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摘要：KYN28A-12型10kV中置式开关柜发热问题改善可以从发热损耗抑制与散热效果提升两方面进行分析。在发热问题，降低接触电阻减小电阻热效应、抑制涡流和磁滞损耗是主要手段;在散热方面，通过设计合理的导体结构、增大导体散热面积、优化柜内换气通道强迫风冷等一系列方法可以达成理想的效果。
关键词：中置式开关柜;发热;散热
引言
KYN28A-12型10kV中置式开关柜具有绝缘性能良好、操作可靠、五防功能齐全、运行可靠等优点，在城市电网中占据越来越大的比重，但局部过热现象时有发生，容易加速导体氧化以及绝缘材料老化，降低运行可靠性。开关柜设计时，发热、散热通风问题成了结构设计时首要考虑的内容，研究10kV开关柜发热问题，改善开关柜结构与性能对电力系统安全稳定性具有重要意义。
1 10kV中置式开关柜简介
KYN28A-12是中置式开关柜的常见型号，其中K表示铠装金属封闭开关设备，Y表示移动式，N表示户内型，28A为设计系列序号，12kV表示额定电压等级。
1）开关柜结构
10kV中置式开关柜主要由固定的柜体和可移动的真空断路器手车两大部分组成，柜体又可分为母线室、断路器室、电缆室、继电器仪表室四个部分，主要部件有开关手车、操作机构、断路器、接地开关、互感器、保护装置等。
开关柜结构示意图
2）开关柜的发热与散热
A）热量来源
开关柜柜内发热主要来源于电流流过电阻产生的热效应以及交变磁场在周围导磁金属材料中发生的涡流损耗。
一是开关柜内导体热效应产生热量。电阻热效应的计算公式是P=I2R。电流大小主要受负荷影响，负荷增加流经开关柜内导体的电流大小也随之增加;接触电阻过大则可能造成接觸电阻剧增从而引起局部过热，甚至使触头发生熔焊。
二是涡流损耗发热。柜内金属隔板在交变磁场的作用下，将在隔板截面内产生涡流从而引起隔板发热，该发热量与金属导磁性、导电性、截面积有密切关系。
B）散热途径
一般认为，导热的方式有热传导、对流、辐射。对流是指流体内部由于各部分温度、密度不同，从而在重力作用下造成的相对流动，是开关柜内最为重要的散热途径。
3）开关柜温升试验标准
由于开关柜的运行情况复杂多样，精确的理论计算非常困难，在热稳定计算的基础上通常实际生产投运前会抽查开关柜温升试验。
温升试验一般从开关柜母线室分支母线通过铜排引出施加电压，通过升压使导体电流达到额定电流的1.1倍，每隔一段时间记录一次测温点数据，前后两次温差无变化则认为温度稳定，此时测温数据减去环境温度即为温升试验数据。
2 发热问题改进
1）发热损耗抑制
开关柜柜内发热主要来源于电流流过电阻产生的热效应以及交变电流在周围导磁金属材料中发生的涡流损耗。
A）限制接触电阻
影响接触电阻的因素主要有材料性质、表面涂敷、接触面积与平整程度和接触压力等几个方面：
一是材料性质。对开关柜而言，对触头的要求主要是以下两点：一是长期工作中，要求电接触在长期通过额定电流时，温升不超过标准要求，接触电阻要保持稳定;二是在短时通过短路电流时，要求电接触不发生熔焊或触头材料的喷溅等。一般触头使用纯铜材质，表面镀银处理。
二是表面涂敷。在触头位置涂抹滴点高、有效时间长的电力复合脂，一方面可阻断触头表面与空气（O2、水分等）接触产生电化学腐蚀，另一方面增大了有效接触面，有效降低了接触电阻。
三是改善接触面积与表面平整度。开关柜内动静触头的接触面积通常与梅花触头数量、触头直径以及触头插入深度有关，触头直径越大、梅花触头数量越多、插入深度约深，则接触面积越大、接触电阻越小。
四是保证接触压力。动静触头的表面压力主要与弹簧数量、弹簧劲度系数、弹簧直径、触头对中性有关。
