如何降低低压开关柜运行温升的研究

如何降低低压开关柜运行温升的研究孙兴民深圳市塔辉电器成套设备有限公司【摘要】：本文分析了低压开关柜运行中发热的原因、主要发热部位和当前常用抽屉式低压开关柜垂直母线室温升过高的原因。

提出了用抽风式母线降低垂直母线室温升的技术方案。

该方案不用安装风机，不消耗能源，完全静止无噪音。

经在国家重点实验室测试，抽风式母线系统可降低垂直母线室温升19.56 ℃。

【关键词】：低压开关柜发热散热降低温升抽风式垂直母线室1低压开关柜的发热1.1低压开关柜的发热源，有以下几种：1.1.1母线（铜排）、导线等载流导体导通电流后导体电阻发热。

1.1.2接触电阻发热。

接触电阻由于导体间接触方式不同，有以下3类情况：a、固定搭接，如铜排之间，铜排、导线与电器端子之间用螺钉固定压接。

固定搭接的接触电阻大于等截面导体的体电阻，所以发热也多。

但若搭接良好，则接触电阻较易控制，发热量也是三种接触电阻发热情况中最小的；b、滑动接触，如抽插式（或称插拔式）开关的滑动进出线桩头，抽屉式开关柜中主电路以及辅助电路接插件，熔断器与熔芯的插拔插槽，各类刀开关的触头接触。

滑动接触的接触电阻远大于固定搭接，其发热量大；c、开合接触，如各类断路器和接触器触头。

开合接触的接触电阻最大，发热量也最大。

1.1.3 热敏电器元件的发热，有以下2种情况：a、熔断器类元件，其熔芯作为过电流的敏感元件，正常运行中会发热；b、热继电器、各类断路器的热保护器件，正常运行中都会发热。

1.1.4 电磁感应产生的发热：a、涡流发热，由于电磁感应在载流导体内部及周围的钢质结构件内产生涡流，导致发热；b、振动发热，由于电磁感应使载流导体周围的钢质结构件受到应力而产生振动，振动使结构件发热。

当系统三次谐波电流较大时尤其明显。

系统三相电路基波电流在载流导体周围产生的磁场相互抵消，发热并不严重。

而三次谐波电流在三相电路周围产生的磁场相互叠加，振动加剧。

一般三次谐波振动发热与涡流发热相伴产生；c、磁路发热，由于磁路中铁芯的磁滞损耗、涡流损耗而发热。

例如分励脱扣、失压脱扣装置的电磁回路，接触器、继电器的吸引线圈磁路，电容补偿装置内的限流和滤波电抗器的磁路，框架开关内的储能电机的铁芯磁路等。

1.1.5 电介质损耗发热，最典型的例子是无功补偿成套装置内电容器的发热。

1.2 低压开关柜的主要发热部位1.2.1 开关单元室，框架开关单元室和塑壳开关单元室是低压开关柜的主要发热部位之一。

塑壳开关单元可以是抽屉式结构或固定分隔式结构，其导体发热和接触电阻发热是主要发热原因。

1.2.2 母线室，有主母线（汇流母线）和配电母线（垂直母线）之分。

主母线一般布置在柜体顶部，电流虽大，但散热条件较好。

抽屉式开关柜的垂直母线一般布置在柜体中部。

垂直母线并作为进入抽屉单元主电路接插件的插座使用，因此，母线导体发热和主电路接插件接触电阻发热是主要发热原因。

垂直母线室是抽屉式开关柜主要发热区域之一。

1.2.3 电缆室，各条出线电缆的发热。

各条电缆导体发热和接触电阻发热是主要发热原因。

1.2.4 无功补偿单元，特别是带滤波功能的无功补偿单元中滤波电抗器和电容器都是大的发热源，所以无功补偿单元也是低压开关柜主要发热区域之一。

本文主要探讨低压抽屉式开关柜中垂直母线室发热严重的原因及应对方法。

2抽屉式开关柜中垂直母线室发热现状2.1垂直母线导体电阻的发热由于柜体结构需要，抽屉式开关柜的垂直母线室必须与电缆室及功能单元室相互隔离，因此，垂直母线必须布置在尺寸受到限制的母线罩或功能板内。

