如何降低低压开关柜运行温升的研究

如何降低低压开关柜运行温升的研究

孙兴民 深圳市塔辉电器成套设备有限公司

【摘 要】：本文分析了低压开关柜运行中发热的原因、主要发热部位和当前常用抽屉式低压开关柜垂直母线室温升过高的原因。提出了用抽风式母线降低垂直母线室温升的技术方案。该方案不用安装风机，不消耗能源，完全静止无噪音。经在国家重点实验室测试，抽风式母线系统可降低垂直母线室温升19.56 ℃。 【关键词】：低压开关柜 发热 散热 降低 温升 抽风式 垂直母线室

1 低压开关柜的发热

1.1低压开关柜的发热源，有以下几种：

1.1.1 母线（铜排）、导线等载流导体导通电流后导体电阻发热。

1.1.2 接触电阻发热。接触电阻由于导体间接触方式不同，有以下3类情况：

a、固定搭接，如铜排之间，铜排、导线与电器端子之间用螺钉固定压接。固定搭接的接触电阻大于等截面导体的体电阻，所以发热也多。但若搭接良好，则接触电阻较易控制，发热量也是三种接触电阻发热情况中最小的；

b、滑动接触，如抽插式（或称插拔式）开关的滑动进出线桩头，抽屉式开关柜中主电路以及辅助电路接插件，熔断器与熔芯的插拔插槽，各类刀开关的触头接触。滑动接触的接触电阻远大于固定搭接，其发热量大；

c、开合接触，如各类断路器和接触器触头。开合接触的接触电阻最大，发热量也最大。 1.1.3 热敏电器元件的发热，有以下2种情况：

a、熔断器类元件，其熔芯作为过电流的敏感元件，正常运行中会发热； b、热继电器、各类断路器的热保护器件，正常运行中都会发热。 1.1.4 电磁感应产生的发热：

a、涡流发热，由于电磁感应在载流导体内部及周围的钢质结构件内产生涡流，导致发热；

b、振动发热，由于电磁感应使载流导体周围的钢质结构件受到应力而产生振动，振动使结构件发热。当系统三次谐波电流较大时尤其明显。系统三相电路基波电流在载流导体周围产生的磁场相互抵消，发热并不严重。而三次谐波电流在三相电路周围产生的磁场相互叠加，振动加剧。一般三次谐波振动发热与涡流发热相伴产生；

c、磁路发热，由于磁路中铁芯的磁滞损耗、涡流损耗而发热。例如分励脱扣、失压脱扣装置的电磁回路，接触器、继电器的吸引线圈磁路，电容补偿装置内的限流和滤波电抗器的磁路，框架开关内的储能电机的铁芯磁路等。

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1.1.5 电介质损耗发热，最典型的例子是无功补偿成套装置内电容器的发热。 1.2 低压开关柜的主要发热部位

1.2.1 开关单元室，框架开关单元室和塑壳开关单元室是低压开关柜的主要发热部位之一。塑壳开关单元 可以是抽屉式结构或固定分隔式结构，其导体发热和接触电阻发热是主要发热原因。

1.2.2 母线室，有主母线（汇流母线）和配电母线（垂直母线）之分。主母线一般布置在柜体顶部，电流虽 大，但散热条件较好。抽屉式开关柜的垂直母线一般布置在柜体中部。垂直母线并作为进入抽屉单元主电路 接插件的插座使用，因此，母线导体发热和主电路接插件接触电阻发热是主要发热原因。垂直母线室是抽屉 式开关柜主要发热区域之一。

1.2.3 电缆室，各条出线电缆的发热。各条电缆导体发热和接触电阻发热是主要发热原因。

1.2.4 无功补偿单元，特别是带滤波功能的无功补偿单元中滤波电抗器和电容器都是大的发热源，所以无功 补偿单元也是低压开关柜主要发热区域之一。

本文主要探讨低压抽屉式开关柜中垂直母线室发热严重的原因及应对方法。 2 抽屉式开关柜中垂直母线室发热现状 2.1 垂直母线导体电阻的发热

由于柜体结构需要，抽屉式开关柜的垂直母线室必须与电缆室及功能单元室相互隔离，因此，垂直母线必须布置在尺寸受到的母线罩或功能板内。这样，垂直母线的尺寸就受到，一般选用断面是60×6mm

