中壓開關(guān)柜的散熱技術(shù)探討

1、中壓開關(guān)柜的散熱技術(shù)探討,西安高壓電器研究院 王平,2015 年 5 月,目錄,目錄 1.散熱設(shè)計(jì)的重要性 2.開關(guān)柜的發(fā)熱源 3.開關(guān)柜的散熱技術(shù)探討 3.1對(duì)流散熱 3.2傳導(dǎo)散熱 3.3導(dǎo)體的輻射散熱 3.4真空滅弧室的散熱 3.5通過散熱片提高散熱能力 3.6固體絕緣件的散熱 3.7通風(fēng)通道及柜體的散熱 4.熱管散熱技術(shù)的應(yīng)用設(shè)想,1.散熱設(shè)計(jì)的重要性,開關(guān)柜產(chǎn)品的額定電流提高、外殼防護(hù)等級(jí)提高、小型化以及有些產(chǎn)品采用密封結(jié)構(gòu)，都需要很好地解決發(fā)熱與散熱問題，限制各處的溫升在許可范圍內(nèi)。 熱的處理是一個(gè)難題，溫升過高時(shí)會(huì)加速元件的老化，使得產(chǎn)品絕緣性能下降、可靠性下降。 采取措施限制發(fā)

2、熱僅是解決問題的一個(gè)方面，加強(qiáng)并有效地散熱是解決問題的另一重要方面。,2.開關(guān)柜的發(fā)熱源,開關(guān)柜在穩(wěn)定狀態(tài)下的發(fā)熱源有導(dǎo)體通電時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱、感應(yīng)熱、介質(zhì)熱。 焦耳發(fā)熱：當(dāng)電流流過具有電阻值的導(dǎo)體、導(dǎo)體連接的接觸部位時(shí)產(chǎn)生的能量損耗。 感應(yīng)發(fā)熱：是一種由放置在交變磁場(chǎng)中的導(dǎo)磁體產(chǎn)生的渦流損失或磁滯損失引起的發(fā)熱現(xiàn)象。 介質(zhì)發(fā)熱：當(dāng)電介質(zhì)上加有交流電場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱損失。單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱損耗與頻率、介電常數(shù)、介質(zhì)損失角正切、電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。,2.開關(guān)柜的發(fā)熱源,減少發(fā)熱可采取以下措施： 嚴(yán)格控制主回路電阻值； 控制真空滅弧室的回路電阻在較低值； 控制各導(dǎo)體連接的接觸電阻； 采用截面周長(zhǎng)大或帶散熱結(jié)

3、構(gòu)的母線與分支母線，增大導(dǎo)流截面積，如：采用雙D主母線、多片組合分支母線； 位于交變磁場(chǎng)中的零部件（如：柜體左右側(cè)板、中間隔板、套管安裝板、螺栓、螺母等）采用非導(dǎo)磁材料制造，如：不銹鋼1Cr18Ni9Ti。,3.開關(guān)柜的散熱技術(shù)探討,傳統(tǒng)的散熱技術(shù)有對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射3種散熱方式，結(jié)構(gòu)上采取和加強(qiáng)的散熱措施有： 對(duì)流散熱，分自然的和強(qiáng)制的。 依靠柜體外表面自然對(duì)流向外部放出的散熱量是溫差和散熱面積的函數(shù)。 傳導(dǎo)散熱，把觸頭盒內(nèi)的動(dòng)、靜觸頭中的熱量向母線傳導(dǎo)，以減輕滑動(dòng)連接的觸頭等部位的局部熱負(fù)荷。 輻射散熱，依靠輻射，柜表面向外部放出的散熱量是溫差和散熱面積的函數(shù)。斷路器室內(nèi)壁及分支母線表面涂裝