B）降低涡流和磁滞
我局规定，对于额定电流≥3150A的开关柜及隔离柜，其前柜上隔板、后柜顶板、后柜母线室上隔板、后柜母线室封板、后柜中弯板、穿墙套管安装隔板等导流导体进出磁感应隔板，必须采用非导磁的不锈钢板。对于额定电流1250A及以下开关柜，后柜母线室穿墙套管封板必须采用非导磁的不锈钢板，其它分支穿透的隔板应采用冷轧钢板或敷铝锌板。
2）散热效果提升
A）导体结构
开光柜内母线、各跨线桥、以及主变变低都采用了母排结构，其设计需考虑载流量、电晕、动稳定、热稳定等因素。通常采用薄而宽的矩形、槽形、圆管形等导体形状，矩形母排、管形导体最为常见。
B）导体颜色
实践证明当物体为辐射源时，物体表面颜色越深则辐射能力越强，故部分厂家在设计中采用非接触面采取表面涂黑漆的处理方式。
C）导体散热面积
为增加导体散热面积，通常在开关柜内温度高、易发热的导体表面上安装散热装置，通过导体与散热器的接触直接传导热量。散热器一般具有良好的导热性，并制作成特殊的长条形或圆管形等形状，增加与空气的接触面积，从而获得良好的散热效果。
D）换气通道优化
当设计中导体拥有足够的散热面积时，换气通道的设计尤为重要。开关柜内导体周围的空气被不断的加热，减小了空气密度，热空气上升，冷空气下降，从而形成自然对流。 我局规定，对于3150A及以上大电流柜静触头盒需与静触头配套，为五孔型，且不应用全密封形式，静触头盒上应有对流风道或采用热管传导式散热器，以满足温升要求。
E）强迫风冷
强迫风冷是通过外置风机强制改变空气流动方向，加速导体周围空气流动速度，加快热量的传递。加装风机是当前众多厂家提升大电流柜散热效果、解决温升试验不合格问题的主要手段，根据热空气上升冷空气沉降的原理，一般采取下柜进风、柜顶出风的强风路径。
3 典型发热缺陷案例分析
1）110kV某变电站10kV某线F15开关柜母线室故障
2015年03月21日，110kV某变电站站10kV某线F15开关柜母线测量温度47℃，周围其他位置最高24℃，即刻电流仅为68A，当天最高值为90A，发热现象明显。紧急停电后发现，断路器手车C相母线侧动触头和动触头臂以及极柱上端严重烧损，活门内C相母线侧静触头、静触头盒以及分支母线同样烧损严重。
通过停电检查分析后，故障原因总结为静触头和分支母线固定螺丝未紧固，表面接触压力小，接触面存在缝隙导致接触电阻偏大，导体发热形成氧化层后接触电阻进一步增大，引起恶性循环，最终导致动静触头、触头压紧弹簧、绝缘护套等位置过热熔化。
2）110kV某变电站温升不合格处理
2018年8月，由广州广高高压电器有限公司提供的开关柜温升试验结果不合格。大电流柜测量指标中，触头最高温升76.1（K），用螺栓的或与其等效的联结最高温升74.1（K），正常操作中可触及的部件最高温升29.4（K），正常操作中不需触及的部件最高温升41.8（K），均超过有关标准;小电流柜导体表面温升限值超出技术条件书要求值，触头最高温升59.8（K），用螺栓的或与其等效的联结最高温升62.4（K）。
★注：外壳温升在正常操作中可触及的部件不超过20K，在正常操作中不需触及的不超30K，导体表面和对接触头部位温升不得超过55K。
厂家给出的原因分析及其整改措施如下：
原因分析
①动静触头采用1250A的常规参数（静触头为?49、梅花触头触指30片）;
②静触头与触头盒连接用的螺栓为普通钢质螺栓;
③4000A开关柜抽风机功率小（断路器室顶泄压通道抽风机3只，功率功率35W;主母线室顶泄压通道抽風机3只，功率功率35W）。
整改措施
①梅花触头、静触头换成1250A加强型（静触头为?55、梅花触头触指36片）;
②静触头与触头盒连接用的螺栓换成不锈钢内六角螺栓;
