1. 东莞供电局 广东 东莞 523000；2.广东必达电器有限公司 广东 佛山 528309
摘要：为了改善10kV大电流开关柜静触头热管换热系统的温降效果，本文着重对柜体风道改进进行了研究。为了验证柜体风道改进后的温降效果，我们还进行了开关柜温升试验并给出了柜体风道改进前后未安装热管相及安装热管相的静触头温升值。对比分析表明，无论是柜体风道改进前还是改进后，母线室和电缆室内已安装热管的B、C相静触头温升均比未安装热管的A相要小，热管换热系统温降效果明显；相对于改进前，无论是未安装热管的A相还是已安装热管的B、C相，柜体风道改进后静触头温升明显减小。此外，由于电缆室明显改善重力方向通风面积，其热管的温降效果相对于母线室热管更为显著。
关键词：10kV大电流开关柜；静触头；热管换热器；风道改进；温升试验
Improvement for Cabinet Duct of 10kV High-current Switchgear Containing Heat Pipe Exchanger
Jiang Xushuo1, Liu Guote1,Sun Xichao2
1. Dongguan Power Supply Bureau, Dongguan, Guangdong, 523000; 2. Guangdong Bida Electric Co., Ltd, Foshan, Guangdong, 528309
Abstract：In order to enhance the temperature drop effect of heat pipe exchangers installed in the static contact of a 10kV high-current, the paper focused on studies on cabinet duct improvement. Further, in order to verify the temperature drop effect, we also conducted temperature rise tests for the switchgear. According to the tests, the static contact temperature rise of A phase without heat pipe exchangers and B, C phases with heat pipe exchangers are given respectively, before and after the duct improvement. The results showed that the temperature rise of static contact of B, C phase is decreased in comparison with that of A phase, no matter the cabinet duct is improved or not. The temperature drop effect of the heat pipe exchanges is evident. In addition, both the static contact temperature rise of A phase and B, C phase are obviously reduced after the duct is improved. Since the ventilation area of cable compartment is significantly improved in the direction of gravity, the temperature drop effect of heat pipe exchangers of the cable compartment is better than that of the bus compartment.
Keywords ：10kV high-current switchgear; static contact; heat pipe exchanger; cabinet duct improvement; temperature rise test
0 引言
KYN44A-12型开关柜设计最大工作电流为4400A，该型号开关柜铜排和触头产热较多，铜排凭借和空气较大的接触面积能够实现较为充分的散热，但安装在触头盒内的镀银触头却由于与空气接触面积小，空气流动性差而散热困难，温升难以满足国家标准中温升小于65K的要求。文献[1]本文针对KYN44A-12大电流开关柜的工作特点设计了母线室和电缆室的热管换热器，并且根据热管换热器的安装需要，对KYN44A-12大电流开关柜的静触头和触头盒的结构形式作了改进。试验表明安装热管换热器后，即使母线室和电缆室的风机被关闭，母线室静触头温度也得到了相应的降低，电缆室静触头的降温效果更加明显，超过了10℃。文献[2]采用ANSYS热仿真模块Icepak对开关柜内部温度场和流场进行了稳态仿真，分析了开关柜在夏季正常工作时的温度分布及内部空气流场分布，提出了该开关柜的散热和镀银触头温升控制结构优化方法，有利于延长使用寿命。
热管换热器工作时蒸发段因吸热而使毛细材料中工作液体蒸发，蒸汽流向冷凝段并在冷凝段散热冷却，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，实现热量由蒸发段向冷凝段传递[3]。由热管的换热机理可知，热管的换热效果与冷凝段散热能力紧密相关，而冷凝段散热能力又与柜体通风性能存在一定的联系[4]。因此，除了改进热管本身换热性能以外，柜体内风道的改进也是至关重要。本文将着重对含热管换热器的10kV大电流手车开关柜柜体风道改进进行研究，对比分析柜体风道改进前后热管对静触头的散热效果，为进一步降低开关柜触头温升提供一定参考。