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的紫铜排（如GCK柜型）和（30＋50）×5mm的紫铜排（如GCS和MNS柜型）。以GCS柜为例，垂直母线的导体电阻是：

R＝ρ×L／S 式〔1〕 式中： R―单根铜母线的电阻，单位 Ω ρ―铜的电阻率，0.017Ω×mm／m

L―单根铜母线的长度，单位m。本例取L＝1.8m S―单根铜母线的断面积，本例取S＝375 mm 因此 R＝0.017×1.8／375＝0.0000816Ω 而导体发热量是：

P＝I×R 式〔2〕

式中： P―单根铜母线的发热量，单位W

I―流过铜母线的电流，单位A。本例取I＝900A 三相铜导体，即全部垂直母线的导体电阻发热量是：

P1＝3×I×R＝3×900×0.0000816＝198.3（W）

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2.2垂直母线接触电阻的发热

2.2.1垂直母线固定搭接部位接触电阻的发热

垂直母线固定搭接部位在其上端，用转接铜排将垂直母线与柜顶汇流排相连接，以引入电流。由于该固定搭接接触电阻较小，且位置在上端，对整个垂直母线温升的影响也小，所以其发热量忽略不计。 2.2.2垂直母线与主电路动插头接触电阻的发热

垂直母线作为抽屉单元主电路进线接插件的插座，其与主电路接插件动插头滑动接触电阻的发热是垂直母线发热量的重要来源。

主电路接插件动插头与静插头的滑动接触电阻，或主电路接插件动插头与垂直母线的滑动接触电阻的数值，与插接部位的几何尺寸、材料、触头压力以及运行状态等有关。

以行业上常用的JCZ5型低压抽屉式开关柜主电路接插件为例，其静触头（或垂直母线）由厚度是4-6mm紫铜排制作，表面镀镍（L形垂直排表面镀锡）。其动触头由片状铜触头、不导磁的金属支架、压紧用弹簧片和接线铜排组成，片状铜触头和接线铜排表面镀镍。为满足不同电流等级的要求，上述片状铜触头总成可以是一组或多组。例如JCZ5-250A以下电流等级为一组片状铜触头结构，JCZ5-400A为二组片状铜触头结构，JCZ5-630A为三组片状铜触头结构。系列生产的主电路接插件的几何尺寸、材料因素已由生产厂家进行优化，本文只探讨接触压力和运行状态对接触电阻的影响。

分析和实验表明，动、静触头之间的接触压力对接触电阻的数值有重大影响。以JCZ5-400A主电路接插件为例，随着动、静触头之间的接触压力从较小值逐渐增大时，接触电阻呈下降趋势。当该压力达到7kg力时，接触电阻趋于稳定；压力再增加时，接触电阻变化不大。

运行状态对接触电阻的影响主要表现在，动、静触头初次插入时，接触电阻较大，随着运行时间的延续，接触电阻逐渐减小。其微观原因，主要是随着运行时间的延续，动、静触头的接触面趋于良好，所以接触电阻下降，其效果相当于对接触面进行温升和冲击电流的老化试验。仍以JCZ5-400A主电路接插件为例，经运行时间的延续试验或温升、冲击试验后，其接触电阻最低稳定在60-80μΩ，而初次插入时，接触电阻或数陪于该值。而JCZ5-250A主电路接插件的接触电阻最低稳定在120-160μΩ。仍以式〔2〕为条件计算主电路接插件滑动接触电阻的发热量：

P＝I×R

式中： P―单极接触电阻的发热量，单位W

I―流过单极接触电阻的电流，单位A。本例按两个400A抽屉，一个250A抽屉设定。取I1＝I2

＝400A I3＝100A 总电流为900A

R―单极接触电阻的阻值，单位Ω，本例取R1＝R2＝80×10Ω R3＝160×10Ω 全部接触电阻的发热量是：

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P2＝6×I1×R1＋3×I3×R3＝6×400×80×10＋3×100×160×10＝81.6（W） 全部垂直母线部位的总发热量是：

