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氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備簡稱高壓充氣柜，采用SF6或其他氣體作為絕緣介質(zhì),將斷路器、隔離開關(guān)和母線等一次元器件集中密閉在低壓力充氣箱體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)一次主接線部分與外部環(huán)境隔離。產(chǎn)品具有體積小、安全性好和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
由于高壓充氣柜一次接線部分密封在充氣箱體內(nèi)，相比普通的開關(guān)柜，運(yùn)行時(shí)能量過于集中且散熱環(huán)境差。溫升過高，直接影響設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，如果不加以控制，過熱程度會(huì)不斷積聚,而使相鄰的絕緣部件性能劣化，甚至擊穿造成事故。因此溫升控制作為生產(chǎn)制造的重要環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝對(duì)其有重要的影響。
溫升控制分析
高壓充氣柜溫升取決于發(fā)熱量與散熱量的最終平衡,所以根本上應(yīng)從減少發(fā)熱功率和增加散熱功率兩方面入手。
1.1 減少發(fā)熱功率(發(fā)熱抑制技術(shù))
根據(jù)P1 =I2R可知要減少發(fā)熱功率，則需減少氣箱內(nèi)載流元器件的電阻,氣箱內(nèi)載流元器件的電阻影響因素可分為以下幾種。
(1)導(dǎo)體電阻。與導(dǎo)體材料(電阻率)、截面(包括截面積和截面形狀)和長度有關(guān)。
采取措施:
1)采用固封技術(shù)可以縮短導(dǎo)體長度，從而可減少發(fā)熱。
2)設(shè)計(jì)時(shí)盡量縮短載流路徑。
3)對(duì)導(dǎo)體的電阻率應(yīng)予控制,T2銅的導(dǎo)電率可達(dá)到56以上。
4)選擇本體電阻小的真空滅弧室。
5)導(dǎo)體的折彎半徑盡可能大，并避免折彎破裂。
6)CT 外置，采用穿芯式結(jié)構(gòu)，且降低CT本體回路電阻。
7)導(dǎo)體截面選擇應(yīng)合適，以滿足載流的需要。
(2)動(dòng)靜接觸電阻。與導(dǎo)體的表面處理,接觸方式、接觸面積和接觸壓力有關(guān)。
采取措施:
1)增大并控制接觸壓力。其會(huì)受人為因素影響，故需控制。
2)加大接觸面積。導(dǎo)電接觸面采用鍍銀、鍍錫處理,涂抹凡士林或?qū)щ姼嗫商岣哂行Ы佑|面積。
3)減少連接點(diǎn)。每個(gè)連接點(diǎn)的發(fā)熱量相當(dāng)于500~ 1 000 mm長的導(dǎo)體發(fā)熱量。
4)裝配保證自然貼合，設(shè)計(jì)上采用十字交叉孔搭接連接。
(3)大電流時(shí),載流導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。
采取措施;
1)考慮趨膚效應(yīng)的影響，減薄銅排厚度，圓柱形導(dǎo)體采用中空狀，以節(jié)約材料并利于散熱。
2)不同相導(dǎo)體布置或同相雙排布置時(shí),導(dǎo)體間距盡可能增大。
3)避兔采用直角彎。
(4)氣箱或套管等用導(dǎo)磁材料時(shí),渦流磁滯損耗。渦流損失引起的發(fā)熱可由下式給出
采取措施:
1)載流導(dǎo)體穿越金屬箱體或柜體時(shí),導(dǎo)磁材料應(yīng)三相共筒，否則采用非導(dǎo)磁性材料。
2)典型的非導(dǎo)磁性材料如奧氏體不銹鋼、鋁等。
3)電流穿過部分采用插入縫隙增加阻力的技術(shù)。
4)滅弧室靜端部位等溫室高的地方連接螺栓采用不銹鋼材質(zhì)。
在高壓充氣柜中，真空滅弧室回路電阻通常占斷路器的50%以上，觸頭間接觸電阻是真空滅弧室回路電阻的主要組成部分。觸頭各級(jí)系統(tǒng)密封于真空滅弧室，產(chǎn)生的熱量只能通過動(dòng)、靜觸頭導(dǎo)電桿向外部散熱。滅弧室靜端直接與支架連接，動(dòng)端則通過導(dǎo)電夾、軟連接與動(dòng)支架相連,由于動(dòng)端連接環(huán)節(jié)較多，導(dǎo)熱路徑較長，所以真空斷路器溫升的最高點(diǎn)多集中于動(dòng)導(dǎo)電桿與導(dǎo)電夾連接部位。對(duì)我公司產(chǎn)品而言，多集中于彈簧觸指處，所以該部位的溫升控制是整個(gè)產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)。
1.2增加散熱功率(傳熱技術(shù))
高壓充氣柜的散熱步驟為:
1)箱內(nèi)載流元件發(fā)熱并傳導(dǎo)至散熱裝置。