③采用力矩扳手紧固螺栓，拧紧力达到要求值：45～59N.M;
④4000A开关柜抽风机功率加大（断路器室顶泄压通道抽风机3只，功率功率65W;主母线室顶泄压通道抽风机6只，功率功率65W）。
4 总结与提升
针对开关柜发热问题，总结出一些设备验收和检修维护中值得关注的地方。
1）开关柜验收
一是重点关注动静触头、梅花触头触指数量、弹簧数量与尺寸规格、插入深度是否符合技术标书及行业标准，触头对中性是否良好。
二是关注母排结构、散热片、导体颜色、换气通道、大电流柜风机等内容，了解开关柜散热性能。
三是借助温升试验、直阻测试等手段，严格按照深圳供电局技术标书的标准进行把关。
2）检修维护
一是红外测温时应把握“外壳温升在正常操作中可触及的部件不超过20K，在正常操作中不需触及的不超30K”的原则，若表面温度过高，可能存在内部发热的情况。
二是母线及开关柜维护时，应重点关注触头运行工况以及母线室环境。
触头情况
应观察柜内动静触头对中性、深入深度、润滑程度等问题。
（1）对中性方面，可以通过静触头座外面表磨痕的均匀程度结合手车在摇进摇出过程中触头分合前后手车升降情况进行判断;
（2）深入深度可以测量静触头表面磨痕深度与静触头外平面的距离粗略测算，应落在15mm—25mm区间内。
连接位置紧固程度
检查开关柜内电流互感器引线接头、电缆与母排联接接头等位置螺栓是否紧固良好，防止在运行中发生振动松动。
开盖检查
清扫
（1）清理柜体顶部盖板及泄压通道，提升开关柜散热效果;
（2）母排接触面应平整紧密，无发热变色，螺栓及垫片应齐全稳固;
（3）检查母线室内穿墙套管、支持绝缘子表面整洁，无裂痕和放电痕迹;
（4）主导体母排包覆的绝缘套应完好，裸露部分无锈蚀。
参考文献
关键词：中置式开关柜;发热;散热
引言
KYN28A-12型10kV中置式开关柜具有绝缘性能良好、操作可靠、五防功能齐全、运行可靠等优点，在城市电网中占据越来越大的比重，但局部过热现象时有发生，容易加速导体氧化以及绝缘材料老化，降低运行可靠性。开关柜设计时，发热、散热通风问题成了结构设计时首要考虑的内容，研究10kV开关柜发热问题，改善开关柜结构与性能对电力系统安全稳定性具有重要意义。
1 10kV中置式开关柜简介
KYN28A-12是中置式开关柜的常见型号，其中K表示铠装金属封闭开关设备，Y表示移动式，N表示户内型，28A为设计系列序号，12kV表示额定电压等级。
1）开关柜结构
10kV中置式开关柜主要由固定的柜体和可移动的真空断路器手车两大部分组成，柜体又可分为母线室、断路器室、电缆室、继电器仪表室四个部分，主要部件有开关手车、操作机构、断路器、接地开关、互感器、保护装置等。
开关柜结构示意图
2）开关柜的发热与散热
A）热量来源
开关柜柜内发热主要来源于电流流过电阻产生的热效应以及交变磁场在周围导磁金属材料中发生的涡流损耗。
一是开关柜内导体热效应产生热量。电阻热效应的计算公式是P=I2R。电流大小主要受负荷影响，负荷增加流经开关柜内导体的电流大小也随之增加;接触电阻过大则可能造成接觸电阻剧增从而引起局部过热，甚至使触头发生熔焊。
二是涡流损耗发热。柜内金属隔板在交变磁场的作用下，将在隔板截面内产生涡流从而引起隔板发热，该发热量与金属导磁性、导电性、截面积有密切关系。
B）散热途径
一般认为，导热的方式有热传导、对流、辐射。对流是指流体内部由于各部分温度、密度不同，从而在重力作用下造成的相对流动，是开关柜内最为重要的散热途径。
3）开关柜温升试验标准
由于开关柜的运行情况复杂多样，精确的理论计算非常困难，在热稳定计算的基础上通常实际生产投运前会抽查开关柜温升试验。
