低壓成套設(shè)計與應(yīng)用中隔離開關(guān)散熱技術(shù)研究

／浙江方圓電氣設(shè)備檢測有限公司 矯財東 黃芳 吳衛(wèi)東 祝文婷／

低壓成套設(shè)計與應(yīng)用中隔離開關(guān)散熱技術(shù)研究

／浙江方圓電氣設(shè)備檢測有限公司 矯財東 黃芳 吳衛(wèi)東 祝文婷／

針對低壓成套開關(guān)柜中隔離開關(guān)溫升過高的情況，分析了主要影響因素，介紹了目前散熱技術(shù)領(lǐng)域的常用技術(shù)。結(jié)合實際情況，提出了幾種散熱方案，并進行了相關(guān)試驗和分析。從而為降低產(chǎn)品溫升，提高系統(tǒng)工作性能提供設(shè)計參考。

隔離開關(guān)；溫升；工作電流；成套設(shè)備

0 引言

隨著中國世界化進程的飛速發(fā)展，國民經(jīng)濟飛速發(fā)展，低壓配電產(chǎn)品運用的越來越多。人們對低壓配電產(chǎn)品的要求越來越高，尤其是運行的安全性和可靠性。隔離開關(guān)作為各種低壓成套產(chǎn)品的主要部件之一，廣泛運用于工業(yè)、商業(yè)及民用等領(lǐng)域，其穩(wěn)定性對保持整個電網(wǎng)持續(xù)、可靠供電起著至關(guān)重要的作用。

隔離開關(guān)主要是承載一定的工作電流，并能滿足隔離要求的一種開關(guān)，是低壓成套設(shè)備的主要元器件之一。溫升是低壓成套設(shè)備考核的重要指標。在實際認證過程中，成套設(shè)備的關(guān)鍵器件隔離開關(guān)的進出線端子的溫升，時常會超出限值要求，造成實驗失敗。對整個柜體而言，發(fā)熱會引起整個柜體環(huán)境溫度上升。過高的溫度會導致材料的物理性能和化學性能下降，引起產(chǎn)品機械強度和電氣絕緣性能下降、系統(tǒng)故障頻發(fā)，甚至會導致著火等嚴重事故，造成生命和財產(chǎn)損失。因此，對成套柜的散熱技術(shù)進行研究，特別是隔離開關(guān)的散熱技術(shù)研究很有必要。

本文針對低壓成套配電柜中常用的隔離開關(guān)溫升試驗的影響因素進行了分析，提出了較為合理的散熱方案并進行了實驗驗證，有效改善了溫升指標，提高整個系統(tǒng)性能。

1 影響溫升的因素分析

溫升是影響產(chǎn)品壽命和可靠性的重要因素，了解造成溫升過高的因素，對進行產(chǎn)品設(shè)計和改進都有較為重要的意義。影響成套設(shè)備中隔離開關(guān)溫升的主要因素有以下幾點。

1.1 產(chǎn)品自身的問題

隔離開關(guān)主要由動觸頭、靜觸頭、安裝底座、接線端子等組成。在實際設(shè)計時，在滿足標準要求的前提下，部分生產(chǎn)廠家為了提高經(jīng)濟效益，往往會減少產(chǎn)品的銅排規(guī)格。以最常用的HR17-630A為例，GB14048.1—2012《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1部分：總則》[1]表11中規(guī)定銅排規(guī)格為400mm2（40×5×2），而市場上所常見的幾種隔離開關(guān)的銅排尺寸為180mm2（30mm×3mm×2）、240mm2（40mm×3mm×2），有的甚至是150mm2（30mm×5mm），與標準要求相差甚遠。由于工藝設(shè)計等問題，本來設(shè)計的是線接觸，但實際是點接觸，造成實際接觸面積過少。同時，國內(nèi)的隔離開關(guān)生產(chǎn)廠家并不是很重視隔離開關(guān)的設(shè)計與制造，產(chǎn)品普遍存在抗防銹、防塵及防腐蝕性能較差的情況。這些缺陷易引起產(chǎn)品觸頭腐蝕及夾緊彈簧遭到腐蝕（會造成導電面夾緊力不足）等問題。觸頭腐蝕和夾緊力不足會引起產(chǎn)品的載流能力下降，加劇產(chǎn)品回路發(fā)熱，易造成實際運行時故障頻發(fā)。