4、，使高溫器件表面通過輻射把熱量散至金屬殼體。 然而，對(duì)于1面開關(guān)柜整體而言： 總散熱量依靠輻射的散熱量依靠對(duì)流的散熱量,3.開關(guān)柜的散熱技術(shù)探討,熱管散熱，熱管散熱是一種新技術(shù)，已在制冷行業(yè)、IT行業(yè)應(yīng)用，在開關(guān)行業(yè)應(yīng)用極少。 熱管散熱的基本原理：典型的熱管由管殼、吸液芯（毛細(xì)管）和端蓋組成，熱管內(nèi)部被抽成真空狀態(tài)，充入適當(dāng)?shù)囊后w，這種處在真空條件下的液體沸點(diǎn)低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。將熱管分成蒸發(fā)段、冷凝段，根據(jù)應(yīng)用需要在二段之間可布置絕熱段。當(dāng)蒸發(fā)段開始受熱的時(shí)候，管壁周圍毛細(xì)管中的液體就會(huì)迅速汽化，產(chǎn)生蒸汽，此時(shí)這部分的壓力就會(huì)變大，蒸汽流在微小壓力差的牽引下向冷

5、凝段流動(dòng)。蒸汽流到達(dá)冷凝段后，冷凝成液體，同時(shí)也放出大量的熱量，最后液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段，完成一次循環(huán)。如此循環(huán)不止，熱量從熱管一端傳至另外一端。,3.1對(duì)流散熱,對(duì)流散熱是開關(guān)柜散熱的主要途徑，應(yīng)進(jìn)行開關(guān)柜的對(duì)流散熱設(shè)計(jì)并優(yōu)化。底盤車下開通風(fēng)孔、觸頭盒上開通風(fēng)槽引導(dǎo)冷風(fēng)流向發(fā)熱溫度最高處（斷路器軟連接及觸頭盒內(nèi)）；利用煙囪效應(yīng)，提高風(fēng)速，增加流量；柜頂泄壓板兼有散熱功能，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為波浪形，以增大通風(fēng)和散熱面積；通風(fēng)風(fēng)道的結(jié)構(gòu)。,3.1對(duì)流散熱,充氣柜中，密封箱體內(nèi)SF6氣體的對(duì)流散熱是重要途徑。 充氣柜中，SF6氣體密度約為空氣的5倍，由于其熱傳導(dǎo)率、比熱、動(dòng)態(tài)粘性系數(shù)

6、等物理參數(shù)與空氣不同，故熱傳導(dǎo)率比空氣大。發(fā)熱量相同的情況下，在SF6氣體中的導(dǎo)體溫升值比空氣中的小。0表壓下在SF6氣體中的溫升值與空氣中相比約為80%。,3.2傳導(dǎo)散熱,因空間、結(jié)構(gòu)有限，需依靠熱傳導(dǎo)將觸點(diǎn)處局部溫度高的點(diǎn)的熱量傳導(dǎo)到自身導(dǎo)體的另一端或與之相接觸的導(dǎo)體上，通過另一端或相接觸的導(dǎo)體散熱。 對(duì)于開關(guān)柜的傳導(dǎo)散熱，一般來說對(duì)提高柜體對(duì)外總散熱量的直接作用不大，主要是柜內(nèi)局部溫度分布的調(diào)節(jié)。,3.3導(dǎo)體的輻射散熱,在散熱方面，考慮了對(duì)流因素、連接導(dǎo)體間或與真空斷路器滅弧室的熱傳導(dǎo)因素外，開關(guān)柜內(nèi)各導(dǎo)體的溫度（溫升）還與導(dǎo)體自身、柜體隔板與面板、其它相導(dǎo)體的輻射熱等因素有關(guān)。,3.3

7、導(dǎo)體的輻射散熱,幾種材料的輻射率,3.3導(dǎo)體的輻射散熱,幾種材料對(duì)太陽能量的吸收率,3.3導(dǎo)體的輻射散熱,開關(guān)柜外表面或?qū)w表面向外部輻射出的散熱量是溫差、散熱面積、輻射率的函數(shù)。 可以使分支母線、導(dǎo)體等高溫零部件表面通過輻射把熱量散至開關(guān)柜的金屬外殼的內(nèi)壁上，再通過金屬外殼的外表面散到周圍大氣中去。 通過導(dǎo)體表面亞光處理、涂裝，提高表面紅外線的輻射作用，提高輻射散熱效率。 通過表面顏色的選擇，具有高的輻射作用、低的吸收作用，提高輻射散熱效率。 通過柜體表面涂裝，使柜體內(nèi)表面具有吸收紅外線，柜體外表面輻射紅外線的作用，提高輻射散熱效率。,3.4真空滅弧室的散熱,真空有許多代表性優(yōu)點(diǎn)，在開關(guān)行業(yè)

