定的試驗條件下，需要對本文設計的12 kV-2 500 A環保氣體開關柜進行1.1倍額定電流溫升試驗驗證。通過預埋的溫度傳感器對氣箱內部關鍵元器件的溫升情況實時監控，穩定后，所有監測點不得超過規定的溫升值，如表1所示。

表1 開關柜內部導體的溫度及溫升要求

由于SF6氣體會導致溫室效應，本文進行試驗時盡可能地采用干燥空氣，以減少溫室氣體的排放，但其導熱性能弱于SF6氣體，對溫升試驗考核更為嚴酷。

1.2 發熱機理分析

12 kV-2 500 A環保氣體開關柜氣箱內導體回路是直接發熱源，當開關柜通電流時，發熱過程包括氣箱內部導體的焦耳損耗、磁滯損耗、渦流損耗和介質損耗。由此可知，開關柜的總發熱功率Pf為：

式中：Pj為焦耳熱量，當主回路電阻R流經電流I時產生；介質損耗Wd、磁滯損耗Wh、渦流損耗Wc為開關柜通過交變電流時的感應發熱。因此式（1）可簡化為：

式中：Kf為開關設備的集膚效應指數。

1.2.1 焦耳發熱

由焦耳定律可知，Pj為：

其中，開關柜主回路電阻R由導體固有電阻和接觸電阻兩部分組成，回路電阻越大，發熱功率也就越大。因此，適當地控制回路電阻是解決溫升的關鍵辦法。導體固有電阻可以通過增加導體截面積、縮短導體長度、提高導體的電導率等辦法降低。導體的加工方法不同、工藝不同都會導致接觸電阻的不同，接觸電阻由收縮電阻和膜電阻組成。接觸電阻的經驗計算公式為：

其中，K與接觸材料有關；m與接觸形式有關。如表2所示。

表2 不同零部件接觸K、m的取值

開關柜內部導體連接部位大多采用M10、M12的螺釘進行緊固，力矩分別為35 N·m、45 N·m。經計算，其接觸電阻如表3所示。

表3 不同螺釘的接觸電阻

主回路電阻的大小決定發熱功率的大小，只有降低回路電阻，把回路電阻控制在一定的范圍內，才能有效解決溫升問題，同時也不能忽略集膚效應對開關設備溫升的影響。

（1）集膚效應

導體通過的電流大于1 000 A時，需計算集膚效應和鄰近效應對其影響產生的熱量。電流頻率越高，導體截面越大，電流分布越不均勻，導致主回路導體的焦耳損耗及交流電阻就越大。本文設計的環保型開關設備結構緊湊，為保證柜內主回路有良好的通流能力和可靠的絕緣性能，內部導體通常設計為圓形結構，考慮到集膚深度，將實心導體更改為空心，不僅降低了導體的成本和質量，而且降低了開關設備的熱效應[3]。集膚深度計算公式如下：

式中：ur為導體的相對磁導率（非磁材料和銅均為1）； ρc為銅材的電阻率（20℃時， ρc=0.017 5 μΩ·m）； ρ為電阻率；對于銅材，k=1。

（2）鄰近效應

相鄰較近的導體或者軟連接通過交流電流時，其中一個導體產生的交變磁場會對臨近的導體產生作用，致使臨近導體的電流分布朝向一側，導致電流密度在導體內部分布不均勻，從而使臨近導體的集膚指數和焦耳損耗增大。電流頻率越大，導體距離越近，鄰近效應就越明顯。因此，減少開關柜內軟連接的使用，增大相鄰導體之間的距離，有助于降低臨近效應產生的熱效應。

1.2.2 感應發熱

當金屬導體置于交變磁場時，導體會產生感應電流，電流流線會在導體內自行閉合，形成渦流。依據楞次定律，當作為支撐件的導體置于交流電流產生的交變磁通中時，導體會感應出渦流，從而發熱。設計充氣柜時，一般在電流貫通部位及附近使用不銹鋼、鋁等非磁性材料制作支撐件，整個氣室采用不銹鋼焊接，達到使用非磁性材料切斷閉合金屬回路的效果。此外，所有的零件固定螺釘均采用不銹鋼材質。