1.2 成套制造商的設(shè)計問題

隔離開關(guān)等元器件其設(shè)計和試驗都是根據(jù)各自相關(guān)標準（例如隔離開關(guān)標準就是根據(jù)GB14048.3—2008《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第3部分：開關(guān)、隔離器、隔離開關(guān)以及熔斷器組合電器》[2]，由于標準中很少提及降額等參數(shù)要求，因此，很少廠家能夠提供足夠的詳細的載流量與環(huán)境溫度、載流量與海拔高度、降額要求等技術(shù)參數(shù)。同時，成套設(shè)備廠家由于人員配置有限、資料不足、經(jīng)驗缺乏及試驗環(huán)境不足等原因，在設(shè)計時往往按照經(jīng)驗選取低壓元器件產(chǎn)品和連接銅排，并未考慮海拔、降容等實際使用要求，也未嚴格按照標準選取相關(guān)銅排，更沒有進行系統(tǒng)設(shè)計、仿真及試驗等。這就造成了在實際使用及認證中，成套產(chǎn)品內(nèi)部的元器件指標往往達不到預期的設(shè)計目標。

1.3 產(chǎn)品使用環(huán)境限制

隔離開關(guān)等元器件主要安裝在低壓成套配電柜內(nèi)部，其使用環(huán)境較為密閉。 如低壓綜合配電箱（JP柜）等成套柜一般安裝在戶外，其防護等級會達到IP44以上，其密閉性更高，這就加劇了整個柜體內(nèi)部散熱不暢，造成使用環(huán)境溫度上升（根據(jù)實際試驗經(jīng)驗，柜內(nèi)環(huán)境溫度一般會比環(huán)境溫度高25℃左右）。GB14048.X規(guī)定元器件的溫升試驗溫度一般為10~40℃，當應(yīng)用在成套柜中的元件產(chǎn)品其使用環(huán)境溫度也因此會上升到50℃以上，甚至達到65℃等。過高的使用環(huán)境溫度會造成隔離開關(guān)的載流量降低，這也就需要成套廠家在設(shè)計產(chǎn)品時考慮降容。而成套制造商由于資料缺乏等原因，并未考慮產(chǎn)品的降容使用要求。同時，由于使用環(huán)境溫度的上升，產(chǎn)品的接觸面與觸頭等表面氧化速度會加快，接觸電阻也較自由使用環(huán)境上升快，整個產(chǎn)品損耗也會隨之上升，進而加劇隔離開關(guān)溫升上升。

1.4 試驗環(huán)境的差異

隔離開關(guān)試驗依據(jù)的標準是GB14048.3—2008《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第3部分：開關(guān)、隔離器、隔離開關(guān)以及熔斷器組合電器》，而低壓成套柜依據(jù)的標準是GB7251.1—2013《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第一部分：總則》[3]，其連接導線或銅排的規(guī)格要求基本一致。單個隔離開關(guān)在試驗時，進線端和出線端采用的均是標準銅排或?qū)Ь€，試驗環(huán)境為自由空氣；但隔離開關(guān)應(yīng)用在柜體中時，進線端使用的是標準銅排或?qū)Ь€，而出線端采用的則是柜體內(nèi)部銅排或?qū)Ь€，其規(guī)格和長度基本都小于標準要求，且試驗環(huán)境為密閉空氣。這些環(huán)境因素導致隔離開關(guān)產(chǎn)品在開關(guān)柜中應(yīng)用時散熱不暢，易造成溫升超標。

1.5 產(chǎn)品載流部件特性限制

成套柜中的隔離開關(guān)在實際工作時，其產(chǎn)生的損耗主要有電阻損耗、鐵磁損耗等，在產(chǎn)品設(shè)計定型之后，隔離開關(guān)應(yīng)用在成套配電柜中時，主要的影響因素是電阻損耗。電阻工作時的功耗為：

式中：P損為開關(guān)本體的阻性損耗；I為通過導體的電流；R為主回路電阻值；L為主回路導體長度；S為主回路導體面積；α為電阻溫度系數(shù) ；ρ為在T時的電阻率 ；ρo為在0℃時的電阻率 ；T為溫度 。

應(yīng)用在成套柜中的隔離開關(guān)，其主回路采用的主要載流部件的主要成分是銅、黃銅、鐵等，其電阻溫度系數(shù)一般為正，例如最常用的銅電阻溫度系數(shù)是0.00393/℃ ，其在50℃時的電阻率約為25℃時的1.1倍，電阻也會相應(yīng)增大，在通過相同電流情況下，其電阻損耗也會顯著增長。電阻損耗主要以熱量形式散失掉。電阻損耗增大，也自然會帶來溫升的上升。

