C-GIS的通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)淺談

黎昌亮 李力

1. 上海置信日港電氣有限公司 上海 200000；

2. 鐘企實(shí)業(yè)(上海)有限公司 上海 200000

引言

C-GIS（Cubicle type Gas insulated Switchgear）箱式氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備，作為國內(nèi)大力發(fā)展的開關(guān)柜，特別是在中壓35kV以下系統(tǒng)中，例如在最近的國網(wǎng)招標(biāo)中，以1250A為例，有明確要求是環(huán)保氣體充氣柜，有取代空氣絕緣開關(guān)的趨勢，隨著充氣柜應(yīng)用優(yōu)勢越來越明顯，許多公司立項(xiàng)開發(fā)充氣柜，但是制造充氣柜的技術(shù)門檻明顯比空氣柜高很多，主要集中在氣箱的制造工藝上，不但在正常運(yùn)行時不能漏氣，還要求在一定的壓力試驗(yàn)條件下滿足強(qiáng)度與氣密性的要求，最后還必須考慮溫升的要求，如何散熱通風(fēng)成為各廠家必須考慮的問題。

開關(guān)柜的發(fā)展現(xiàn)狀，充氣開關(guān)柜顯示出比空氣開關(guān)柜有明顯的優(yōu)勢，主回路完全密封在氣箱里，不受外界環(huán)境變化的干擾，穩(wěn)定運(yùn)行，很多用戶都優(yōu)先考慮，但是由于封閉在氣箱里面，溫升對開關(guān)柜的嚴(yán)酷考驗(yàn)，本文探討如何通過柜體結(jié)構(gòu)方式改善氣箱通風(fēng)散熱的效果，降低氣箱的外部環(huán)境溫度，保證安全可靠運(yùn)行。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 具體實(shí)施方案

結(jié)構(gòu)形式描述：以40.5kV，1250A開關(guān)柜為例，如圖1：柜體前部分為低壓室，包括機(jī)構(gòu)室和儀表室，都是安裝二次低壓設(shè)備，前上部結(jié)構(gòu)安裝二次元器件，前下部為安裝三工位和斷路器機(jī)構(gòu)，柜體后面底部為電纜室，柜體后上為泄壓通道，前面機(jī)構(gòu)板開百葉窗通風(fēng)孔，機(jī)構(gòu)室與電纜室之間安裝封板，封板開通風(fēng)孔，帶活頁，電纜室與泄壓通道之間設(shè)計(jì)通風(fēng)孔帶活頁，避免氣箱泄壓反過來影響電纜室，泄壓通道頂部安裝網(wǎng)板，防護(hù)等級IP4X。空氣循環(huán)路線為，從機(jī)構(gòu)室下門百葉窗進(jìn)風(fēng)，進(jìn)入機(jī)構(gòu)室后，分兩路循環(huán)，一路直接上到儀表室從后面排風(fēng)，另一路通過機(jī)構(gòu)室與電纜室封板孔進(jìn)入電纜室，再經(jīng)過電纜室往上進(jìn)入泄壓通道，最后從泄壓通道排氣。

圖1 通風(fēng)結(jié)構(gòu)的示意圖

1.2 結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，對應(yīng)柜體的散熱情況，熱傳導(dǎo)，對流，輻射都影響散熱效果，但是對于本設(shè)計(jì)，開通風(fēng)口，對熱傳導(dǎo)和輻射假設(shè)不變，主要考慮對流散熱情況，也是主要影響因素。