温升试验一般从开关柜母线室分支母线通过铜排引出施加电压，通过升压使导体电流达到额定电流的1.1倍，每隔一段时间记录一次测温点数据，前后两次温差无变化则认为温度稳定，此时测温数据减去环境温度即为温升试验数据。
2 发热问题改进
1）发热损耗抑制
开关柜柜内发热主要来源于电流流过电阻产生的热效应以及交变电流在周围导磁金属材料中发生的涡流损耗。
A）限制接触电阻
影响接触电阻的因素主要有材料性质、表面涂敷、接触面积与平整程度和接触压力等几个方面：
一是材料性质。对开关柜而言，对触头的要求主要是以下两点：一是长期工作中，要求电接触在长期通过额定电流时，温升不超过标准要求，接触电阻要保持稳定;二是在短时通过短路电流时，要求电接触不发生熔焊或触头材料的喷溅等。一般触头使用纯铜材质，表面镀银处理。
二是表面涂敷。在触头位置涂抹滴点高、有效时间长的电力复合脂，一方面可阻断触头表面与空气（O2、水分等）接触产生电化学腐蚀，另一方面增大了有效接触面，有效降低了接触电阻。
三是改善接触面积与表面平整度。开关柜内动静触头的接触面积通常与梅花触头数量、触头直径以及触头插入深度有关，触头直径越大、梅花触头数量越多、插入深度约深，则接触面积越大、接触电阻越小。
四是保证接触压力。动静触头的表面压力主要与弹簧数量、弹簧劲度系数、弹簧直径、触头对中性有关。
B）降低涡流和磁滞
我局规定，对于额定电流≥3150A的开关柜及隔离柜，其前柜上隔板、后柜顶板、后柜母线室上隔板、后柜母线室封板、后柜中弯板、穿墙套管安装隔板等导流导体进出磁感应隔板，必须采用非导磁的不锈钢板。对于额定电流1250A及以下开关柜，后柜母线室穿墙套管封板必须采用非导磁的不锈钢板，其它分支穿透的隔板应采用冷轧钢板或敷铝锌板。
2）散热效果提升
A）导体结构
开光柜内母线、各跨线桥、以及主变变低都采用了母排结构，其设计需考虑载流量、电晕、动稳定、热稳定等因素。通常采用薄而宽的矩形、槽形、圆管形等导体形状，矩形母排、管形导体最为常见。
B）导体颜色
实践证明当物体为辐射源时，物体表面颜色越深则辐射能力越强，故部分厂家在设计中采用非接触面采取表面涂黑漆的处理方式。
C）导体散热面积
为增加导体散热面积，通常在开关柜内温度高、易发热的导体表面上安装散热装置，通过导体与散热器的接触直接传导热量。散热器一般具有良好的导热性，并制作成特殊的长条形或圆管形等形状，增加与空气的接触面积，从而获得良好的散热效果。
D）换气通道优化
当设计中导体拥有足够的散热面积时，换气通道的设计尤为重要。开关柜内导体周围的空气被不断的加热，减小了空气密度，热空气上升，冷空气下降，从而形成自然对流。 我局规定，对于3150A及以上大电流柜静触头盒需与静触头配套，为五孔型，且不应用全密封形式，静触头盒上应有对流风道或采用热管传导式散热器，以满足温升要求。
E）强迫风冷
强迫风冷是通过外置风机强制改变空气流动方向，加速导体周围空气流动速度，加快热量的传递。加装风机是当前众多厂家提升大电流柜散热效果、解决温升试验不合格问题的主要手段，根据热空气上升冷空气沉降的原理，一般采取下柜进风、柜顶出风的强风路径。
3 典型发热缺陷案例分析
1）110kV某变电站10kV某线F15开关柜母线室故障
2015年03月21日，110kV某变电站站10kV某线F15开关柜母线测量温度47℃，周围其他位置最高24℃，即刻电流仅为68A，当天最高值为90A，发热现象明显。紧急停电后发现，断路器手车C相母线侧动触头和动触头臂以及极柱上端严重烧损，活门内C相母线侧静触头、静触头盒以及分支母线同样烧损严重。
通过停电检查分析后，故障原因总结为静触头和分支母线固定螺丝未紧固，表面接触压力小，接触面存在缝隙导致接触电阻偏大，导体发热形成氧化层后接触电阻进一步增大，引起恶性循环，最终导致动静触头、触头压紧弹簧、绝缘护套等位置过热熔化。