2)高溫導(dǎo)體(含散熱裝置)通過對(duì)流、輻射方式向周圍絕緣介質(zhì)及氣箱壁散熱。
3)氣箱內(nèi)表面吸熱并通過熱傳導(dǎo)方式將熱傳遞至全氣箱外壁。
4)氣箱外壁向周圍熱對(duì)流、熱輻射散熱。
典型的散熱原理包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。(1)熱傳導(dǎo)是物體上溫度不均勻或有溫差時(shí)熱能移動(dòng)的現(xiàn)象，這是在固體內(nèi)的主要傳熱現(xiàn)象。熱傳導(dǎo)功率可由下式估算
采取措施:
1)銀、銅和鋁的熱導(dǎo)率較高,從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，常采用鋁或鋁合金制品作為散熱裝置的材質(zhì)。
2)導(dǎo)體接觸面敷銀可提高導(dǎo)熱效果。
3)加裝散熱裝置時(shí),散熱組件與熱源的接觸熱阻抗應(yīng)減小，對(duì)高壓充氣柜而言，即散熱裝置與銅排的接觸電阻。
4)散熱裝置與熱源連接時(shí)，可涂抹導(dǎo)熱膠或?qū)岣?/span>(又稱導(dǎo)熱硅脂、散熱膏和散熱硅脂)，其功用是克服金屬接觸面的微小縫隙,減少熱阻。
5)散熱裝置采用銅底，銅底可以鋁合金散熱器采用爆炸焊接方式獲得較優(yōu)連接。
SF6氣體的熱導(dǎo)率相當(dāng)于空氣(純氮與空氣性質(zhì)相近)的3/4，定壓比熱容相當(dāng)于空氣的0.6倍,因此熱傳導(dǎo)能力比空氣差。但是實(shí)際氣體的傳遞過程主要是對(duì)流傳遞，即由于分子的流動(dòng)，攜帶熱量轉(zhuǎn)移，SF6分子量大,比熱也是空氣的4倍,對(duì)流傳遞能力要優(yōu)于空氣。因而,在充氣壓力為1400mbar時(shí),其總體導(dǎo)熱性能要優(yōu)于空氣(約為空氣的2~3倍)。
(2)熱對(duì)流是物體表面與相接觸的流體間有溫差時(shí)出現(xiàn)的傳熱現(xiàn)象。柜體表面、氣箱表面或熱源表面的自然對(duì)流散熱可用下式估算
說明:用于高海拔、高溫度環(huán)境時(shí)，對(duì)流散熱能力減弱,要保持相同的允許溫升,則需提高空氣流動(dòng)率。
采取措施:
1)設(shè)計(jì)專用散熱裝置，一般采用具有較好熱傳導(dǎo)性能的金屬材料，增大散熱表面積，以增加熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射效率。
3)風(fēng)道效應(yīng)。增加風(fēng)道高度差,并盡量使吸氣口面積和排氣口面積相匹配。如絕緣簡立放。
4)附加氣箱散熱罩,提高散熱表面積。
5)強(qiáng)制風(fēng)冷，但需注意應(yīng)選用質(zhì)量較好的品牌產(chǎn)品，以避免失效或停電更換。
6)功率損耗較高的元件置于開關(guān)柜的下部，以取得******的散熱效果。
7)設(shè)計(jì)采用散熱。
(3)熱輻射是物體以電磁波的形式傳遞能量的方式。熱輻射散熱可用下式估算
下表給出了金屬表面輻射系數(shù)8與太陽光的吸收率示例。
說明:
1)輻射與吸收均與輻射波長有光。
2)溫度不同的物體波長不同。
3) 115℃以下電器導(dǎo)體輻射波均為可視光波波長的紅外線，輻射系數(shù)與涂敷材料的顏色無關(guān)。
4)太陽的表面溫度近6000 K，輻射波長短,涂敷材料顏色不同，太陽光吸收率差別較大。
5)金屬雖具有較好的熱傳導(dǎo)性能，但其表面較光
亮?xí)r,輻射系數(shù)較低,常需涂敷或陽極處理以增加描射系數(shù)。
6)同一高壓充氣柜的熱輻射散熱效果會(huì)隨周圍環(huán)境溫度的升高而減弱,海拔不會(huì)影響輻射散熱
效果。
7)輻射系數(shù)高的物體，處于較高溫度時(shí)則為良好的輻射散熱體，處于較低溫度時(shí)則為良好的輻射吸熱體。
采取措施:
1)導(dǎo)體表面及氣箱外表面涂敷散熱降溫涂料:金屬散熱裝置雖然具很好的熱導(dǎo)性,但輻射系數(shù)低,采用散熱涂料，則可提高熱輻射系數(shù)，從而達(dá)到降溫的目的，可涂于銅排表面或氣箱外壁。
2)散熱器表面進(jìn)行陽極處理。
3)絕緣筒環(huán)氧樹脂外殼加工成深褐色。
2總結(jié)
高壓充氣柜在我國已經(jīng)有多年的發(fā)展過程,大量的試驗(yàn)及運(yùn)行記錄積累了許多重要資料。我公司通過不斷的摸索，采取相應(yīng)措施,有針對(duì)性對(duì)高壓充氣柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作工藝進(jìn)行不斷的改進(jìn),減少系統(tǒng)損耗,降低系統(tǒng)發(fā)熱量,增強(qiáng)箱體的散熱能力，在自然散熱的條件下,完全能夠?qū)崿F(xiàn)解決溫升問題。