这样，垂直母线的尺寸就受到限制，一般选用断面是60×6mm2的紫铜排（如GCK柜型）和（30＋50）×5mm2的紫铜排（如GCS和MNS柜型）。

以GCS柜为例，垂直母线的导体电阻是：R＝ρ×L／S 式〔1〕式中： R―单根铜母线的电阻，单位Ωρ―铜的电阻率，0.017Ω×mm2／mL―单根铜母线的长度，单位m。

本例取L＝1.8mS―单根铜母线的断面积，本例取S＝375 mm2因此 R＝0.017×1.8／375＝0.0000816Ω而导体发热量是：P＝I2×R 式〔2〕式中： P―单根铜母线的发热量，单位WI―流过铜母线的电流，单位A。

本例取I＝900A三相铜导体，即全部垂直母线的导体电阻发热量是：P1＝3×I2×R＝3×9002×0.0000816＝198.3（W）2.2垂直母线接触电阻的发热2.2.1垂直母线固定搭接部位接触电阻的发热垂直母线固定搭接部位在其上端，用转接铜排将垂直母线与柜顶汇流排相连接，以引入电流。

由于该固定搭接接触电阻较小，且位置在上端，对整个垂直母线温升的影响也小，所以其发热量忽略不计。

2.2.2垂直母线与主电路动插头接触电阻的发热垂直母线作为抽屉单元主电路进线接插件的插座，其与主电路接插件动插头滑动接触电阻的发热是垂直母线发热量的重要来源。

主电路接插件动插头与静插头的滑动接触电阻，或主电路接插件动插头与垂直母线的滑动接触电阻的数值，与插接部位的几何尺寸、材料、触头压力以及运行状态等有关。

以行业上常用的JCZ5型低压抽屉式开关柜主电路接插件为例，其静触头（或垂直母线）由厚度是4-6mm 紫铜排制作，表面镀镍（L形垂直排表面镀锡）。

其动触头由片状铜触头、不导磁的金属支架、压紧用弹簧片和接线铜排组成，片状铜触头和接线铜排表面镀镍。

为满足不同电流等级的要求，上述片状铜触头总成可以是一组或多组。

例如JCZ5-250A以下电流等级为一组片状铜触头结构，JCZ5-400A为二组片状铜触头结构，JCZ5-630A为三组片状铜触头结构。

系列生产的主电路接插件的几何尺寸、材料因素已由生产厂家进行优化，本文只探讨接触压力和运行状态对接触电阻的影响。

分析和实验表明，动、静触头之间的接触压力对接触电阻的数值有重大影响。

以JCZ5-400A主电路接插件为例，随着动、静触头之间的接触压力从较小值逐渐增大时，接触电阻呈下降趋势。

当该压力达到7kg力时，接触电阻趋于稳定；压力再增加时，接触电阻变化不大。

运行状态对接触电阻的影响主要表现在，动、静触头初次插入时，接触电阻较大，随着运行时间的延续，接触电阻逐渐减小。

其微观原因，主要是随着运行时间的延续，动、静触头的接触面趋于良好，所以接触电阻下降，其效果相当于对接触面进行温升和冲击电流的老化试验。

仍以JCZ5-400A主电路接插件为例，经运行时间的延续试验或温升、冲击试验后，其接触电阻最低稳定在60-80μΩ，而初次插入时，接触电阻或数陪于该值。

而JCZ5-250A主电路接插件的接触电阻最低稳定在120-160μΩ。

仍以式〔2〕为条件计算主电路接插件滑动接触电阻的发热量：P＝I2×R式中： P―单极接触电阻的发热量，单位WI―流过单极接触电阻的电流，单位A。

本例按两个400A抽屉，一个250A抽屉设定。