在工程上，對流傳熱是指流體固體壁面的傳熱過程，它是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的移動進(jìn)行熱量傳遞的。因此與流體的流動情況密切相關(guān)。熱流體將熱量傳給固體壁面，再由壁面?zhèn)鹘o冷流體。由流體力學(xué)知，總有一薄層流體順著氣箱底面做層流流動在靠近氣箱底面處。當(dāng)流體做層流流動時，主要以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行在垂直于流動方向的熱量傳遞[1]。由于大多數(shù)流體（空氣）的導(dǎo)熱系數(shù)較小，溫差也主要集中在該層中，故氣箱底部的中滯流內(nèi)層。在滯流內(nèi)層中，流體僅沿氣箱壁面平行流動，在傳熱方向上沒有質(zhì)點(diǎn)位移，所以熱量傳遞主要依靠傳導(dǎo)進(jìn)行，由于流體（空氣）的導(dǎo)熱系數(shù)很小，使滯流內(nèi)層中的導(dǎo)熱熱阻很大，因此在該層內(nèi)流體溫度差較大。在湍流主體內(nèi)，由于流體質(zhì)點(diǎn)湍動劇烈，所以在傳熱方向上，流體的溫度差極小，各處的溫度基本相同，熱量傳遞主要依靠對流進(jìn)行，傳導(dǎo)所起作用很小。且在層流底層與湍流主體之間存在著一個過渡區(qū)，在過渡區(qū)內(nèi)，熱傳導(dǎo)與熱對流均起作用使該區(qū)的溫度發(fā)生緩慢變化。在過渡層內(nèi)，流體的溫度發(fā)生緩慢變化，傳導(dǎo)和對流同時起作用。

實(shí)際上，當(dāng)空氣在電纜室內(nèi)沿氣箱底部面作湍流流動時，在靠近氣箱壁面處總有一滯流內(nèi)層存在。在滯流內(nèi)層和湍流主體之間有一過渡層。

從對流傳熱過程的分析可知這一個復(fù)雜的傳熱過程影響對流傳熱速率的因素很多，為了方便起見，在工程上常采用一種簡化的方法，此式稱為對流傳熱速率方程式，亦稱牛頓冷卻定律：

其中，Φ-對流傳熱速率，rw；α-對流傳熱系數(shù)；A-傳熱面積，m2；Tw-與流體接觸的壁面溫度，℃；T-流體的平均溫度；ΔT-對流傳熱溫度差，℃/K。

對應(yīng)對比兩種情況分析，溫差的大小取決于流體的平均溫度（T），由于有冷氣進(jìn)入電纜室和沒有冷氣進(jìn)入電纜室對電纜室內(nèi)的溫度T影響為主，其他的傳熱面積，對流傳熱系數(shù)和與流通接觸的壁面溫度可認(rèn)為相等，所有只是考慮T的影響。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：

其中，V-摩爾體積，R-通用氣體常數(shù)。已知標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1mol理想氣體的體積約為22.4L，把T=273.15K，R=8314Pa·L/mol·K代入式中：

T=PV/nR=1.01325×105×22.4÷（1×8314）=273.15K

實(shí)際電纜室體積V=深×寬×高=1350×600×700（mm3）=5.67×108（mm3）=0.567（m3），壓力1.01325×105Pa，電纜室的摩爾數(shù)為n1=567÷22.4=25.3。

類比可知，對于電纜室內(nèi)的空氣溫度，氣箱內(nèi)部傳到氣箱底部的表壁面溫度與電纜室空氣對流，兩種情況的垂直溫度差相等，即勢流可以忽略，只要考慮風(fēng)速對溫度的影響。

根據(jù)物理能量守恒定理，溫度越高，其具有的熱能就越多。速度越快，其具有的動能或動量也越大，能量是互相轉(zhuǎn)換的，熱能與動能也是可以互相轉(zhuǎn)換的，若空氣的初始狀態(tài)一定，如初始溫度、初始流速、初始高度（即勢能）、初始壓力等一定時，那么它們之間必然可以相互轉(zhuǎn)換。即增大流速，其溫度是降低的。遵守?zé)崃W(xué)第一定律，其方程為：

其中，T-絕對溫度，W-流速，c-流體比熱容；角標(biāo)1、2：表示兩個截面，0表示總的含義。此方程應(yīng)用條件為：假設(shè)絕熱，水平流動，不考慮勢能。

上式可變換為：由于空氣的比熱容與溫度有關(guān)，溫度在250k時，空氣的定壓比熱容cp=1.003kj/（kg·K），300K時，空氣的定壓比熱容cp=1.005kj/（kg·K）。一般空氣的比熱容無法確定，但是都與溫度有關(guān)，如果溫差不太大時，可認(rèn)為基本相等。一定質(zhì)量的物質(zhì)，在溫度升高時，所吸收的熱量與該物質(zhì)的質(zhì)量和升高的溫度乘積之比，稱為這種物質(zhì)的比熱容（c），國際單位制中的單位是焦耳每千克開爾文（J/kg·K）：