1.3 散熱機理分析

熱量的傳導方式共有3種，分別為熱傳導、熱對流和熱輻射[4-5]。熱傳導主要是固體中或固體間的傳熱主要方式，其本質為分子受熱發生震動，將熱量傳遞給臨近分子，從而實現能量的傳遞。熱傳導發生于在導體材料內部，通常采用的傳導散熱方法有在導體上安裝散熱器，采用導熱系數較高的導電體和絕緣體。

熱對流又稱對流傳熱，實質上就是流體內部質點因為受熱引起震動，產生熱量交換的現象。對流散熱計算公式如下：

式中：αl為對流散熱系數，W/(m2·℃)；θw為導體溫度，℃；θ0為外界環境溫度，℃；F1為導體單位長度的散熱面積，m2/m。

熱輻射又稱輻射傳熱，物體本身具有溫度，會激發產生電磁波被附近的低溫物體吸收，將其部分或全部轉換為熱量被自身吸收，其傳播不需要任何介質。在大電流開關柜中，氣箱是密封的，溫升平衡后，內部對流換熱相對較少，因此輻射散熱是大電流開關柜的主要散熱方式之一。依據傳熱學理論，導體輻射熱量為：

式中：ε為導體的輻射散熱系數；Ff為單位長度導體的輻射散熱表面積。

2 開關柜溫升控制難點

（1）充氣式開關柜相較于空氣絕緣開關柜，其高壓一次導電體密封于氣箱內，由于氣箱是絕對密封的，與外界環境沒有對流換熱，因此大電流開關設備容易產生過熱狀況，尤其是氣箱內部的隔離開關、固封極柱及接觸部位容易過熱。且B相處在A、C相之間，散熱條件更差，通常B相的溫升要比A、C相高出3～5 K。空氣絕緣開關柜是敞開的，可以直接與外部環境進行熱交換。而充氣開關柜是密閉的，開關柜內部氣體需要先將熱量傳遞至氣箱，再通過氣箱外表面與外界進行熱量交換。此過程極大降低了對流換熱的效率，是導致內部溫升過高的一個重要因素。

（2）絕緣介質的導熱性直接影響開關設備的溫升。在充氣柜中，氣體的換熱方式主要為對流換熱，為傳導換熱和對流換熱的耦合。由于N2的分子量比SF6小，即在同溫條件下，N2分子運動速度比SF6快得多，所以N2氣體的導熱系數比SF6小。與N2相比，SF6的密度和比熱容較大，同分子攜帶熱量多。因此同溫同壓條件下，SF6氣體的對流換熱系數N2在氣體絕緣開關柜中，當絕緣介質為干燥空氣時，其散熱效果最差。因此干燥空氣絕緣開關柜對溫升的要求更為嚴苛。

（3）目前干燥空氣絕緣開關柜的發展方向為小型化、經濟適用，這就導致必須對開關柜內的導體尺寸、氣箱尺寸和外形尺寸進行嚴格控制，以致影響了整體氣箱的散熱面積，同時也對充氣柜的溫升控制設計提出了更苛刻的要求。

3 主回路電阻控制

電阻越大，發熱功率也就越大。因此，有效地控制電阻可以控制開關柜的發熱量，從而有效提升開關柜的大電流承載能力，而溫升不超標。主回路電阻通常包含導體自身的電阻和接觸電阻。常采用的降低接觸電阻的辦法如下：

（1）適當地增大該連接部位的緊固力矩；

（2）遵循螺釘緊固順序原則，保證銅排的兩個連接部位接觸電阻在控制范圍內；

（3）適當降低連接零部件的硬度；

（4）表面鍍銀處理；

（5）盡可能采用多螺釘固定方式；

（6）導電體切縫處理。

本文分別在開關柜主回路導體處理前后測量了電阻，如表4所示。采用以上降低電阻的辦法后，開關柜整體電阻降低了11.7%；由焦耳定律可知，其整柜發熱量也降低了11.7%。