P2 ＋ P2 ＝ 198.3＋81.6＝279.9（W） 3 抽屉式开关柜中垂直母线室散热现状 3.1 垂直母线室结构现状

为了对垂直母线进行固定、电气绝缘、间隔隔离和便于各抽屉单元主电路进线插头从垂直母线取得电源，GCS型和MNS型低压抽屉式开关柜将L型垂直母线设置在“功能板”内。“功能板”为“壳式”结构，将L形垂直母线封闭在其密闭的壳体中，仅留极小插孔供主电路进线插头插入。该“功能板”主要由外部的罩壳和内部的“衬板”两大部件组成，将L形垂直母线镶嵌在其中；该“功能板”的上、下端口也由上、下封板封闭，L形垂直母线周围没有空气流动的空间。 图1是常用“功能板”方式垂直母线系统结构的断面图。

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3.2 垂直母线室散热现状和热路分析

如图1所示，L形垂直母线〔3〕是发热源，与其30mm宽端面外侧直接接触的是功能板外壳〔1〕，功能板外壳再后边是柜内空间。L形垂直母线30mm宽端面内侧与功能板的衬板〔4〕相接触，被功能板外壳和功能板的衬板夹在中间。L形垂直母线的50mm宽端面镶嵌在衬板的槽形结构里。衬板与垂直母线的接触面是格子状的，尺寸大约是50mm(高度方向)×55mm(宽度方向)。格子的肋面壁厚3mm。肋面从内部顶住垂直母线。肋面与垂直母线的接触面很小。格子形成的蜂窝状空间里空气很难流动，因此不能形成对流传(散)热， 只能通过传导和辐射方式散热。

这样，从结构上看，L形垂直母线的散热通道可分为两条。第一条通道是： L形垂直母线30mmm宽端面外侧——视在接触面〔2〕——功能板外壳〔1〕——柜内空间，其热通量传寄过程如图2。第二条通道是： L形垂直母线30mm宽端面内侧及50mm宽端面两侧——蜂窝状空间里的空气——功能板衬板〔4〕——

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柜内空间，其热通量传寄过程与图2相似。

需要说明的是，引入“视在接触面”的概念，是因为从表面上看，L形垂直母线与功能板外壳是紧密接触的，但由于零件制作的不平整，该两物体在“视在接触面”上实际是点接触，绝大部分面积是不接触的。也就是两物件间还有一个空气狭缝，该狭缝对传热的阻碍作用是不可忽视的。

应用传热学的概念，图2所示传热过程，包含三个传热环节，因此存在三个传热热阻，如图3。这三个热阻是串联的，通过每个环节的热流量相同，总热阻等于三个分热阻之和。

即:

Rt=

＋＋ 式〔3〕

由于传热过程总的推动力为△t＝t1－t4 因此，该部分传热（散热）过程热流量为 φ

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＝ ＝ 式〔4〕

式中 φ1 --- 该第一通道散热量 w

△t --- L形垂直母线最大温升 ℃，本例取△t＝t1－t4＝70 ℃

A1 --- 狭缝的面积 m, 本例取A1＝ A2 ＝ A3 ＝3×55×10(m)×1.8﹙m﹚＝0.297m

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δ1 --- 狭缝的厚度 m , 本例取δ1＝0.2×10 m δ2 --- 功能板后壁的厚度 m , 本例取δ2＝3×10 m λ

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--- 空气的导热系数, 本例取λ1＝0.029 w/(m×k) 60 ℃时

λ2 --- 功能板材料（尼龙66）的导热系数, 本例取λ2＝0.3 w/(m×k) h --- 功能板材料（尼龙66）对空气的表面传热系数, 本例取h＝5w/(m×k) 将以上数据代入式〔4〕，得到： φ1＝95 w

同理可估算出第二条通道的散热量。第二条通道与第一条通道的区别在于，第二条通空气热路较长，取平均 长度δ1＝50×10 m；导热面积较大，取A＝3×125×10(m)×1.8﹙m﹚＝0.675m。将以上数据代入式〔4〕 得到：

