开关柜强迫风冷解决方案

摘要： 中压开关柜的温升一直是客户关注的问题，由于设计、制造、安装等问题，经常会造成温度超过标准要求。现在普遍的做法是实际使用的电流仅为产品额定参数的70%，即使这样，也常会造成温度过高影响安全运行。而对于大电流开关柜，采用强制风冷是经济、有效的解决办法，风机位置以及风机的空气流量是关键设计考虑的因素，但风机质量等问题也不能做到长期满容量运行，通过对4000A开关柜柜顶上四个母线室手车室风扇分别关闭，并降低电流进线温升试验的最大温升进行DOE试验设计，回归得出传递方程而及计算温升、合理降容可以保证安全运行，也可以通过增加风机空气流量来保证开关柜在过流等情况下安全运行。

1.     引言

由于用电的需求不断增加，以及工业等领域应用的需要，大电流开关设备需求与日俱增，同时发电机出口开关设备也要求较大的额定电流。因此需要设计出满足上述领域应用的4000/5000/6300/8000A的真空断路器开关柜。开关柜温升较高的原因主要有：

a.    较高的一次电流；

b.    电流不是很大但要求高防护等级的开关柜；

c.    高环境温度下使用；

d.    导体材料电导率不满足要求，多数属于导体原材料纯度不够；

e.    现场存在安装检修工艺不当，如母线在加工、连接、安装过程中，对母线接触表面处理不到位、不平整、不光滑、没有涂专用电力脂等，导致有效接触面积减少接触电阻增大而发热；

f.     还有表面膜电阻，母线螺丝松动等

采用风机强迫风冷，不仅可以有效降低开关柜温升，还可以弥补因上述其它原因造成的过热。      

2. 开关柜强迫风冷的设计

散热需要三个途径，即辐射、对流和传导，其中对流对于成套设备散热是一个关键环节，自然通风在一般通风型柜体（防护等级IP4X及以下的，防内部故障喷射装置在正常运行时开启的开关柜）中可以带走大约1000W的热量，通过增加载流铜母排的规格尺寸也可有效的降低温升。 但对于额定电流大于3150A 的开关柜，辐射、传导及自然通风形成的对流就不能把内部发热的功率平衡在满足温升要求的范围内。 通过安装风扇强迫空气冷却则是最为经济、有效的方法。 表 2 列出 4 000A开关柜的主要欧姆损耗功率部位。 利用柜内设置的轴流风机或、和柜顶部的风扇将柜内的热气体与外部环境空气交换，从而达到一个对流的理想状态的过程，是大电流开关设备必需的。

2.1 风机的位置

选择轴流风机要兼顾功率、风量和风机的持续工作寿命等。 柜体的通风孔、风 在设计中要充分考虑位置布置，使外部空气>轴流风机->柜内导体>柜顶风机之间形成一个高效通路，同时还要 兼顾设备的防护等级、防内部故障电弧喷射以及方便维修更换等要求。 一般风扇的布置位置主要有以下几种，如图1所示， 位置1-电缆室底部，通过电缆室后封板通风孔吸收冷空气进入，对柜内发热元器件冷却，把热气流从底部吹出柜顶； 位置2-手车室底部，通过手车室下隔板前部通风孔吸收冷空气进入，主要对断路器的发热进行冷却，将热气从柜顶吹出； 位置3-手车室顶部，通过柜顶吸收热空气，将断路器的发热向柜外排出 ； 位置4-母线室顶部 ，通过柜顶吸收热空气，将母排的发热向柜外排出；

图1   大电流开关柜的风机布置

表1   主要厂家大电流开关柜铜母排规格、风扇功率及位置

表2    4000A  中置室开关柜电阻及功率分布

从表2可以看出，狭小的断路器隔室内发热功率很大，断路器的发热主要集中在真空灭弧室内部动静触头、导电杆及下部动滑动连接部位，尤其是固封极柱产品，发热部件密封在环氧树脂内部，热量通过对流、辐射散发非常有限，更多的是依靠传导将热量传递到梅花触头和母线上，而由于抽出式断路器在工作时梅花触头与静触头咬合在封闭的触头盒内，对流和辐射的散热效果非常差，明显比暴露在空气中的铜排温升要高。 而按照GB/T11022标准规定镀银触头在空气中温升最大值是65K，相比较螺栓连接75K又增加了困难，以上通过模拟分析及温升试验数据中都可以看出。 因此断路器室的风机布置更为关键。

2.2 断路器隔室分析

如图1所示，风机2和风机3主要是用于断路器室的降温。一般说来，相同功率的风机，如图3所示，安装于柜顶部（风机3）（出口）时优于安装在柜体底部（风机2）（入口），原因是冷空气进入柜体后将会在VCB室的各处弥漫，导致其内部的风向进行无规则的运动，从而降低了散热效果，由于VCB室内通风通道没有完全密封，只有一部分风会从出口排出柜体，通风效率降低。 对4000A开关柜温升试验证明，当仅开柜顶部风机（3）温升满足要求，再开启断路器底板部位风机（2）后，仅使中间B相的温升降低，其它相和上部触臂的温升则明显升高，可见由于下部风机开启，气流紊乱，使得绝大部分测温点不降反升。