以上種種原因，造成了單體的隔離開關(guān)雖符合相關(guān)標準要求，而應(yīng)用在成套柜中卻超標，無法滿足標準要求的現(xiàn)象。

2 散熱技術(shù)及散熱試驗方案

散熱的目的是對成套設(shè)備的實際運行溫度進行控制，以降低設(shè)備溫度，提高整個系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性與可靠性。降低成套柜產(chǎn)品的整體溫升的主要途徑為減少產(chǎn)品自身的發(fā)熱量和增強系統(tǒng)散熱能力。下面就目前常用的散熱技術(shù)進行敘述，并由此進行試驗方案的設(shè)計。

2.1 散熱技術(shù)

常見的散熱技術(shù)主要有以下幾種[4-5]：

2.1.1 自然對流散熱

自然對流散熱是一種常用的散熱方式，其主要用在器件發(fā)熱的熱流密度不大的場合，此種散熱方式通過柜體的空隙及機殼的熱輻射、熱傳導和對流來實現(xiàn)散熱的目的。該種散熱方法的優(yōu)點是外形結(jié)構(gòu)簡單，成本相對較低，穩(wěn)定性高。缺點是熱阻大，導熱能力低，散熱效率相對較差。

2.1.2 熱管技術(shù)

熱管技術(shù)起源于20世紀60年代，并在70年代得到了廣泛應(yīng)用。熱管按結(jié)構(gòu)形式區(qū)分可分為：普通熱管、分離式熱管、毛細泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等，其主要工作原理為：一般熱管內(nèi)部被抽成負壓狀態(tài)，并在其內(nèi)部沖入適當?shù)姆悬c低、易揮發(fā)的工作介質(zhì)。熱管有兩端：熱端和冷端。當熱管的熱端受熱時，毛細管中的液體介質(zhì)會迅速蒸發(fā)，在壓力作用下流向冷端，并迅速散熱變成液體。變成液態(tài)的冷卻劑靠毛細力的作用流回熱段，完成一個循環(huán)。如此循環(huán)往復，熱量由熱管傳至冷端，完成散熱過程。熱管散熱的優(yōu)勢很多，如導熱速度快，散熱效率高，單位散熱密度高等，但其也存在制作工藝復雜，價格一般比較高，產(chǎn)品耐老化及耐振動性能差等缺點。

2.1.3 強迫風冷散熱技術(shù)

強迫風冷方式主要采用的是對流換熱，其依靠風扇等使元器件周圍的空氣發(fā)生流動，從而將器件發(fā)出的熱量帶走，從而達到降溫的目的。這種散熱方式在熱密度大于0.155W/cm2的場合應(yīng)用較多。其相比普通的自然對流散熱方式，具有散熱效率相對較高（一般可達到自然對流散熱方式的8~10倍），且成本相對較低。但此類散熱方式由于需要增加風機等散熱器件，噪聲大，可靠性相對較低。

2.1.4 液冷散熱技術(shù)

液冷技術(shù)也屬于強迫冷卻方式的一種，有直接冷卻和間接冷卻兩種方式。直接冷卻即液體與器件直接接觸，由冷卻液直接將熱量帶走。間接冷卻是利用液體冷卻劑通過中間媒介與器件接觸，熱量通過中間冷卻液傳導到液體中帶走。該種散熱方式具有散熱效率高，降溫速度快，成本相對適中。但也存在維護難度高，受制于冷卻液的冷卻效率，對冷卻液的效率和流動性要求高等缺點。

2.2 散熱技術(shù)方案及試驗

考慮到成套開關(guān)柜的成本限制以及元器件使用的通用性，本次實驗方案暫不考慮液冷散熱方式和熱管散熱方式，也不考慮改變元器件原設(shè)計、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及更換殼架等級更高的產(chǎn)品等方法，而是制定了較為通用的方案，并在此基礎(chǔ)上進行試驗，以解決目前存在的問題。本文采用的試驗方案有如下幾種：散熱器法（自然散熱法），元件接線端子面積增大法（自然散熱法），強迫風冷法。

本實驗采用具有代表性的試品HR17-630A，并安裝于常見的低壓綜合配電箱（JP柜）中，實驗條件如下[6-7]：

1）溫升試驗的溫度測量點位置相同，且熱電偶固定方式采用焊接埋入法；

2）進線母排尺寸為：每相：（40mm×5mm×2根）×2m；

3）溫度采集采用工控機+Agilent 34970A以1min/次的速率連續(xù)采集；

4）各相電流基本平衡，每相電流應(yīng)控制在±5%的允差范圍內(nèi)。

2.2.1 散熱器直接散熱法

自然對流散熱法由于其較低的成本，且穩(wěn)定性相對較高，是比較經(jīng)典的散熱方法。本文涉及到的元器件電流密度并不是很大，因此本方案采用了較為常用的肋片散熱器。為了增強散熱器和接線端子的熱傳導性能，在散熱器和接線端子之間采用熱學鋼網(wǎng)覆蓋并勻力涂抹道康寧硅脂，其布置圖如圖1所示。

