可减少中压开关柜柜体电能损耗的节能环

闫新，钟明，王青

（1.黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450000；2.南水北调中线干线工程建设管理局渠首分局，河南 南阳 473000）

1 中压开关柜柜体电能损耗节能环产生的技术背景

电力系统由发电、变电、输电、配电等环节组成，其中配电环节所使用的中压开关柜（包括10kV开关柜和35kV开关柜）数量是巨大的，通常一段10kV母线或35kV母线系统所使用的开关柜数量由几面到十几面不等，大容量的配电系统中一段母线上的开关柜数量多达二十多面。根据电气主接线的形式，开关柜内有单母线或双母线穿越各柜体之间，形成完整的母线系统。为保证每面柜体达到一定要求的防护等级，目前各开关生产厂的生产工艺均采用在母线室的左右两侧利用敷铝锌板或经过防腐处理的冷轧钢板作为侧板进行封闭，并预先在机床上加工做好圆形的开孔供安装环氧树脂套管（每相母线对应一个开孔），母线在环氧树脂套管中进入相邻的开关柜母线室内。为避免单根母线穿越柜体侧板时产生磁场形成的涡流造成开关柜体发热和电能的损失，将三个供安装环氧树脂套管的圆形开孔之间切割两条缝隙，使得三相母线开孔联通形成一个整体的空气间隙。开关柜体侧板开孔及缝隙分割图见图1。

图1 开关柜体侧板开孔及缝隙分割（实物图片）

如将母线穿越柜体侧板的位置视为一个接点，根据基尔霍夫电流定律，三相对称运行的母线流进（流出）该节点的电流的矢量和为零，在含盖三相母线的包络面上不产生磁场，同时柜体侧板也不产生任何电能损失。这种工作条件只能认为是一种理想状况，实际工作能耗情况分析如下。

（1）所有的三相用电负荷均非完全对称。中压配电回路所供负荷存在单相负荷和三相负荷，所谓三相对称负荷只是负荷的不平衡度相对较小。因此，柜内的三相电路都不是完全对称运行，在含盖三相母线的包络面上仍然存在交变的磁场，柜体侧板存在涡流及电能损失。电能损失的大小随母线电流的增大而增大，随母线电流的减小而减小。

（2）即使开关柜内的三相电路工作在完全对称运行状态，三相母线根据制造工艺的要求,其布置不具备几何对称性，利用数学微元法分析，在开关柜侧板母线周边的任意一个微小的区域内的磁感应强度仍然不为零，磁感应强度值的大小随时间的变化也在变化，微小的区域内也存在涡流及电能损失,可以推断整个母线室侧板也存在涡流及电能损失。电能损失的大小随母线电流的增大而增大，随母线电流的减小而减少。

2 减少开关柜柜体电能损耗的解决方案

中压开关柜柜体电能损耗节能环要解决的技术问题是减少柜体的电能损耗，为柜体内主母线穿越侧板处提供一种新的结构型式，围绕三相母线周围环形布置一种呈现导磁率高、电阻率高的材料，降低开关柜柜体的电能损耗。

支撑中压开关柜体电能损耗节能环进行节能的理论及原理为：并联磁路中，材质导磁率高的回路磁通量大，材质导磁率低的回路磁通量小；并联电路中或具有相同电动势的两个支路中，电阻大的回路通过的电流值小（电能做功小），电阻小的回路通过的电流值大（电能做功大）。开关柜柜体侧板在主母线通过的电流产生感应电动势，从而产生涡流。涡流产生电能损耗，要想消除或减少这种损耗就要分析开关柜柜体侧板材质的特性及电能损耗原因，柜体侧板大多采用敷铝锌板或经防腐处理的冷轧钢板，具有一定的导磁率（比空气导磁率高）和电阻率，当柜体侧板周围有磁场时，磁力线会集中在柜体侧板上（侧板比空气导磁率高）形成较大涡流。中压开关柜柜体电能损耗节能环选用的材质导磁率越高、电阻率越高越具有明显的节能效果，理想的状态是所有的磁场都由中压开关柜体电能损耗节能环中通过，产生的感应电动势形成的电流回路电阻很大（趋近无穷大），这样既在开关柜侧板中无电能损失，中压开关柜体电能损耗节能环中也无电能损失。

3 在中压开关柜柜体上应用节能环的制作及安装参考图

节能环的制作及安装应根据中压开关柜侧板母线穿孔尺寸，确定节能环的开孔尺寸，根据母线电流的大小确定节能环的有效导磁截面，节能环的厚度。节能环的制作图见图2、图3。中压开关柜柜体侧板开孔图见图4，节能环的装配示意图见图5。

图2 节能环制作图

图3 节能环制作A-A剖面图

图4 柜体侧板开孔图

图5 节能环装配示意图

4 节能环在中压开关柜柜体上应用的措施

（1）节能环在实施过程中不改变原中压开关柜的原有设计内容。

（2）根据侧板母线开孔制作中压开关柜体电能损耗节能环，保持节能环的开孔与侧板母线开孔一致，包括用于固定母线套管的固定螺栓孔也完全一致。节能环的材质可选用铁基非晶合金带材，铁基非晶合金带材多层叠加（每层厚度大约2mm，与侧板的厚度相当），叠加层数由四层至七层不等。对于母线额定电流为630A和1250A时叠加五层，母线额定电流为1600A和2000A时叠加六层，母线额定电流为2500A和3150A时叠加七层，母线额定电流为4000A时叠加八层（节能环叠加层数在实际应用过程中可以通过试验结果调整到最佳层数），然后将节能环用环氧树脂进行浇注做到整齐美观。

（3）中压开关柜装配穿越母线套管时，在开关柜母线室的侧板处将节能环装在侧板内侧和外侧各一个（侧板双侧安装），和母线套管使用同一螺栓固定。

5 节能环在中压开关柜柜体上应用的预期节能效果

中压开关柜体电能损耗节能环应用到电力系统中将起到明显的节能效果，估算国内电力系统中压开关柜的使用数量在3000～4000万面之间，平均每面开关柜母线穿越侧板电能损失约为150W，采用中压开关柜体电能损耗节能环后，可节约70%以上的电能损失，每面开关柜内节约能耗约为105W，可为全国电力系统节约315～420万kW发电容量。

6 结语

中压开关柜柜体电能损耗节能环可减少柜体的电能损耗，其节能措施具有理论支持，具体节能效果有待实践中验证。本文引用的技术数据仅为初估数据。建议有技术有经验具备对中压开关柜柜体电能损耗节能环的应用进行试验检验其节能效果的设备制造厂家，能够参加节能环的研究与完善，最终生产出柜体节能型中压开关柜。