淺析風機在中壓開關柜上的應用

漆昀晟,緱 劍,吳永洋

（甘肅電器科學研究院，甘肅 天水 741018）

1 大電流中壓開關柜裝設風機的必要性

1.1 大電流中壓開關柜柜體發熱的原因

所謂大電流中壓開關柜，一般指10～35 kV 電力系統中回路額定電流大于等于2 500 A 的開關柜。其開關柜內主要的一次元件有電流互感器、零序互感器、電壓互感器（PT 柜）、避雷器、接地開關、斷路器、負荷開關等，這些元件之間通過銅排連接來構成高壓開關柜中完整的一次電氣回路[1]。當開關柜帶負荷運行時，各個一次電氣元件帶電運行所產生的熱量以及電流傳輸所產生的熱量如果不能夠及時散出，經常會產生柜體發熱現象，再加上開關柜的柜體材質為覆鋁鋅板或冷軋鋼板，均為易導熱材質，且柜內密封嚴格，如果熱量不能及時將熱量散出，就會加快柜體中各個元件的老化和故障的發生，從而影響開關柜的正常工作狀態，嚴重時甚至會導致事故發生。

1.2 中壓開關柜裝設風機的作用

隨著中壓開關柜在電力系統中使用的不斷成熟，現在設計師在開始結構設計時，都會考慮從開關柜中的各個小室到柜頂留出一部分散熱的空間，稱作“泄壓通道”，其專門用于排出開關柜帶負荷運行時產生的熱量。但對于回路額定電流大于或等于2 500 A 的開關柜，由于其產生的熱量過多，熱量來不及通過泄壓通道自行排出，熱量的不斷聚集會使柜體中各個元件溫度升高。為了解決這一問題設計人員想到了一個辦法，他們在柜頂泄壓通道處裝設了幾部風機（圖1）[2]，以便在風機的幫助下盡可能快地排放出開關柜內的熱量，以減少開關柜的事故隱患，確保其能夠平穩、可靠地運行。

圖1 風機在開關柜上安裝

2 風機在中壓開關柜內的運行原理及啟動方式

2.1 風機的數量和安裝方式

對于回路電流為2 500 A 及以上的開關柜來說，一般在柜頂泄壓通道上方并排裝2 只風機（見圖1），即可滿足散熱要求。對于回路電流特別大（4 000～5 000 A）的開關柜，裝2 只風機就顯得不夠用，這時就需要增加風機的數量，來滿足開關柜的散熱要求[3]，比如：KYN28A-12/T4000-40～50 KA 的開關柜，因斷路器手車較深，行程較長，在開關柜柜深不變、空間有限的情況下，設計人員將主母線室往柜后方向拉伸，將泄壓通道改至斷路器手車上方、儀表室后方。風機數量增加為4 只，泄壓通道上方柜頂裝2 只，斷路器手車下方中隔板上裝2 只，這樣當4 只風機同時工作時，形成空氣對流，加速空氣流動，散熱效率較裝2 只的開關柜大幅提升。

綜上所述，風機的數量及安裝方式與開關柜的結構、所配斷路器的種類密切相關，并不是一成不變的。針對不同電流大小和不同結構的開關柜，風機安裝的數量和方式是多樣化的，但本著節約資源、減少碳排放的原則，應盡可能在滿足使用要求的基礎上，減少風機安裝的數量并提高風機的利用效率，這就對開關柜和風機的設計、制造人員提出了更高的要求[4]。

2.2 風機的啟動方式

中壓開關柜內的風機一般通過兩種啟動方式。一種為手動啟動。為了方便用戶在現場根據需要能夠手動操控風機的啟停，設計人員在設計開關柜時，會在儀表室面板上裝一只鈕子開關，這個開關直接連接到柜頂的風機電源上，通過空氣開關閉合供電，風機便開始工作；反之，如果不需要風機工作時，關閉鈕子開關即可，現場操作簡單方便。風機手動操控啟動回路見圖2。

圖2 風機手動啟動回路

圖2 所示，HK 即為儀表室面板上安裝的鈕子開關，稱為風機開關；M1、M2 分別代表2 只風機，并聯運行；當空氣開關ZK 閉合時，通過HK 操作，就可以同時啟動M1、M2 兩只風機工作，也可以根據項目中實際運行的電流大小和開關柜的安裝要求，并聯更多的風機（如：M3、M4 等），最終目的是讓柜體中的溫度達到正常溫度；JL1 為DL-31/0.6AQ 型號的電流繼電器，它的用途是啟動風機指示燈。風機啟動指示回路見圖3。

圖3 風機啟動指示回路

在圖3 中，BD 即為風機運行指示燈，通常為白色信號燈，同樣安裝于開關柜儀表室面板上，便于觀察風機的工作狀態；RD1、RD2 為2 只熔斷器，作為保險使用；當圖2 中的風機回路運行時，JL1 電流繼電器線圈通電，圖3 中JL1 開點變為閉點，風機啟動指示回路電源導通，BD 指示燈亮，顯示風機正在工作中。

第一種啟動方式更多是用作檢驗風機能否正常的工作，而在實際工作中，一般用第二種啟動方式，即通過電流繼電器啟動風機。這種啟動方式不需要人為操作，只需要給啟動風機的電流繼電器根據實際需要設置好動作整定值，當開關柜內回路中電流超過一定值時，電流繼電器則會自動啟動風機工作，及時給柜體降溫。電流繼電器啟動回路及風機啟動回路分別見圖4、圖5。

