小议改进大参数开关柜主回路设计技术

【摘　要】随着配电变压器单体容量的不断加大，4000A以上的大电流柜出现了大量的应用。由于配电母线的回路损耗与回路电阻和流过回路电流的平方成正比，因此导致柜内温升出现较大幅度的增加。同时，开关柜构架的设计对大电流的电磁损耗也起到很关键的影响。文章主要探讨分析了改进大电流开关柜主回路设计技术,可供同行交流。

【关键词】大电流开关柜;主回路设计;损耗;改进优化

0.引言

近年来，随着配电变压器单体容量的不断加大，4000A以上的大电流柜出现了大量的应用。市场对中压大参数交流金属封闭开关设备(以下简称开关柜)的需求逐年增加，如12kV开关柜，额定电流要达到4000～6300A甚至8000A,额定开断电流达63kA或更大。对这样的大参数开关柜，关键技术主要有两项：一是一次回路的动热稳定性能的满足；二是降低回路与柜架的损耗和发热，以及柜内通风散热与主触头温度的在线监测。其实，对载流主回路进行优化，减少铜铝有色金属的用量，既对制造厂有经济利益，也具有节约资源的社会意义，并且还可提高产品的可靠性，减少用户在产品全寿命周期的成本投入，对产品制造商、用户和社会都有价值。

1.任务的提出

开关柜是除外部连接外，由完全封闭于接地金属外壳内的开关元件、相关的控制、测量、保护装置及其内部连接、支持件，连同该外壳所构成的设备的总称。大电流开关柜的主回路，包括断路器、主触头系统（或隔离开关）等开关元件、主母线、分支连接母线、电流电压互感器、过电压保护装置、以及接地系统等组成。其中，开关元件的载流部件是独立设计的，可采用复杂的异型结构件来满足在相应条件下的许可温升要求，装于开关柜内时只考虑符合它们的安装条件，如风道、与铁磁材料构件的距离等即可。而对主母线和分支母线，必须要考虑长跨距和连接标准化的要求来满足母线系统的动热稳定要求，因此设计中都是选择特定截面型式和尺寸的导体，根据回路电流大小去确定各相所需使用的导体根数及布置。本文为对多导体载流系统布置和导体截面的优化进行研究，提出一些技术措施。

2.多导体之间的附加损耗系数

在相邻的两导体构成的交流电流回路中，由于导体的自感、互感和分布电容等的影响，每根导体的载流都会受到自身截面形状、尺寸和相邻导体的影响。宏观来看，这些影响可以用导体在交流条件的电阻相对于直流条件的电阻的变化，即采用附加损耗系数来描述：

Ra＝Ka*Rd

Ka＝Ksa*Kpa

式中Ra—导体的交流电阻 Rd—导体的直流电阻

Ksa—导体的集肤效应系数 Kpa—导体的邻近效应系数

在导体截面一定时，一个导体受另一相邻导体作用的邻近效应，与相邻导体通过电流时所产生磁场的磁感应强度大小、方向和它自身电流的方向有关。在每相由多根导体构成的三相交流载流系统中，同相两导体之间的邻近效应表现为使导体的电流分布趋向两导体的外侧，而不同相的两导体之间，由于两导体电流之间存在120°相差，其邻近效应使电流分布偏于趋向内侧。这样，系统定导体所受其他导体影响的总邻近效应系数就还与该导体的相别和所处位置相关。

3.开关柜主回路的改进优化目标

开关柜结构件，包括主回路各部件的温升应符合GB/T11022《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》规定的许可温升值。因此，对其优化的最终目标应该为：在试验电流(1.1倍额定电流)和满足标准规定的许可温升值下，使所使用的导体的截面积总和最小，或者说要使导体的电流密度最大化。

在图1所示的各相四导体三相载流系统的试验中发现，这些同截面导体的温升，与每一导体各自的平均电流密度值呈现为密切的正相关关系，以致可以不需考虑导体受邻近效应产生的在导体整个截面区域内实际电流密度分布不均匀的影响。这样，就把多导体布置的优化任务简化为在符合温升规定下提高各导体载流的均衡性。经过对不同截面导体的比较，以在相同温升值下，各自载流的电流密度大小作为判据。

