断路器机柜散热制冷系统匹配设计及实验研究

翁兆权，孟晓磊，唐景春

（1-安徽东风机电科技股份有限公司，安徽合肥 230601；2-合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009）

断路器机柜散热制冷系统匹配设计及实验研究

翁兆权*1，孟晓磊2，唐景春2

（1-安徽东风机电科技股份有限公司，安徽合肥 230601；2-合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009）

本文在断路器的热场分析基础上，构建了其散热制冷系统。实验结果表明，机柜制冷机组运行时，各个静触头温度迅速降低，其工作温度在52℃～62℃，温升完全满足国家标准中规定的小于65 K要求。本文设计的制冷系统，增加了断路器在湿热环境下的运行可靠性。

中压断路器；触头温升；热场分析；制冷系统

0　引言

中压断路器在电网系统中使用十分普遍，且一般连续满负荷运行。由于产热量较大，重要的部件必须采用高纯度铜加工。为了控制机柜内部开关静触头的温升，目前主要采用静触头精细化设计（如镀银、开散热孔、表面采用微小螺纹等）强迫通风散热方式（如安装大功率风机和优化柜内气流风道）。由于电气柜的进风温度取决于当地气候条件，波动较大，若遇用电高峰，就极有可能造成机柜内热量得不到及时散发，开关静触头的温升超标，引起静触头烧熔甚至爆炸的事故，严重影响电网运行的安全性和可靠性。针对电力电子元器件的散热问题，国内外学者利用热管散热技术进行了相关应用研究工作[1-5]。例如，COQUERY[5]在为铁路配电网设计25 kV、50 Hz限流装置时，为防止LTT(光控晶闸管)过热，首次在装置中设计安装了热管换热器，在电流负荷达到2,000 A时可将光控晶闸管的温度控制于90℃。但是，热管只是高效散热导体，无法改变夏季炎热天气机柜进风的温度和湿度。

本文依据中国南方地区夏季室外空气设计参数的特点，为了降低机柜进风空气的温度，在分析进风空气冷却去湿处理过程的基础上，构建机柜散热制冷系统，控制柜内静触头的温升以满足国标GB 11022-2011的规定要求[6]。同时，电气柜在通风冷却时易出现凝露现象，会严重影响设备的安全性和可靠性[7]。党向东等[8-15]针对以上情况，对特殊气候条件下的电气设备防凝露控制进行了实验研究。本文参考以上文献资料，并结合电气柜实际应用情况，对冷却系统进行了优化设计：在控制柜体及内部元器件的表面温度处于露点温度之上，防止其表面凝露现象发生的同时，使得断路器在热设计时不需考虑安装地点的气候类型，只需调整机柜散热制冷系统运行参数即可，有效缩减了断路器产品设计周期。

1　断路器机柜内部热场分析

断路器机柜主要由继电器室、断路器、断路器手车室、电缆室、电流互感器、铜排、触头盒、触头、母线室、引风机等部件构成，具体的结构如图1所示，试验测得电气功率元件的总产热功率为3,804 W。

图1　断路器内部结构

除静触头、铜排和断路器外，其他部件进行简化处理，利用有限元分析软件Ansys的Icepak模块进行数值计算。取机柜的夏季最高进风温度为40℃；设置导电产热部件材料为T2铜；根据生产商提供数据，设置风机5风量为3,000 m3/h，引风机13、16、17风量均为720 m3/h，静触头发热功率175 W，真空断路器发热功率340 W，母线室铜排A、B和C的发热功率依次设置为296 W、259 W和240 W，电缆室铜排A、B和C发热功率均设置为313 W；网格采用hexa unstructured类型自动划分；压力采用标准形式，动量项和温度项均采用一阶形式进行离散化，采用紊流模型求解。KYN44A-12型断路器柜体内部元器件以及空气的温度场如图2所示。

从图2可以看出，母线室的静触头温度分布在90℃～120℃，国家标准中规定其温度上限应小于环境温度加上65 K的温升，因此其局部温升范围难以满足要求。究其根本原因，在于冷却空气的进风温度40℃偏高，为了降低机柜的夏季运行空气进风温度，匹配设计机柜的进风处理制冷系统至关重要。

图2　元器件以及内部空气的温度场

2　机柜进风处理过程分析

利用制冷机组对进风处理的空气焓-湿图如图3所示。

广州地区夏季室外空气的设计参数为（对应于图3的W点）：大气压力PB=99,992 Pa，干球温度tDB=33.5℃，湿球温度tWB=27.7℃，含湿量ω=0.02339 kg/kg干空气，露点温度tdp=27.27℃。