圖4 電流繼電器啟動回路

圖5 風機電流繼電器啟動回路

在圖4 中，JL2 為啟動風機的電流繼電器；LH為電流互感器保護級繞組，需要說明的是，如果是額定電流大于2 500 A 的母聯隔離柜，柜內一般不會裝電流互感器，則圖4 中的LH 就表示相鄰母聯柜內的電流互感器，在開關柜并柜時，需要工作人員用二次電纜從柜內端子排上連接母聯柜的電流互感器保護級繞組，用于隔離柜中風機電流繼電器的啟動。

圖5 則表示通過JL2 啟動風機的回路示意圖。通過圖4 中電流繼電器JL2 線圈通電，圖5 中JL2 開點變閉點，回路導通，風機啟動。風機指示原理見圖3，電流繼電器JL2 的動作整定值設定見計算公式（1）。

舉例說明：假設有一臺主變進線柜，電流互感器變比為3 000/5，設定風機啟動電流為2 000 A，則該電流繼電器的動作整定值就是2 000×5/3 000=3.33。一般來說，對于KYN18C-12、KYN28A-12、KYN79柜，風機啟動電流為2 500 A；對于KGN7-12 柜，當開關柜額定電流為4 000 A 時，風機啟動電流值為3 500 A，當額定電流為5 000 A 時，風機啟動電流為4 000 A。

電流繼電器動作整定值的設定甚為重要，關系到風機啟動的準確性、及時性。因此工程技術人員在設計風機接線圖時，需要根據每個項目的實際要求，提供準確的動作整定值，這樣才能保證項目中供電系統平穩、可靠的運行。

2.3 風機的工作原理

大電流開關柜上安裝的風機主要使用200FZY2型軸流風機，該風機采用交流220 V 電源輸入，由罩極式交流電機、單法蘭圓筒型機殼和風葉以及其他附件組成。該風機具有體積小、便于安裝，噪音低、能耗低等優點，但通風初期容易出現個別空間通風緩慢，隨著通風的繼續整個開關柜內溫度才會慢慢趨于平衡，圖6 為200FZY 型軸流風機。

圖6 200FZY 型軸流風機

從機械角度來說，風機的工作原理就是通過輸入的電能轉化為葉片轉動的機械能，通過葉片的快速轉動帶動周圍氣體的流動。在二次原理接線方面來說，一只風機需要相關小附件組成，比如在電容、空開、繼電器的幫助下，構成二次回路才能正常工作。

在200FZY 風機的3 個接點中（見圖7），1和2接點分別接回路正點與負電，通常與熔斷器相連接。3 接點連接一只電容，該電容是用來啟動風機電動機的，電動機有2 組線圈，即主線圈與副線圈，當副線圈與一只電容串聯后，再與主線圈并聯。副線圈中由于串聯電容器的移向作用，與主線圈中流過的電流相位是不一樣的，結果形成旋轉磁場，電機啟動及運行。電機運行后，可自身產生旋轉磁場，這時就可以切除電容了。

圖7 風機的接線端子及接線安裝圖

3 開關柜風機的拓展及優化

近年來風機行業經過不斷發展，技術越來越成熟，種類也越來越多，未來的發展方向有以下3 點。

高效化：轉速快、運行效率高的風機當然會更有市場。

輕型化：這一點從使用范圍和節約成本上出發，更小體積、更輕重量的風機，使用范圍更廣，市場競爭中更有優勢。

降噪音：風機在工作過程中會有一定的噪音產生，該噪音是一種環境污染，因此更小噪音的風機會更有市場。

隨著國內用電負荷的增加，大電流開關柜越來越普及，在很多項目中，特別是國網項目，用戶都對風機提出了更高的要求，集中體現在風機的及時性、安全性和耐用性上。

開關柜中風機啟動的及時性，就是指風機能夠在開關柜中電流達到設定啟動電流時及時并快速啟動。

風機的安全性，即風機在遇到故障時能夠及時報警。風機內部應該裝有熱傳感器，并能將探測到的熱信號通過風機報警裝置傳輸到后臺監控系統，當風機過熱或遇到故障并停止工作時，能夠及時發現，避免出現事故。

風機的耐用性，即避免風機頻繁啟動。由于開關柜在運行過程中電流的大小并非特定不變的值，而是一個隨運行過程等情況不斷變化的值。當開關柜中的電流一直大于設定啟動電流時，則風機持續工作；但是當開關柜中的電流在風機設定的啟動電流值上下持續波動時，風機就會出現不停的啟、停動作，這樣就會縮短風機的運行壽命，并增大故障出現的次數。因此，風機應該設有一個運行時間，當風機啟動后，如果開關柜電流很快小于風機啟動電流，風機也不會馬上停轉，而是持續工作一段時間后才停止。當電流再次達到啟動電流時，風機再行啟動。

4 結束語

安全生產在整個制造行業中都是非常重要的主題，特別是在變電系統中尤為重要。大電流開關柜內的風機看似是一個小元件，但它對于開關柜乃至整個系統能夠正常運行是不可或缺的一部分。相信隨著技術的發展，未來的開關柜風機能夠更加智能、高效、環保、可靠。