（a）直列布置

（b）交叉布置

图1 三相多导体载流系统试验模型

4.各相四导体三相载流系统的试验

试验模型如图1所示，每相回路由4根立放的铜母线(TMY120×100)构成，图a为各导体平行直列布置，图b为A、C相外侧导体与内侧导体在长度方向的中点用特制连接件进行了换位，每相4根导体之间的间距依次为10mm、55mm、10mm，等同于开关柜实际结构中母线支持金具的结构。试验时，通以三相平衡电流，对每根导体的载流进行单独测量，计算出各导体载流占相总电流的比例。

分析电流的比例数据，可以得到：(1)直列布置时，边相内、外侧导体的总附加损耗差异非常大，在1倍左右，而中相导体间的差异也较大。在300mm相距时，取各相载流最大导体与载流最小导体进行比较，C相C4与C2的载流之比为2.11，也即C2附加损耗为C4的2.11倍；B相B1 与B3的电流之比也达1.55。

(2)交叉布置时，各导体附加损耗大致接近。在300mm相距时，同第(1)条比较方法取样，C相C2与C3的电流之比仅为1.33，B相B2与B1的电流之比为1.17。如果采用完全换位接线，载流均匀性还会进一步提高。

(3)对不同相距下各导体载流比例的离散度进行统计分析，标准差为：在300mm、350mm、400mm 相距下，直列布置时分别为0.0626 、0.0566、0.0526，交叉布置时分别为0.0245、0.0238、0.0268。由此可以确定：直列布置时，导体载流的均匀度随相距增大而提高，但与相距的变化并不是线性关系，在相距为300mm与350mm之间的均匀度变化偏大，而在相距为350mm与400mm之间的均匀度变化就非常小；交叉布置时，在12kV开关柜适宜采用的上述相距尺寸范围内，相距的变化对载流均匀度的影响较小。

5.异形截面导体的应用

开关柜的主母线，可以采用管形、槽形、角形等异形母线，以降低导体的附加损耗，提高其载流能力。目前，在国内大量使用的有管形和槽形母线中，但还未见角型母线的应用。我们采取双角形母线试验模型，角形母线边高为60mm,厚为6mm,总截面面积和为1322mm2比对模型为每相2-TMY100×8导体平行置、间距55mm，相距和外壳条件一致。试验电流为2500A、2750A、3000A，各次通流时，在相同位置点进行温升测量，A相母线的测点，分别按左右两导体的前端(电流引入端)、中点、后端(短连线端)标记为A1至A6，B、C相相同。

比较各测点温升值，双矩形模型在2750 A时的温升值基本介于双角形模型在2500A与2750A的温升值之间。计算平均电流密度，双矩形母线为1.72A/mm2，双角形导体为1.89A/mm2和2.08A/mm2。可以近似估算，该条件下，同截面积角形母线的许可载流量约为矩形导体的1.15倍。

6.结束语

(1)大参数开关柜内存在由多根矩形导体构成的回路，通过每相各导体交叉换位的方式来提高其载流能力，或降低其在额定参数下的温升，会有显著效果。但是，通过对每相直列布置的导体通过设置短连点的方式不能达到均流效果。

(2)同截面角形母线的载流量比矩形等结构母线的允许载流要大，即使按15%差异来算，也是很可观的。而开关柜使用角形导体做主母线，在下引分支母线的连接实现上还比使用管形或槽形导体更方便。据了解，国内尚无角形母线产品，应予开发推广。

(3)大参数开关柜的主回路的优化布置，还要考虑主回路通流对柜壳和隔板的电磁效应，以及通风道的设计，甚至主触头系统的在线温度监测。

(4)大参数开关柜机柜散热的主要方式有两种，一是热辐射，二是空气对流，实际上开关柜内的散热主要是通过柜内空气流动散热。机柜通过风扇通风式，可按下式来计算温升：

Trise=（0.053×发热功率）/机柜内空气流量（m3/min）

(5)另外，在大参数开关柜中，柜体结构的防涡流设计也是需要特别注意的，尤其是在大参数的低压开关柜的结构设计中。