2）110kV某变电站温升不合格处理
2018年8月，由广州广高高压电器有限公司提供的开关柜温升试验结果不合格。大电流柜测量指标中，触头最高温升76.1（K），用螺栓的或与其等效的联结最高温升74.1（K），正常操作中可触及的部件最高温升29.4（K），正常操作中不需触及的部件最高温升41.8（K），均超过有关标准;小电流柜导体表面温升限值超出技术条件书要求值，触头最高温升59.8（K），用螺栓的或与其等效的联结最高温升62.4（K）。
★注：外壳温升在正常操作中可触及的部件不超过20K，在正常操作中不需触及的不超30K，导体表面和对接触头部位温升不得超过55K。
厂家给出的原因分析及其整改措施如下：
原因分析
①动静触头采用1250A的常规参数（静触头为?49、梅花触头触指30片）;
②静触头与触头盒连接用的螺栓为普通钢质螺栓;
③4000A开关柜抽风机功率小（断路器室顶泄压通道抽风机3只，功率功率35W;主母线室顶泄压通道抽風机3只，功率功率35W）。
整改措施
①梅花触头、静触头换成1250A加强型（静触头为?55、梅花触头触指36片）;
②静触头与触头盒连接用的螺栓换成不锈钢内六角螺栓;
③采用力矩扳手紧固螺栓，拧紧力达到要求值：45～59N.M;
④4000A开关柜抽风机功率加大（断路器室顶泄压通道抽风机3只，功率功率65W;主母线室顶泄压通道抽风机6只，功率功率65W）。
4 总结与提升
针对开关柜发热问题，总结出一些设备验收和检修维护中值得关注的地方。
1）开关柜验收
一是重点关注动静触头、梅花触头触指数量、弹簧数量与尺寸规格、插入深度是否符合技术标书及行业标准，触头对中性是否良好。
二是关注母排结构、散热片、导体颜色、换气通道、大电流柜风机等内容，了解开关柜散热性能。
三是借助温升试验、直阻测试等手段，严格按照深圳供电局技术标书的标准进行把关。
2）检修维护
一是红外测温时应把握“外壳温升在正常操作中可触及的部件不超过20K，在正常操作中不需触及的不超30K”的原则，若表面温度过高，可能存在内部发热的情况。
二是母线及开关柜维护时，应重点关注触头运行工况以及母线室环境。
触头情况
应观察柜内动静触头对中性、深入深度、润滑程度等问题。
（1）对中性方面，可以通过静触头座外面表磨痕的均匀程度结合手车在摇进摇出过程中触头分合前后手车升降情况进行判断;
（2）深入深度可以测量静触头表面磨痕深度与静触头外平面的距离粗略测算，应落在15mm—25mm区间内。
连接位置紧固程度
检查开关柜内电流互感器引线接头、电缆与母排联接接头等位置螺栓是否紧固良好，防止在运行中发生振动松动。
开盖检查
清扫
（1）清理柜体顶部盖板及泄压通道，提升开关柜散热效果;
（2）母排接触面应平整紧密，无发热变色，螺栓及垫片应齐全稳固;
（3）检查母线室内穿墙套管、支持绝缘子表面整洁，无裂痕和放电痕迹;
（4）主导体母排包覆的绝缘套应完好，裸露部分无锈蚀。
参考文献
[1] 陈炎亮，降低中压移开式开关柜温升的措施，电工技术2015（10）：14～15
[2] 陶瑞基，开关柜套管涡流发热解决措施，电工技术2015：71～72
[3] 刘军，高压大电流开关柜的散热问题及解决方案，中国电业技术2013（3）：77～78
[4] 何宇琪 10kV大电流开关柜发热分析及工艺改良，特别报道
[5] 高春媛，开关柜结构散热与通风的设计，工业技术
[6] 仇学礼，KYN28-12型开关柜散热条件改造，安徽科技2012（10）：49～50
[7] 王磊，高压开关柜发热原因及措施，工业技术，2011（10）：142～143
作者简介：方大川，浙江大学本科生，2014年入职，深圳供电局有限公司检修部检修二班班员。