刘玉铭
上海正昊电力科技有限公司 200120
摘要：高压开关柜在运行时通常会出现的问题是，因为温度过高而停止工作，引发安全事故。所以，温升问题也就成了高压开关柜设计中必须考虑的重点。本文将从结构设计、日常运行维护两方面分析温升问题及解决方案。
关键词：开关柜；温升；结构设计
高压开关柜在电力系统中的作用是不可忽视的。如果温升过高可能会造成设备故障或严重事故。举例来说，KYN28A-12这一型号的高压开关柜梅花触头，因为接触部位时间过久就会开始发热，这导致的后果是梅花触头外部的弹簧散开，触头的关键部位丢失，设备烧毁，由此失去作用。【1】现在的高压开关柜具有体积小，刚度大，防护等级高等特点。较高的防护等级使得柜内散热变得困难。
一 高压开关柜温升原理简述
根据热平衡原理，高压开关柜的温升主要取决于柜内发热量与散热量。
1.1发热。
高压开关柜在运行过程中的，当时间较久后就会开始发热，零部件的温度过高会使零部件的材料发生物理和化学性能的变化，机械和电气性能随之下降，导致高压开关柜发生故障甚至重大事故。为了延长高压开关柜的生命周期，使其在具有的工作时间内安全稳定地运行，就要严格限制构成高压开关柜的各类原材料，对其温度有标准的要求，不能超过限定值，这个温度就是最高允许温度。（最高允许温度与周围环境温度的差值就是最高允许温升)
高压开关柜发热的来源在于其内部运行过程中产生的能量损耗，该损耗主要有下面两种形式。
a.对于电阻损耗，其产生是源于高压开关柜运行过程中，导电体与电联通后，逐渐发热。通常我们用下面的公式表示电阻损耗功率p的由来。
【2】 （A）
式中：I代表高压柜工作时通过导电体的电流[A];
R代表高压柜中导电体的回路电阻[Ω]。该电阻的由来源于两种不同类型的构成，
即 R=RJ +KRd 【3】 （B）
式中：RJ表示导电体在回路的过程中，与各个部分相连接的接触电阻Ω]；
k表示交叉额外的损耗系数（该系数离不开趋表效应）；
Rd表示导体电阻[Ω]。
b.对于铁磁损耗，导电体通电时，其附近的金属会受到影响，产生相应的损耗，呈涡轮形式，也称铁磁损耗。举例说明如下，如图1,交变电流I穿过导电杆1中时，圆环2内将产生交变磁通φ。交变磁通在这个涡轮范围内也会产生同类型的损耗。
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能量的损耗会转化成热能，使得高压开关柜内温度升高。在整个高压柜中，有金属发热，接触发热，绝缘材料的发热等。对于金属材料，在高压柜工作过程中，金属材料的性能会随着环境的变化发挥不同影响。当温度过高，材料软化，它的性能与之前相比明显不具有优势。即使是同种类型的金属材料，由于运行时间的不同，对温度条件的要求也各不相同。对于接触连接，特别是可以分开的接触连接，在高压电器中用的特别多，所以在选择绝缘材料的时候，首先要考虑的就是其最高允许温度。
1.2散热。
因为高压开关柜在运行时容易发热，所以对它周围的环境要进行严格的温度限制，在一定条件下，开关柜内温度达到一稳定值且不会继续增加。并且，该温度符合开关柜正常运行条件，则此时，开关柜的发热量与散热量达到平衡。下面，我们在来分析下散热的情况。热量向外传播主要凭借三种形式。热量的传导通俗点讲就是高温导电体的热量向低温部分传导，动能大的高温分子把能量传递给动能小的低温分子。热传导现象的发生是没有环境限制的，它在固态、液态、气态三种状态中都有可能发生。流体受热以后，体积就会越变越大，强度分散开来，逐渐向上转移。附近的冷流体会填补刚才流动走的流体空隙，流体再受热上升，循环流动，不断带走导电体上的热量，该现象称之为对流换热。对流换热与流体的流动有关，流体内部温度存在一定温差，正是这种温差使得流体自由流动而产生自然对流；而依靠外力使得流体流动称之为强迫对流。热辐射是通过电磁波达成能量的转化和传递，热辐射的过程比较复杂。举例说明，导电体当中的部分热能会发生转变，成为电磁波能量，在依靠传播介质空气、真空的基础上向外分散。但是当电磁波与其他物体相遇时，它自身的能量一部分会被分散出去，另一部分会被反弹。而我们设计的开关柜主要的散热方式便是热传导和热辐射。所以解决温升问题除了从发热源方面方面考虑，还要从散热方式这方面想办法。
二 实际温升及发热原因
2.1开关柜设计及日常运行故障问题。