圖1 散熱器法散熱布置圖

按照相關(guān)標準，進行試驗，溫升實驗數(shù)據(jù)報告如表1所示。

采用外置散熱器方案，加快了接線端子和外部的導熱速度，可以增大端子的散熱速率。從試驗結(jié)果上來講，肋片散熱方式對隔離開關(guān)散熱有一定的改善作用，但其散熱效果受散熱片面積、體積等約束，應(yīng)選擇合適的散熱片以達到理想效果。

表1 配電柜中隔離開關(guān)接線端子的溫升（外置散熱器法）

2.2.2 接線端子面積增大法

由于企業(yè)在設(shè)計產(chǎn)品時，企業(yè)為了節(jié)約成本，往往減少產(chǎn)品的端子面積，與標準要求相比有一定差距。為了較少產(chǎn)熱，增大散熱效率，設(shè)計了人為增大接觸導體面積。由于整個接觸面積變大，也就相應(yīng)增大了接線端子和自由空氣的接觸面積，加快了接線端子的散熱速率，能適當降低導體的溫升。其溫升試驗結(jié)果如表2所示。

表2 配電柜中隔離開關(guān)接線端子的溫升（增大導體面積法）

采用增大導體散熱面積方案，也可以適當加大接線端子面積，能在一定程度上加快接線端子和外部自由空氣的導熱速率。從試驗結(jié)果上來看，該散熱方式對隔離開關(guān)散熱有一定改善作用，但改善有限，要達到標準要求，還需要進一步改進與提升。在設(shè)計連接銅排的時候，加工過程往往需用到非標銅排及線切割工藝等，要付出的成本也相對較高。

2.2.3 強迫風冷散熱法

強迫風冷散熱法是采用風扇等部件，依靠風扇自身的導流作用，通過空氣間冷熱空氣之間的熱交換，將歸體內(nèi)的熱量帶走，從而降低柜體的整體內(nèi)部溫度以及各部件溫升。風扇的總類主要有兩類：一類為軸流風機，另一類為離心風機。結(jié)合本應(yīng)用環(huán)境，采用離心風機安裝于柜體底部，并在主要溫升監(jiān)控點上安裝溫控開關(guān)（須涂抹導熱硅脂和導熱絕緣墊片），其動作溫度設(shè)為80℃，各個溫升開關(guān)之間并聯(lián)。當控制點溫度達到80℃時，風機控制回路導通，風機開始工作，將柜體內(nèi)的熱空氣抽走，同時將外部的冷空氣導入。通過采用合適功率的風機并配以風道，端子溫度基本控制在合理的要求范圍內(nèi)。

強迫風冷散熱法具有散熱效率高，散熱速率快的特點。經(jīng)試驗，散熱風機功率越大，散熱效果也就越好。但該種散熱方式存在能量消耗，且散熱效果、長久工作可靠性與穩(wěn)定性都與風機有直接關(guān)系。另外，采用強迫風冷的散熱方式還需要進行風道設(shè)計，并且要注意防護等級的設(shè)計要求。

圖2 溫控開關(guān)

4 結(jié)束語

應(yīng)用在成套柜中的隔離開關(guān)等元器件的散熱問題是成套柜設(shè)計及應(yīng)用中需要解決的主要問題，本文對成套柜中元器件溫升超標的原因進行了分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了幾種散熱方案，并有效地降低了產(chǎn)品溫升。另外，本文所述的散熱方案，也可以為成套柜體散熱設(shè)計及應(yīng)用提供參考。

[1] GB 14048.1—2012 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第3部分：開關(guān)、隔離器、隔離開關(guān)以及熔斷器組合電器[S].北京：中國標準出版社，2012.

[2] GB 14048.3—2006 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第3部分：開關(guān)、隔離器、隔離開關(guān)以及熔斷器組合電器[S].北京：中國標準出版社，2008.

[3] GB 7251.1—2013 低壓成套設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則：[S].北京：中國標準出版社，2013.

[5] 俞佐平，陸煜. 傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1995.

[6] 張正. 低壓成套開關(guān)設(shè)備CCC認證企業(yè)檢驗人員知識讀本[M]. 杭州：浙江大學出版社，2014.

[7] 張正,黃芳,顧枕月,等.新國標GB7251.1—2013低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的溫升實驗方法解讀.[J].電器與能效技術(shù)，2015（1）：62-72.