表4 電阻值對比

4 熱仿真分析

在進行仿真分析前，對新設計的充氣柜進行溫升試驗，當電流達到2 400 A時，溫升不超標，正好滿足國標要求，但距離額定電流1.1倍的國標溫升要求還差450 A電流，需通過仿真分析和理論計算，找出最佳散熱方案，解決溫升問題。本文采用FLOEFD熱場分析軟件對開關設備進行仿真分析，導入模型后開始計算，結果如圖1所示[6-8]。

圖1 初始條件開關柜溫升分布云圖

為了找出理論數據更加接近試驗數據，本文選取幾個關鍵溫升監測點進行對比，如圖2所示。

圖2 溫升監測點示意圖

選取開關柜溫升超標最嚴重的B相為分析對象，并將B相主回路仿真數據與試驗數據進行對比，如圖3所示。

圖3 仿真與溫升數據對比圖

圖4 修正后仿真與溫升數據對比圖

4.1 仿真參數修正

由于仿真技術水平和試驗測試條件有限，仿真結果與試驗結果之間的誤差是不可避免的。需要綜合各種因素，找到仿真誤差的來源，分析仿真誤差的走勢與方向，以便更好地利用仿真數據來指導后續的設計與改進。

（1）電阻誤差修正

之前采用的回路電阻測試儀精度為1μΩ，且測量是整體電阻，通過理論計算的電阻對主回路進行功率劃分。現采用精度為0.1μΩ的回路電阻測試儀，并分段精細測量每一段導體電阻，依據實際電阻值對導體回路進行功率劃分。

（2）輻射系數調整

輻射系數是影響開關設備散熱的重要因素，因此輻射的設置是仿真分析精度高低的關鍵因素。將開關設備的內部相關導體送至檢測中心，對輻射系數進行測量，并結合溫升試驗，找出主回路零部件的輻射系數，以提高仿真的精確性。

（3）流體參數調整

通過設置流體子域、壓力、重力，對流體參數進行了調整，接近了實際工況，降低了對流散熱誤差對仿真結果的影響。

綜上，結合仿真數據與試驗數據對零部件的物理屬性進行調整，最終將仿真數據與試驗數據偏差控制在±1℃，如圖4所示。由圖可知，經過對主回路零部件的初始參數修正后，仿真分析計算得到數據基本與溫升試驗一致。并以此為基礎，將設計的每種散熱方案進行仿真分析，計算出每種散熱方案對整體回路的提升電流，如表5所示。

表5 散熱措施散熱效果對比分析

依據每種散熱方案的成本、可行性等綜合性能進行評估，選出最佳組合散熱方案解決1.1倍額定電流溫升問題。本文選取異型母線方案、納米散熱涂料方案、散熱器方案及固封極柱散熱方案作為下次溫升試驗的散熱方案。

4.2 溫升試驗

為了驗證仿真分析結果的正確性，依據GB3906和GB11022的要求，對環保型12 kV-2 500 A樣機進行溫升試驗，通流2 750 A，通過熱電偶傳感器實時監測主回路溫升。國標要求靜連接的溫升不超過75 K，動連接的溫升不超過65 K，1 h內溫升不超過1 K，達到穩定[9]。

由試驗結果可知，本文設計的環保型開關設備靜連接處最高溫升值為71.5 K，動連接處溫升最高為61.8 K，滿足國標要求。

5 結束語

本文針對環保型12 kV-2 500 A開關設備的溫升問題提出了解決方案，結合熱場分析和溫升試驗，找出最佳散熱方案，并順利地通過了型式試驗，取得型式試驗報告，得到以下結論。

（1）通過接觸電阻控制措施的采用，整柜發熱量降低了11.7%。

（2）通過FLOEFD熱分析軟件，高效準確計算出每種散熱方案的散熱性能，優中選優，不僅解決了本項目的溫升問題，而且縮短了項目開發周期，縮短了溫升試驗的次數。