按照試驗(yàn)數(shù)據(jù)，封閉通風(fēng)口，打開通風(fēng)口，由于空氣比熱容難以確定，溫差ΔT參見試驗(yàn)結(jié)果。

由于GB/T3906-2020標(biāo)準(zhǔn)要求，各獨(dú)立隔室間防護(hù)等級滿足IP2X要求，網(wǎng)孔不能大于12.5mm，以及內(nèi)部發(fā)生電弧故障時，各隔室間不能相互影響，加裝了防護(hù)板，電纜室發(fā)生故障時，防護(hù)板1關(guān)閉，防止電弧噴到機(jī)構(gòu)室，防護(hù)板2打開通過泄壓通道泄壓，同時上面氣箱發(fā)生電弧時，防護(hù)板關(guān)閉，防止影響電纜室[2]。

2 試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照以上結(jié)構(gòu)，包括儀表室、機(jī)構(gòu)室、電纜室和泄壓通道，以及氣箱，且在相同的柜外環(huán)境溫度和風(fēng)速下，分別進(jìn)行兩種情況溫升試驗(yàn)：第一種情況時，把防護(hù)板1和防護(hù)板2都封閉，做溫升試驗(yàn)；第二種情況時，把防護(hù)板1和防護(hù)板2都打開角度，處于正常運(yùn)行角度。

圖2 溫升試驗(yàn)示意圖

表1 溫升試驗(yàn)溫度記錄表

2.2 試驗(yàn)解析

試驗(yàn)對比說明：在相同的電流，風(fēng)速相同的柜外環(huán)境下，第一種情況由于電纜室沒有進(jìn)出風(fēng)口，整柜沒有形成對流散熱，然而第二種情況由于有進(jìn)風(fēng)口，整柜從機(jī)構(gòu)室下門百葉窗進(jìn)風(fēng)，在儀表室和泄壓通道上部出風(fēng)，有效的帶走了氣箱底部對電纜室傳導(dǎo)的熱量，使溫度降低，試驗(yàn)數(shù)字顯示，33.3℃-27.5℃=5.8℃。

采用此通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)[3]：①安全可靠：獨(dú)立設(shè)計(jì)高壓帶電間隔與低壓帶電間隔，保證高壓電弧不影響低壓間隔的運(yùn)行；②通風(fēng)散熱好：整個柜體從進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口形成通風(fēng)道，使氣箱熱量被散掉，降低氣箱溫度；③結(jié)構(gòu)簡單：采用活頁設(shè)計(jì)，正常運(yùn)行，活頁打開通風(fēng)，一旦高壓電纜室發(fā)生電弧故障時，自動關(guān)閉活頁，避免電弧；④獨(dú)立的泄壓通道：氣箱與柜體在各自發(fā)生電弧故障時，互相不受影響。⑤維護(hù)性好：電纜室前面采用可拆卸，后面采用門形式設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行前后打開，安裝維護(hù)方便。⑥防護(hù)等級高IP4X：頂部出風(fēng)口采用鋼絲網(wǎng)覆蓋，網(wǎng)孔最大1mm以下滿足IP4X要求；⑦二次接線方便：由于獨(dú)立的機(jī)構(gòu)室和二次儀表一體作為低壓間隔，安裝接線空間擴(kuò)寬；⑧模塊化裝配：儀表室，機(jī)構(gòu)室，電纜室，泄壓通道，還有氣箱分別進(jìn)行獨(dú)立組裝后，最后通過緊固件裝配，適合批量生產(chǎn)，提供生產(chǎn)效率。

3 總結(jié)

綜上所述，充氣開關(guān)柜對溫升要求比較高，也是必須考慮的問題，特別是電流越大，熱問題越突出，通風(fēng)散熱好壞決定開關(guān)柜能否通過GB/3906-2020的溫升型式試驗(yàn)，在額定電流1.1倍下做試驗(yàn)，銅排搭接處的溫升最高不能超過75k，為了保證低于這個溫度，不僅要在氣箱內(nèi)部方面考慮降溫，在此不展開，還要在氣箱外部設(shè)計(jì)合理的通風(fēng)通道，才能達(dá)到散熱的效果。本項(xiàng)目由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，順利通過整體溫升試驗(yàn)。