φ2＝25 w 全部散热量为：

φ＝φ1＋φ2＝95 w＋25 w＝120 w

可见，功能板方案的垂直母线系统，在母线温升取最大值70 ℃时，散热量仅120 w，小于垂直母线的发热量。因此，功能板方案的垂直母线系统出现过热现象是必然的。 4 抽风式垂直母线系统何以能降低温升 4.1 抽风式垂直母线室结构

抽风式垂直母线室的结构断面见图4。其外壳〔1〕和功能单元室后板〔7〕共同组成抽风式结构的外

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壳。母线夹盖板〔2〕和母线夹底座〔6〕的设计使留有尽可能大的空气流动通道〔5〕。其余不安装母线夹的部位，L形垂直母线周围全部是空气流动的通道。该抽风式结构的上下盖板上也布满格栅孔，以使空气流动不受阻碍。

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4.2 抽风式垂直母线室能强化空气对流散热

下面分析抽风式垂直母线系统强化散热的机理。垂直母线附近空气流动的速度分布如图5。

发热的母线使周围的空气受热，产生向上的浮力，浮力使周围空气向上流动。在自然空间里，空气流动的速度很慢，如曲线〔3〕。在垂直母线〔1〕的四周设置抽风式结构的外壳〔2〕以后，垂直母线附近的上升气流在筒状结构内得到串联加强，速度加快，如曲线〔4〕。

垂直母线附近空气的温度分布如图6。在无限的自然空间里，由于空气上升流动的速度慢，带走的热量

少，所以温度降低的趋势也慢，如曲线〔3〕。在垂直母线〔1〕的四周设置抽风式结构的外壳〔2〕以后，由于上升气流得到串联加强，带走的热量多，周围空气温度也下降得多，如曲线〔4〕。

这样，运行中L形垂直母线产生热量时，母线系统组成的“抽风筒”结构利用筒内筒外热冷空气的压力差形成筒内热气的加速向上流动，“抽风筒”结构的下部会不断补充冷空气，从而加快了L形垂直母线的散热。

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抽风式母线系统散热示意如图7.

4.3 抽风式垂直母线室散热分析

应用传热学原理，L形垂直母线通过对流传热的传热量是：

φ＝hA△t 式〔5〕 式中 φ--- 传热量 w

A --- 垂直母线的表面积 m,本例取A＝3×（2×30＋2×50）10×1.8＝0.8 m △t--- 抽风筒内空气平均对流传热温差 ℃，本例最大取△t＝70 ℃ h--- 铜排—空气表面传热系数 w/( m×K)

很明显，要计算出L形垂直母线通过抽风式结构对流传热（散热）的传热量的关键是确定表面传热系数h。而h值与抽风式结构的几何尺寸、空气流速、材料有关。也就是L形垂直母线周围空气的速度场和温度场影响该对流传热过程的h值，而要准确计算h值是很困难的。再者，每个实际的传热过程都是包含了传导、对流、辐射三种传热现象的综合传热过程，而不是一种单一传热过程， 计算起来更加困难。

因此，工程上常用实验方式确定某一结构的传热效果。 5 实验测试抽风式母线的散热效果

5.1 本测试主要为了检测抽风式垂直母线系统的散热情况。为了对比分析，为本实验准备了两个试品。试品

一是按抽风式方案制作的母线系统，试品二是按传统功能板方案制作的母线系统。测试电源为三相平衡电流，自低压开关柜下部的专门引入铜排接入，试品的四周裸露部位用多层塑料布封闭，以避免现场空气流

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动对试验的影响，见图8。

图8 试验电流接入，试品四周封闭

5.2 两台试品的垂直母线都是从上部汇流排通过转接铜排接入电源，垂直母线下端短接，以模拟垂直母线实际

工作时负载电流的流通情况，见图9 。

图9 垂直母线下端短接，电流由上端接入

5.3 如前所述，由于抽屉回路的主电路进线插头与垂直母线的滑动接触的接触电阻分散性大，为了使两个试 品发热量相同，所以不插入抽屉。仅用垂直母线的导体电阻的发热作为热源，来检测母线系统的发热和散热情况。