图3   吹风和吸风的不同

单独使用断路器室底部风机，应该使风机位于冷空气进口处，利用底板形成的密闭空间作为静压箱，将空气的动压转换为静压，从而实现了断路器室内部均匀通风的目的。 进口全压通常是恒定的，这时，风机静压与出口静压就存在线性关系，相同的风量和压力下，风机静压越大，出口静压就越大，出口动压就越小，损失也就越小，风也就可以传送得更远。

因此单独使用顶部或底部风机可以满足温升要求，如不满足要求一定要同时使用顶部和底部风机，那必须配合好。

2.3 风机的选择

风机的效率，使用IP4X的网板，压力损失系数0.8， 根据开关柜热平衡公式,对断路器室的辐射及自然对流功率计算为250W,而根据表2断路器室总发热功率为1392W,因此还有1142W的热量需要风机强制冷却。

根据公式   

计算需要通风流量是1284 m ³ /h， 因此根据需要的通风量选择风机，风机参数表的空气流量是基于零静压的情况，而实际使用时，风机不是在零静压使用。

图4   风机流量和静压的关系曲线

如图4所示。 A点工作时，风机具有高静压和低风量，在B点具有低静压和高风量，阴影部分为风机的安全工作区域。 特定的风机， 特性曲线是固定的——即克服对应风阻下产生风量的能力是一定的。

开关柜的排气入口和出口的压力损失通过以下公式计算， ζ 是阻力系数，由于开关柜要满足一定的防护等级要求，因此采用冲孔板、网板或百叶窗等作为防护。

因此， 断路器室 采用 2 个 200FZY2NZD4-2F、50W、2600 r/min 型风机，空气流量是24 m ³ /h即 1440 m ³ /h 。而对于电缆室和母线室，考虑到断路器室的补充，需要2950 m ³ /h 空气流量。母线室顶部 采用 2 个 300FZY2-D/G、80W、1300r/min 型风机，空气流量是44 m ³ /h即 2640 m ³ /h 。

3. 强制风冷开关柜的运行问题

风机损坏是不可避免的问题，一般风机的寿命是60000小时，而一旦损坏，就必须电流降容来避免过热造成事故。 降容数据需要通过对风机进行试验来确定。 试验开关柜额定电流4000A，母线室和断路器室顶部各装有2个轴流风机。母线室2个风机都开启时空气流量是2640 m ³ /h ，1个风机都开启时空气流量是1320 m ³ /h ；断路器室2个风机都开启空气流量是1440 m ³ /h ，1个风机都开启时空气流量是720 m ³ /h ，通过分别关闭1个，2个，3个，4个风机，并 试验不同的电流进行温升试验。对关键点温升 试验数据如下 ：

表3 风机失效情况下降容试验数据

对试验数据使用六西格玛工具DFSS Gen III tools进行DOE试验设计， 母线室和电缆室风机流量和试验电流作为输入因子，温升值作为关键质量性能作为输出，得出传递方程：

上部梅花触头 (B相)  点13的温升 dT ₁₃ =-36.27-0.0105*AFm-0.015*AFv+0.03436*It 主母线与 分支母线连接处(B相) 点16的温升 dT ₁₆  =-7.35-0.0108*AFm-00875*AFv+0.023*It

基于以上传递方程，我们可以应用在以下情况下：

1）.      在实际运行情况根据不同负载电流和风机故障情况下，可以计算出温升，结合实际环境温度，以确定是否需要电流降容来保证运行安全。如断路器和母线室顶部各有一个风扇运行，实际电流在3500A 时，通过计算温升滑动触头温升是59.33，小于标准要求65k, 可以使用。

2）.      同样对于过负荷运行或变电站扩容，也可以在不改变开关柜结构和母线的情况下，更换风扇增加空气流量来满足温升的要求。但需要考虑进风口增加面积以避免风阻过大，温升超出计算。如需要在额定设计4000A的开关柜上通5000A的电流，通过母线室顶部采用空气流量4080 m ³ /h 的风机，断路器室顶部采用 2640 m ³ /h 的风机，通过计算温升是61.68k, 考虑到进风口 风阻等影响，柜顶采用4个空气流量 4080 m ³ /h的风机更为安全，试验验证温升也满足要求。

以上计算只作为参考，实际运行情况下，还需要结合手持式测温枪或在线测温来进一步确定温升。 采用风机断线报警，或在线测温能够快速报警强制风冷开关柜的风机故障及时采取措施，是大电流风机冷却开关柜的必须要配置的，EXERTHERM 红外测温系统可以根据实际负荷电流，环境温度等情况自动判断是否开关柜主回路异常。 新型风机具有测量出风温度、断线报警、阻力，转速异常的等功能也在多方面保证了大电流风冷开关柜的安全。

4. 结语

综 上所述，大电流风冷开关柜风机的位置和空气流量的选择十分重要，而通过不同风机的空气 量和不同的电流进行试验得出温升值，再通过DOE试验设计，得出传递方程，可以初步计算出一些特定情况下的可能温升，有条件可以加入更多的试验因子，回归计算得出更加可靠有效的传递方程指导实际运行。 大数据时代数学是最为重要的基础学科，高压电器有条件进行一定的试验通过DOE试验设计来使电网更加安全、可靠。