1 柜体风道的改进
为了改善柜体通风性能，将对断路器室、母线室、电缆室、前下门及后下门通风设计进行改进，以提高柜体有效通风面积。
（1）断路器室
改进前：采用V形顶盖（宽×高×深820mm×80mm×165mm）采用1.0冲孔板设计，此板开口率达22%，设计面积0.2m2，有效通风面积只有0.044m2。
改进后：采用方形通风设计，为保证有效通风面积，顶盖采用（宽×高×深687mm×100mm×300mm）采用1.0冲孔板设计，此板开口率达22%，设计面积0.55m2，因此有效通风面积达到0.12 m2。改进后的通风设计具体如图1所示。
（2）母线室
改进前：采用V形顶盖（宽×高×深820mm×80mm×405mm）采用1.0冲孔板设计，此板开口率达22%，设计面积0.5m2，有效通风面积达到0.11m2。
改进后：V形顶盖采用采用1.0冲孔板设计，此板开口率达22%，有效通风面积达到0.1m2；两侧加高板采用9mm×100mm长孔设计，单个面积为882.6 mm2，共用452个，1.0开口砂网，开口率50%，共有0.2m2。改进后有效通风面积达到0.3m2，具体设计如图2所示。
2 开关柜温升试验
为了验证柜体通风性能改善后热管是否有更佳的温降效果，本节将在柜体改进风道及未改进风道两种工况下对已安装热管的开关柜进行温升试验。规定温升试验达到稳定工况的条件为：相隔1小时测温点温差不超过1K，下文所讨论分析的温升均指稳定工况下的温升值。
2.1 热管安装方式及测温点布置
开关柜热管安装方式如图5所示。母线室A相不安装热管并变保持原结构，B、C相静触头上方铜排上安装热管结构I，如图5(a)所示；电缆室A相静触头不安装热管并保持原结构，B、C相铜排后方安装热管结构II，如图5 (b)所示。
在开关柜温升试验系统中使用光纤在线测试技术实时测量开关触头的温度，温度测试点为上桩静触头和下桩静触头。安装有热管换热器的触头测温点布置在热管蒸发段的管壁上，未安装热管换热器的触头测温点布置在靠近静触头的铜排上。
（3）试验结果分析与讨论
A、安装相与未安装相的对比由图6和图7可明显看出，无论是柜体改进前还是改进后，母线室和电缆室内已安装热管的B、C相静触头温升均比未安装热管的A相要小，热管换热系统温降效果明显。
改进前，由表1可知，母线室A相未安装热管，最高温升为88.8K；B、C相安装热管，其中B相温升可低至73.8K，热管温降效果可达15.0K；对于安装于电缆室的热管，最大温降效果可达11.9K。改进后，由表可知，母线室未安装热管的A相温升为82.9K，B、C相安装热管，其中C相温升可低至70.6K，热管温降效果可达12.3K；同理，电缆室热管的最大温降效果可达15.1K。
B、柜体改进前后同相对比
对比表1和表数据发现，无论是未安装相（A相），还是安装相（以B相为代表），柜体改进后静触头温升均明显下降，分别如图8和图9所示。
图9 风道改进前后B相静触头温升
对于未安装相，母线室A相改进前温升约为88.8K，改进后约为82.9K，温降为5.9K；电缆室A相改进前温升约为82.1K，改进后约为77.6K，温降为4.5K。对于安装相，母线室B相改进前温升约为73.8K，改进后约为71.3K，温降为2.5K；电缆室B改进前温升为70.2K，改进后约为62.8K，温降为7.4K。相对于改进前，柜体风道改进后开关柜静触头温升明显减小，这是由于柜体风道改进时增大了柜内有效通风散热面积，改善了柜体通风性能。对于未安装热管的A相，静触头自然散热效果增强；而对于已安装热管的B、C相，风道的改进改善了热管冷凝段的散热条件，使得热管对静触头的温降效果更为显著。
从柜体位置角度看，柜体通风性能的改善使得母线室内静触头最大温降可达5.9K，而电缆室静触头温升降低达7.4K。相对于电缆室，母线室静触头温降效果稍微减弱。这是由于母线室通风面积增加是通过在母线室和断路器室之间的隔板上靠近柜顶位置安装了两块面积为0.1m2的孔板，增加了水平方向气体流动换热，但重力方向通风面积没有明显改善。而对于电缆室则是通过扩大其顶盖通风面积，明显改善其重力方向通风面积，因此热管温降效果更为显著。
3 结论
本文着重研究了柜体风道改进，同时进行了改进前后开关柜静触头温升试验，通过对比分析实验结果可得以下结论：
（1）无论是在柜体风道改进前还是改进后，母线室和电缆室内已安装热管的B、C相静触头温升均比未安装热管的A相要小，热管换热系统温降效果明显。
（2）相对于改进前，无论是未安装热管的A相还是已安装热管的B、C相，柜体风道改进后静触头温升明显减小。另外，由于电缆室重力方向通风面积明显改善，其热管的温降效果相对于母线室内热管更为显著。
参考文献
[1] 黄宪武，薛继鹏，陈寿平等. KYN44A-12大电流开关柜热管散热设计[J]. 云南电力技术，2015，（已录用，待刊）
[2] 叶茂泉，万四维，巫环科等. 基于Icepak的大电流开关柜热仿真[J]. 电器与能效管理技术，2015，16: 27-30.
[3] 史美中，王中铮. 热交换器原理与设计（第5版）[M]. 东南大学出版社，2014，7: 177-191.
[4] 高春媛. 开关柜结构散热与通风的设计[J]. 科技创新与应用，2014，19: 83.
作者简介：江栩铄 1988，男，硕士，助理工程师，从事电气设备运行维护工作
论文作者:江栩铄1,刘国特1,孙希超2
论文发表刊物:《电力技术》2016年第4期
论文发表时间:2016/7/23
标签：热管论文; 开关柜论文; 风道论文; 母线论文; 触头论文; 面积论文; 电缆论文; 《电力技术》2016年第4期论文;