邹志光

（厦门城市职业学院，厦门 361008）

中压手车式开关柜（以下简称开关柜）作为接受和分配电网电能的重要设备，具有量大面广的特点，在电力系统中扮演着重要角色。它的质量优劣直接影响电力系统的稳定和运行人员的安全，进而影响到工农业的生产和居民的生活质量。此外，随着我国工业化和城市化的不断深入，各地区各行业的用电负荷不断增长，很多变电站12 kV 侧的负荷电流已经达到3 150 A 或4 000 A，某些特殊工业用户的负荷甚至达到了5 000 A[1]。可见，大电流开关柜的温升问题越来越成为衡量开关柜质量好坏的重要因素，也越来越受到开关柜厂家的关注。据不完全统计，开关柜发热引起的事故约占开关柜总事故的20%。

1 影响温升的因素

开关柜的热量主要来源于电流流过主回路产生的焦耳热和交变电流在铁磁体内产生的涡流损耗及感应热。其中，主回路产生的焦耳热Q的计算公式为[2]：

式中：I为流过主回路的电流；R为主回路的本体电阻与各导体间的接触电阻之和；T为电流持续的时间。本体电阻与导体的材料、截面积、导体长度及导体长度有关。接触电阻则与导体材料的性质、导体间的接触形式和接触压力等相关，可用经验公式计算[3]：

式中：F为接触压力，N；m为与接触形式有关的系数，对点、线、面接触分别取0.5、0.7、1.0；Kc为与接触材料、表面情况、接触方式等有关的系数，通常由试验得出。在长期运行中，导体接触电阻上升导致的发热量增加将直接引起导体阻值增加而造成更高的温升而出现恶性循环。这种变化在短期不明显，只有长期运行后才能发现。大电流开关柜载流较高，更容易出现该现象。

根据以上关于开关柜主要热量来源的分析，开关柜的主要温升点在于导体间的搭接处，包括主母线与分支母线的接触面、断路器触头与静触头的搭接点、电流互感器与铜排的搭接处及电缆搭接点等。涡流损耗及感应热则主要集中在套管安装板、隔室间的隔板及电缆拼板等位置。

2 温升对开关柜的影响

国家标准《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》（GB/T 11022—2011）关于开关柜的温升有如表1 所示的规定。

如果开关柜设计不合理，设备长期运行在允许的温升范围之上，那么将对开关柜的可靠性及寿命产生极大影响。一方面，开关柜长期温升超标会使铜、铝、螺栓、弹簧、弹垫等零件生产慢性退火变软，丧失机械强度，导致变形和破坏；另一方面，过热会引起绝缘材料加速老化，降低寿命。根据有机绝缘材料的10 K定律（由阿伦纽斯关系导出），工作温度每升高10 K，有机绝缘材料的寿命将缩短一半[4]。

表1 高压开关设备和控制设备各种部件、材料和绝缘介质的温度和温升极限

开关柜绝缘能力及机械强度等质量的下降，极易导致开关柜元件表面闪络、线路短路、绝缘击穿、设备损坏等恶劣事故，严重影响开关柜的安全可靠运行。

3 降低温升的措施

降低开关柜的温升应主要从两个方面考虑：一是减少开关柜的发热；二是增加开关柜的散热。

3.1 减少开关柜发热的措施

3.1.1 采用纯度高的导体

在开关柜中，主回路导体主要以铜材或铝材为主。《电工用铜、铝及其合金母线 第1 部分：铜和铜合金母线》（GB/T 5585.1—2005）规定：铜和铜合金导体中的含铜量应不小于99.9%，导电率不小于97.0%IACS。《电工用铜、铝及其合金母线 第2 部分：铝和铝合金母线》（GB/T 5585.2—2005）规定：铝和铝合金导体中的含铝量应不小于99.5%，导电率不小于59.5%IACS。

3.1.2 合理选择导体的规格

导体的规格应主要根据线路的实际电流和预期的负荷电流在国家标准中选取，同时综合考虑导体的布置形式、导体间的绝缘距离、开关柜的动热稳定等因素。由于矩形截面的导体电流均匀、集肤效应小，因此大部分母排采用矩形截面。目前，有部分开关柜厂家采用D 形母线。在截面积相同的情况下，D 形母线具有比矩形母线更大的载流能力，且集肤效应小、温升小、散热好，在市场上应用也较多。另外，导体的数量超过3 片后，其集肤效应系数将显著增加，严重影响载流量，故导体的数量一般不超过3 片[5]。