8、得到廣泛應(yīng)用。因真空滅弧室內(nèi)無對(duì)流，使得散熱差、冷卻效率低，是真空在開關(guān)行業(yè)應(yīng)用的代表性不足。 開關(guān)柜中使用的真空斷路器是一個(gè)發(fā)熱源，由于真空滅弧室散熱性能差需要有特別的散熱方法。 真空斷路器的發(fā)熱主要由滅弧室內(nèi)觸頭的接觸電阻產(chǎn)生。,3.4真空滅弧室的散熱,真空滅弧室的典型結(jié)構(gòu),1保護(hù)罩 2排氣管 3端蓋 4絕緣外殼 5屏蔽罩 6靜導(dǎo)電桿 7靜觸頭 8動(dòng)觸頭 9動(dòng)導(dǎo)電桿 10波紋管 11導(dǎo)向套,3.4真空滅弧室的散熱,真空滅弧室的散熱分析,3.4真空滅弧室的散熱,真空滅弧室的散熱： a.依靠熱傳導(dǎo)傳到與之相連的導(dǎo)體上，通過相連的導(dǎo)體散熱， b.在滿足外絕緣的情況下，盡可能縮短真空滅弧室絕緣外殼

9、的長(zhǎng)度。 c.通過對(duì)真空滅弧室的外表面涂裝或包覆后提高輻射散熱效果。 真空滅弧室觸頭部分的回路電阻占整個(gè)滅弧室的絕大部分，降低該部分回路電阻對(duì)減少發(fā)熱的作用會(huì)很大。,3.5通過散熱片提高散熱能力,散熱片的設(shè)置 通過設(shè)置散熱片以增大散熱面積，提高輻射散熱量和對(duì)流散熱量將局部的集中熱源熱量對(duì)熱源的外部散出，解決局部過熱。,3.6固體絕緣件的散熱,環(huán)氧樹脂、聚碳酸酯等絕緣材料制造的套管類固體絕緣件，首先應(yīng)減少內(nèi)部導(dǎo)體的發(fā)熱量，由于絕緣材料的熱傳導(dǎo)性能差，主要通過增大絕緣件表面積及設(shè)置對(duì)流孔、對(duì)流槽等加強(qiáng)與提高對(duì)流散熱、輻射散熱的效率，并降低吸收率以防止或減少吸收其它熱源釋放的熱量。,3.7通風(fēng)通道及柜體的散熱,1.設(shè)置通風(fēng)通道 空氣柜中合理設(shè)置進(jìn)風(fēng)口、通風(fēng)通道有利于空氣的流動(dòng)。 充氣柜中避免SF6對(duì)流的死角。 利用煙囪效應(yīng)，提高風(fēng)速，增加流量。 2.加大散熱面積 提高柜的頂板、后板等的散熱功能，其結(jié)構(gòu)上可設(shè)計(jì)為波浪形，以增大通風(fēng)和散熱面積。,4.熱管散熱技術(shù)的應(yīng)用及設(shè)想,熱管散熱的優(yōu)點(diǎn)有：1）熱阻小，傳熱快，散熱效果好。2）重量輕且構(gòu)造簡(jiǎn)單。3）熱傳輸量大，熱傳送距離長(zhǎng)。4）本身并不耗電，無功耗、無噪音。5) 可以在無重力力場(chǎng)的環(huán)境下使用。6)傳熱方向可逆，蒸發(fā)端、凝結(jié)端可以互換。,4.熱管散熱技術(shù)的應(yīng)用及設(shè)想,熱管散熱在某箱變中的應(yīng)用