高压开关柜出现问题在不同时期是由不同原因造成的。在设计时期，由于前期准备不够充分，所以选择的开关设备触头容量和实际需要之间误差较大，从而导致触头部分位置发热。在安装调试时期，由于技术不过关导致衔接不过关，接触面积小容易发热。在运行时期，由于前两个时期的问题没有及时发现解决，就导致开关触头有空隙，电流在空隙内局部放电，产生温升发热问题。
2.2老设备系统匹配性能差。
当前电力设备在时代技术发展的前提下也进行了更新换代。部分电力设备会进行改造，但是考虑到成本问题，很多改进的系统还是使用过去老版的电气性能，新设备和老性能之间无法协调，就导致新老设备的质量都参差不齐，性能也不如从前，产生温升发热故障。
2.3外部环境条件因素。
高压开关柜所在的外部环境也是非常关键的，环境过差也会对设备的散热能力产生影响，导致开关柜内部的热量无法散去，加快触头发热问题的产生。
三 温升问题解决方案分析
通过前面的温升原理，我们现从结构设计、日常运行维护等方面分析温升问题的解决方案。
3.1结构设计方面。
3.1.1在发热方面。通过式A、B、C、D分析可知，导电体的发热量与电阻、电流、磁感应强度有关。电流大小取决于负载，暂时不考虑它对温升的影响。下面针对电阻的影响进行分析如下：
1）在设计过程中，导电材料的选择会影响温升，如当负载较大时，我们优先选取紫铜作为导电材料，紫铜导电性能好，可以满足大电流工作；当负载较小时，我们可以选取铝作为导电体；当然必要的时候，我们还会选择铜包铝作为导电体。根据负载的大小选择合适的导电体也可以降低温升影响。
2）在制作工艺上，导电体通常会做表面处理，如镀银、镀锡等，如果想实现降低电阻、减小温升的目标，就要结合实际需求和成本预算选择性价比最高的制作工艺。
3 )在装配工艺方面，可以选择等效螺栓紧固方式，提高夹紧力，减小接触电阻。
4）铜排的折弯以及铜排搭接，都应放一定的裕量，以此减小电阻损耗。【6】
3.1.2在散热方面。分析可知，开关柜的散热量与导电率、辐射率及散热面积有关。所以，设计中可以考虑增加散热表面积，提高辐射率，选择导电率大的铜排和接触连接件等。例如在柜子上开通风散热孔（图2），在下门、柜子顶部等位置开散热窗，加大对流，提高散热速率；另外还要合理规划元器件位置，或者在隔室金属板内表面喷涂黑漆提高辐射率，还可以在柜内加装小风机，增加强迫对流，加速散热。
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3.2日常维护方面。
高压柜在运行过程中，定期清理柜内灰尘蛛网等，保证开关柜的工作环境安全，防止灰尘等杂物使得开关柜工作时导电件发热增加。断路器柜中的触头接触处应特别注意，定期检查维护及清理，维护时可以用毛刷刷干净触头，并涂抹导电膏来降低接触电阻，必要时更换破损触头等接触部件，防止接触电阻过大，工作温升过高发生事故。异常温升会导致严重后果，所以，有些柜子在设计的时候会根据柜子实际工作环境，在柜内增装降温风扇，或者在室内装工业空调，来确保开关柜的运行环境安全，但户外开闭所或变电站就没有好办法了，所以部分客户会提出加设温升实时监测设备，时刻关注柜子温升情况。受新冠疫情影响，红外温度传感器得到了广泛应用，相信在不久的将来，在高压开关温升检测方面的应用也会越来越广泛。
三 结语
在考虑高压开关柜的设计构成时，就要注意将元器件排布紧凑，防护等级高，散热困难。温升问题仍然是开关柜设计时必须解决的重要环节。开关柜在运行过程中，温升问题的解决应从多方面考虑。首先，在设计时，重点考虑开关柜的温升原理，合理设计和选用铜排、触头等重要导电件，绝缘件材料的选择也要考虑其最高允许温度；其次，条件允许的话，可以运用模拟仿真软件进行模拟仿真，为设计提供辅助；再者，日常维护必不可少，及时清除柜内杂物，用导电膏适当润滑触头等接触部位，改善开关柜运行环境，降低温升故障率；最后，温升实时监测设备的运用，将有效降低开关发生温升的概率，让客户用电更放心，确保开关柜更稳定可靠的运行。
参考文献
【1】赵会锋.解决户内高压开关站凝露和温升的新方案[J].电子界,2020,No.587(05):62-63.
【2】、【3】、【4】、【5】徐国政.高压断路器原理和应用[M].清华大学出版社,2000.
【6】杜丽,丁永生,姜富修,等.高压开关柜温升问题分析及解决方案探讨[J].科技创新与应用,2016,000(006):187-187.
作者简介：刘玉铭 1990.2.10 男 山东曹县 汉 本科 机械工程师 上海正昊电力科技有限公司 研究方向:机械设计