5.4 为了尽量减少其他因素对实验结果的影响，主电路接插件插入口用隔热材料（厚纸板）封闭，见图10。

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图10主电路插口用厚纸板封闭

5.5 每根L型垂直母线上设置4个温升检测点，分别在上部、下部和中间部位。检测点位置和编号见图11。

图11 温升检测点

6测试结果

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6.1 试品一：柜号AS1，垂直母线系统按抽风式方案制作，L形垂直母线安装在四周封闭的抽风筒结构内。抽风筒结构的上、下封板上有通风格栅。试验时垂直母线末端短接，柜体四周用塑料布封闭，一次插口用厚纸 板封闭。额定试验电流900A.。实测电流：A相903 A,B相907 A,C相907 A。各检测点温升如表1。

表1 试品一 抽风式母线900A电流温升(K) 环境温度： 21.27 ℃ 测量 部位 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

6.2 试品二：为了与抽风式方案的数据进行比对，提供一台按功能板方案制作的开关柜，柜号2AA4。L形垂直母线安装在完全封闭的功能板内。试验时垂直母线末端短接，柜体四周用塑料布封闭，一次插口用厚纸板封闭。额定试验电流900A。实测电流：A相912 A,B相909 A,C相906 A。各测量部位温升见表2：

表2 试品二 功能板式母线900A电流温升(K) 环境温度 26.03 ℃ 测量 部位 编号 1 2 3 4 5 A 62.73 70.62 73.42 59.71 B 73.00 C 11

温升值（K） A 56.05 59.58 48.13 31. 59.13 58.81 44. 30.09 52.99 55.16 41.67 27.34 B C 温升 限值 （K） 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 A相垂直母线上部 A相垂直母线中上部 A相垂直母线中下部 A相垂直母线下部 B相垂直母线上部 B相垂直母线中上部 B相垂直母线中下部 B相垂直母线下部 C相垂直母线上部 C相垂直母线中上部 C相垂直母线中下部 C相垂直母线下部 镀锡 镀锡 镀锡 镀锡 镀锡 镀锡 镀锡 镀锡 镀锡 镀锡 镀锡 镀锡 测量位置 镀层 温升值（K） 温升 限值 （K） 70 70 70 70 70 A相垂直母线上部 A相垂直母线中上部 A相垂直母线中下部 A相垂直母线下部 B相垂直母线上部 镀锡 镀锡 镀锡 镀锡 镀锡 测量位置 镀层

6 7 8 9 10 11 12 6.3 测试数据分析

78.03 79.14 61. 67.99 71.71 72.04 58.26 70 70 70 70 70 70 70 B相垂直母线中上部 B相垂直母线中下部 B相垂直母线下部 C相垂直母线上部 C相垂直母线中上部 C相垂直母线中下部 C相垂直母线下部 镀锡 镀锡 镀锡 镀锡 镀锡 镀锡 镀锡 6.3.1 功能板方案的试品二在试验电流900A的情况下，最高温升79.14℃（见表2）。远超出温升限值70℃。

分析其原因，功能板将L形垂直母线封闭在其密闭的壳体中，L形垂直母线周围是封闭的，没有空气流动的空间。该方案中L形垂直母线的散热方式主要是传导。由于传导的散热量小，所以垂直母线的温升高。 6.3.2 抽风式方案的试品一在试验电流900安的情况下，最高温升59.58℃（见表1）。没有超出温升限值70℃。 可见，抽风式方案中，抽风筒能将L形垂直母线产生的热量迅速传递出去。L形垂直母线的周围形成的对流传 热的作用强劲，所以温升低。 7 结束语

a 低压开关柜运行中的温升直接影响到开关柜的可靠运行和使用寿命，而低压开关柜在供配电系统中又是量大面广的产品，所以在设计、选型、制造和运行中都需注意降低温升；

b 抽屉式低压开关柜内的垂直母线室是该柜型主要发热区域，解决好该部位的散热问题是保证低压柜长期稳定运行的关键；

c 抽风式母线可有效加强垂直母线室的散热，降低温升。且不用安装风机，不消耗能源，完全静止运行无噪音。经在国家重点实验室测试，抽风式母线系统在额定条件下可降低垂直母线室温升19.56 ℃。

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