取I1＝I2＝400A I3＝100A 总电流为900AR―单极接触电阻的阻值，单位Ω，本例取R1＝R2＝80×10-6Ω R3＝160×10-6Ω全部接触电阻的发热量是：P2＝6×I12×R1＋3×I32×R3＝6×4002×80×10-6＋3×1002×160×10-6＝81.6（W）全部垂直母线部位的总发热量是：P2＋ P2＝ 198.3＋81.6＝279.9（W）3 抽屉式开关柜中垂直母线室散热现状3.1 垂直母线室结构现状为了对垂直母线进行固定、电气绝缘、间隔隔离和便于各抽屉单元主电路进线插头从垂直母线取得电源，GCS型和MNS型低压抽屉式开关柜将L型垂直母线设置在“功能板”内。

“功能板”为“壳式”结构，将L形垂直母线封闭在其密闭的壳体中，仅留极小插孔供主电路进线插头插入。

该“功能板”主要由外部的罩壳和内部的“衬板”两大部件组成，将L形垂直母线镶嵌在其中；该“功能板”的上、下端口也由上、下封板封闭，L形垂直母线周围没有空气流动的空间。

图1是常用“功能板”方式垂直母线系统结构的断面图。

3.2 垂直母线室散热现状和热路分析如图1所示，L形垂直母线〔3〕是发热源，与其30mm宽端面外侧直接接触的是功能板外壳〔1〕，功能板外壳再后边是柜内空间。

L形垂直母线30mm宽端面内侧与功能板的衬板〔4〕相接触，被功能板外壳和功能板的衬板夹在中间。

L形垂直母线的50mm宽端面镶嵌在衬板的槽形结构里。

衬板与垂直母线的接触面是格子状的，尺寸大约是50mm(高度方向)×55mm(宽度方向)。

格子的肋面壁厚3mm。

肋面从内部顶住垂直母线。

肋面与垂直母线的接触面很小。

格子形成的蜂窝状空间里空气很难流动，因此不能形成对流传(散)热，只能通过传导和辐射方式散热。

这样，从结构上看，L形垂直母线的散热通道可分为两条。

第一条通道是： L形垂直母线30mmm宽端面外侧——视在接触面〔2〕——功能板外壳〔1〕——柜内空间，其热通量传寄过程如图2。

第二条通道是： L 形垂直母线30mm宽端面内侧及50mm宽端面两侧——蜂窝状空间里的空气——功能板衬板〔4〕——柜内空间，其热通量传寄过程与图2相似。

需要说明的是，引入“视在接触面”的概念，是因为从表面上看，L形垂直母线与功能板外壳是紧密接触的，但由于零件制作的不平整，该两物体在“视在接触面”上实际是点接触，绝大部分面积是不接触的。

也就是两物件间还有一个空气狭缝，该狭缝对传热的阻碍作用是不可忽视的。

应用传热学的概念，图2所示传热过程，包含三个传热环节，因此存在三个传热热阻，如图3。

这三个热阻是串联的，通过每个环节的热流量相同，总热阻等于三个分热阻之和。

即:R t= ＋＋式〔3〕由于传热过程总的推动力为△t＝t1－t4 因此，该部分传热（散热）过程热流量为＝式〔4〕1＝式中φ1 --- 该第一通道散热量 w△t --- L形垂直母线最大温升℃，本例取△t＝t1－t4＝70 ℃A1 --- 狭缝的面积 m2, 本例取A1＝A2 ＝ A3 ＝3×55×10-3(m)×1.8﹙m﹚＝0.297m2δ 1 --- 狭缝的厚度 m , 本例取δ1＝0.2×10-3 mδ2 --- 功能板后壁的厚度 m , 本例取δ2＝3×10-3 mλ 1 --- 空气的导热系数, 本例取λ1＝0.029 w/(m×k) 60 ℃时λ2 --- 功能板材料（尼龙66）的导热系数, 本例取λ2＝0.3 w/(m×k)h --- 功能板材料（尼龙66）对空气的表面传热系数, 本例取h＝5w/(m2×k)将以上数据代入式〔4〕，得到：φ1＝95 w同理可估算出第二条通道的散热量。