10kV开关柜发热问题的解析方案
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10kV开关柜发热问题的解析方案
摘要：本文对10kV KYN28高压开关柜发热原因进行了分析，特别是对10kV
4000A大电流开关柜发热问题进行了剖析，在实践中采取了改进散热条件，加强通风；进行触头改造，增加载流量的有效措施，取得了良好效果。
关键词：开关柜发热原因分析解决方案
1、概述
国内10KV高压开关柜广泛使用的是KYN28封闭式开关柜，其开关柜体具有结构紧凑、防护性能好、操作简单、维护方便等特点，其备主要分布在断路器室、母线室、电缆室、控制室4个相互独立的隔室内，柜体防护等级为IP4X，各隔室防护等级为IP2X。采用金属全封闭结构，除实现电气连接、控制、通风而必须在隔板上的开孔外，所有隔室呈封闭状态。一面独立的开关柜体内，除断路器真空灭弧室内主触头外，还有断路器自身结构、触头与铜母排三相共24个流过负荷电流的连接点以及柜体连接母线铜排、电流互感器、出线电缆等连接点。这些连接点运行中都会不同程度发热。
对于用户，由于节约成本，所选的断路器都接近于满载运行，因开关柜处于密封状态，运行人员对其温度测量的难度大，如开关柜内没有内置测温措施，运行时产生的发热问题就不能及时发现，会造成生设备烧坏等事故。
2、110kV站系统主接线、开关及设备配置
110kV变电站内设计两回110kV电源进线，4台63000kVA（110/10.5kV）电力变压器，110kV主接线为单母线分段，110kV开关设备为室内GIS成套组合电器，每段110KV母线带2台主变，10kV为单母线分段。10kV高压开关设备选用KYN28开关柜，除开关选用上海SIEMENS真空断路器外，开关柜体、静触头等均由开关柜成套厂自配
3、运行中发现问题
110kV变电站投入运行后，当主变负荷达到50MVA，10kV侧电流3000A时，主变10kV侧4000A手车开关触头温度达85℃左右，柜后门板温度达50℃左右（环境温度30℃）。为了维持运行，只能打开开关柜前门，外接轴流风机冷却降温，同时将主变负荷控制在50MVA。
4、发热的原因分析及措施
为了保证开关的安全运行，在没有确认柜体发热原因之前，运行时采取限制负荷、外接轴流风机对开关柜进行强制风冷的措施。对有可能产生发热因素进行分析：
4.1 开关柜制造装配、施工、检修质量不高。断路器动静触头位置偏差过大，接触不良。
4.2 接触面氧化、脏污等，增加了接触电阻。
4.3 梅花触头束紧弹簧腐蚀、机械疲劳等原因，失去弹力。
4.4 手车设计的极帽与触臂接触面过小，不满足截流面积的要求。
4.5 静触头设计不合理，过长或过短。过长时触臂端面与静触头端面太近，减少了散热空间，过短会与梅花触头接触不良发热。
4.6 频繁切断故障电流，灭弧室内动、静触头接触电阻变大。
4.7 长期负荷过大、突变，温度超过规定温升，材料变形、氧化，接触电阻增加。
4.8 开关柜通风设计理念不合，公司虽选用的是上海SIEMENS真空断路器，但其成套柜为国产KYN28开关柜型，开关柜内只在断路器室底部装有一个滚筒式小功率风机，母线室没有风机。运行中动、静触头等接触点的发热量无法从开关柜内带出。根据实际情况对开关柜通风系统进行改造。
4.9 环境温度过高。检查开关室内空调的制冷效果，必要时在开关室加装排风扇，加速热量的循环。
5、停电检查及处理措施。
停电检查时，对以上分析中对可能产生过热的原因进行全面排查，逐一排除。在拉出断路器手车后，发现其动静触头过热变色严重，测量静触头和动触头的插入深度时，发现动触头端面同静触头端面已基本接触。厂家现场对断路器和开关柜体内所有连接部位进行检查，排除了断路器自身和开关柜装配、施工的问题。 将现使用国产KYN28封闭式开关柜型与ABB、SIEMENS开关柜型工艺、结构、设计理念比较和分析时，发现其柜体通风设计以及SIEMENS开关本体动触头和开关柜厂家配套的静触头结构均存在严重的问题。结合本厂开关柜的实际情况对柜体通风和开关静触头做了改造：
5.1 柜体通风的改造。
针对KYN28开关柜的通风只在3150A及以上大功率断路器室的下部设有一个轴流风机，没有设计出风口，在母线室没有任何通风设施，开关触头和母线连接处产生的热量无法散出的改造措施如下：
（1）在每台开关柜断路器室和母线室柜顶分别加装4台AC380V转速为2800/3200，风量200/220CFM，型号为KA1525HA2-2（IP55）/Mg和转速为2900/3400，风量950/1100CFM，型号为 KA2072HA2-2（IP55）/Mg排风机，加快开关室和母线室空气流通。
（2）将每1台开关柜断路器室柜顶和母线室柜顶各1台风机组分为1组，将8台风机分为4组，每组风机可通过一个C65N-4P/2P微型空开进行控制。根据断路器运行温度决定风机启动的组数。
（3）前下门有机玻璃观察窗更换为带网孔的网板，增加进风量。
（4）取消原断路器室下方小功率滚筒式风机，保持风道畅通。
5.2 开关静触头的改造。
根据开关触头发热的程度和测量开关在工作位置时动梅花触头与静触头接触深度的测量，在解决动触臂梅花触头与静触头之间插入过深，静触头内部产生的热量无法散出的问题改造措施如下：
（1）减少静触头长度10mm，在增加热量散发空间的同时，也要保证静触头与触指很好的接触。
（2）增加静触头壁厚，从而增加了触头自身的载流面积。
改造前静触头的面积为：
S1=（R2－r12）=3.14×[（109÷2）2－（71÷2）2] =5369.4 mm²
改造前电流密度为
J1=I/S=4000÷5369.4=0.7449A/mm²
改造后静触头的面积
S2=（R2－r22）=3.14×[（109÷2）2－（61÷2）2]=6405.6 mm²
改造后电流密度：
J2=I/S=4000÷6405.6=0.6245A/mm²
改造后电流密度减小为
J1-J2=（0.7449－0.6245）÷0.7449 =16.72%
通过以上计算可知，改造后静触头的电流密度比改造前静触头的电流密度减小了16.72%，有效降低了静触头运行期间的发热。
6、结束语
通过以上改造后投入运行，当主变负荷达到54MVA左右，10kV侧电流3200A左右时，开关温度均在60℃以下（环境温度30℃），取得了较为满意的效果。
KYN28高压开关柜在运行中发热的原因很多，针对设备在运行中，随着时间、环境、负荷等因素变化所产生不同程度的发热问题。关键要采取有针对性的措施，才能收到较好的效果。特别强调：
6.1 产品出厂时考虑配备（或在已有设备上加装）自动测温装置，特别是大电流的开关柜。当温度超过设备发热允许温度时，发出警告信号或跳闸。
6.2 对大电流开关柜，设计断路器和母线室等专用散热通风通道，必要时增加通风设施。
6.3 尽量选择品牌的且与断路器成套的开关柜体。
6.4 加强巡视，及时发现异常，做好定检定修，确保设备完好。
参考文献：
[1]周鹤良.电气工程师手册[M].北京：中国电力出版社，2011.
[2]张涛.苏长宝.高压开关柜安装与检修[M].北京：中国电力出版社，2014