3.1.3 降低主回路的接触电阻

首先，导体的搭接面应镀银或镀锡。一般情况下，镀银层厚度应不小于6 μm，镀锡层厚度应不小于9 μm。主母线电流在4 000 A 及以上，镀银厚度则不应小于10 μm。

其次，提高断路器触头与开关柜本体的配合精度。例如，要定期检查柜体或断路器导轨是否变形，保证动静触头的同轴度和咬合深度。特别是对于大电流的断路器手车，由于实际电流大，接触压力大，且上下触头对底盘距离不同，因此断路器手车在推进和咬合时会发生后仰现象，从而呈现接触不良的现象。此外，由于开关柜的结构特点，断路器动静触头的咬合情况难以直接观察，通常需要观察动静触头的咬合过程留下的痕迹进行判断。

再次，控制螺栓连接部位的紧固力矩。例如，主母线与分支母线、电缆与分支铜排等处的螺栓搭接，其数量、直径及紧固力矩应按照相关的标准执行，避免因紧固力矩太大或太小而增大接触电阻，同时避免螺栓太多增大涡流效应而产生过高的温升。

最后，容易引起涡流损耗的零件选用非导磁材料。例如，主母线套管的安装板、母线室与断路器室的隔板、母线室与电缆室的隔板及电缆拼板等，应使用防锈铝、不锈钢等金属材料[6]。

3.2 增加开关柜散热的措施

3.2.1 在结构上设置空气流通通道

在结构上，开关柜应设置有空气对流的通道，以利于柜内外空气的合理流动，降低温升。如图1 所示，开关柜顶部设置波纹状网格板（采用波纹板可增加散热面积，增强散热），使得断路器室、母线室及电缆室可通过对流通道与外部环境进行对流散热。

3.2.2 使用强制风冷

在自然通风不能满足温升要求时，在开关柜柜前水平隔板处及柜后下部分别装设散热风机，通过导流叶片将外部空气分别吹至断路器动静触头咬合处、电流互感器与铜排搭接处及电缆搭接处等，将热量沿着流通通道强制排出。当实际电流在4 000 A 以上时，可在开关柜顶部加设轴流风机进行抽风。为防止柜内绝缘件表面积尘导致绝缘能力下降，应在风机进风口设置滤尘网。另外，为了提高风机寿命，将风机的控制方式设置成按主回路电流限值或按关键部位温度限值的启动方式，并考虑一定的返回系数。

3.2.3 提高辐射散热效果

可在开关柜导体表面涂色漆或者包裹特殊的热缩套管，也可在开关柜柜体及隔板处喷黑漆增大导体的辐射率，提高散热能力。

3.2.4 合理选择防护等级

开关柜的防护等级与散热是相互制约的。要提高设备的防护等级，往往需要削弱设备的散热效果。而要使设备具有良好的散热效果，通常要降低设备的防护等级。断路器及相连导体在防护等级为IP2X、IP3X、IP4X、IP5X 的开关柜中的温升试验结果表明，温升相差近15 K。因此，在确保运维人员安全和保证开关柜绝缘性能的前提下，需合理选择开关柜的防护等级，提高散热效果。

3.2.5 改善配电室环境条件

开关柜的温升是一个相对概念，指的是在周围环境温度的基础上，开关柜温度升高的值。若配电室温度较高，则势必会影响开关柜的散热效果，导致开关柜过热运行。此外，配电室空气湿度、洁净度等指标也会通过影响开关柜元器件的性能而影响开关柜的温升。因此，有条件时建议在配电房配置通风空调设备。

3.2.6 温度在线检测

随着计算机、传感器、大数据以及云计算等技术的飞速发展，开关柜的智能化水平不断提高。温度在线检测技术通过安装在开关柜导体连接处的传感器获取温度数据（事实上不仅包含温度数据，还可包含断路器机械特性等开关柜重要参数），并将其上传至云端，经过专家数据库的分析处理后，将温度数据、分析结果及建议措施等信息发送至用户终端。运维等相关人员可随时了解开关柜的温升等重要健康信息，并根据系统的建议制定相应的开关柜维保方案。

4 结语

大电流开关柜的温升除与上述因素有关外，还与其结构形式、元器件质量、设备加工与装配工艺等相关。因此，还需从开关柜的制造工艺、装配质量等方面综合考虑，制定行之有效的设备运行管理制度，定期检查与维护。近年来，随着用电负荷的不断增加，大电流开关柜的温升问题越来越突出，需要不断探索降低开关柜温升的新材料、新技术与新工艺。