为了将断路器静触头的温度控制在80℃以下，机柜的空气出口温度设定为tN=60℃（对应于图3的N点）。同时为了防止柜体及部件表面凝露现象的发生，机柜的空气进口温度必须处于露点温度之上，设定为tO=27.5℃（对应于图3的O点）。

对机柜进风的具体处理过程分析如下：W→L为空气减焓降湿过程，即通过蒸发器将室外空气处理至相对湿度RH=95%、温度tL=8℃状态；L→O为空气再热防凝露过程，即通过防凝露再热器将经过减焓降湿的空气处理至高于露点温度的状态；O→N为送风空气在开关柜内的吸热增焓过程，即对柜内发热电气件的冷却过程。机柜送风量可根据下式确定。

式中：

Va——送风量，m3/s；

Qg——机柜的产热量，kW；

ρ——空气密度，kg/m3；

i——空气的比焓，kJ/kg干空气。

图3　机柜进风处理过程的空气焓-湿图

3　制冷系统设计

设计的断路器机柜制冷系统如图4所示。为了使冷却装置小型轻量化，制冷系统内部工质的工况条件设定为：冷凝温度tk=60℃，蒸发温度to=0℃，制冷压缩机吸气过热度温度△ts=10℃，冷凝器的过冷温度△tl=0℃；系统中采用环保型工质R134a、全封闭式压缩机、平行流冷凝器、翅片管式蒸发器以及防凝露再热器。

图4　散热空调制冷系统

制冷系统中各换热器的换热负荷计算如表1所示。

表1　制冷系统中热交换器的换热负荷

系统中流量调节阀用于冷凝器和防凝露再热器中工质流量的分配，以满足冷凝器和防凝露再热器换热负荷要求，其中：冷凝器中制冷剂的流量为qmk=Qk/qk，再热器中制冷剂的流量为qmr=Qr/qk，qk为制冷运行工况下的单位冷凝负荷；止逆阀作用为：当冷凝器中工质压力高于防凝露再热器中工质压力时，避免工质流向防凝露再热器。

4　静触头温升实验分析

在母线室静触头的温升实验系统中，使用光纤在线测试技术实时测量静触头的温度，测试精度为0.2℃。实验条件为：试验电流4,000 A，环境温度35℃。通过实验获得母线室A、B、C三相静触头的温升曲线如图5、图6所示。

对比图5和图6的实验数据可以发现：在4,000 A的工作电流下，机柜制冷机组停机时，母线室静触头的工作温度在90℃～120℃，具有烧蚀的风险；机柜制冷机组运行时，各个静触头温度迅速降低，其工作温度在52℃～62℃，温升范围完全满足国家标准中规定的小于65 K要求。

图5　制冷机组停机时静触头温度

图6　制冷机组运行时静触头温度

5　结论

1）基于大电流断路器夏季运行的产热负荷特点，以控制母线室静触头的温升满足国标GB 11022-2011的规定要求为研究目标，在机柜热场仿真的基础上，设计了机柜散热用制冷系统。

2）实验结果表明，构建的机柜散热用制冷系统，既可实现对机柜进风空气进行减焓、降湿、降温等功能，又可防止柜体及部件的表面凝露现象的发生，增加了大电流断路器在湿热环境下的运行可靠性。

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Matching Design and Experimental Research on Refrigerating System of Circuit Breaker Cabinet

WENG Zhao-quan*1,MENG Xiao-lei2,TANG Jing-chun2
(1-Anhui Dongfeng Mechanical and Electrical Technology Company Limited,Hefei,Anhui 230601,China；2-School of Machinery and Automobile Engineering,Hefei University of Technology,Hefei,Anhui 230009,China)

Based on the analysis of circuit breaker cabinet thermal field,the refrigerating system has been constructed accordingly. The experiment result showed that,the various static contacts operating temperature is rapidly decreased to the range of 52℃～62℃ as the cabinet refrigeration unit operates,and the static contacts temperature rise fully meets the requirements of the national standard of less than 65 K. The operation reliability of the circuit breaker in hot and humid environment is increased by the proposed refrigerating system.

Medium voltage circuit breaker； Contact temperature rise； Thermal field analysis； Refrigerating system

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.05.108

*翁兆权（1967-），男，工程师，硕士，研究方向：机械加工装备热设计和控制。联系地址：安徽东风机电科技股份有限公司，邮编：230601。联系电话：13866188277。E-mail：wzq.978@163.com。

广东电网有限责任公司科技项目基金（No.K-GD2014-0767）。