基于10kV开关柜发热故障的研究与分析

摘 要：本文针对一起10kV开关柜在运行中发热故障的问题，结合小车开关柜的结构对其发热根源进行分析，并对开关柜内导体电阻发热和涡流损耗提出相应的控制措施，随后通过对10kV开关柜运行实测电流、温度数据进行建模分析，推导出10kV开关柜外测温度与内测温度的相关性，对预防及分析处理同类型开关柜发热故障起到了一定的指导意义，有利于保证电网的安全、稳定运行。

关键词：10kV开关柜；发热故障；电阻发热；涡流损耗；电力系统

中图分类号：TM591 文献标识码：A

1. 10kV开关柜发热事件概述

2015年4月以来，珠海电网220kV斗门变电站10kV负荷增长迅猛，其中主变变低502断路器负荷电流长期保持了2700A以上，导致502断路器持续高温告警，严重影响电网设备的安全运行。其后经迁移改造，502断路器负荷得到了分流，当断路器负荷电流到达2350A时，502断路器触头温度保持在78℃～80℃；而当断路器负荷电流到达2450A时，502断路器触头温度则上升至86℃～88℃，超过断路器正常运行的温度告警值85℃，有可能导致502开关柜柜体发生爆炸，严重影响10kV开关柜的安全运行。本文通过对开关柜的结构进行分析，寻找发热故障的根源并通过实测的温度数据对此进行验证。

2. 故障开关柜基本情况

220kV斗门变电站主变变低502开关柜整体投产于2002年4月，其中502断路器生产厂家为常州森源电气，型号为VS1（ZN63A），断路器最大额定电流为3150A，上下触头处为镀银结构。开关柜柜体生产厂家为珠海广达电器设备有限公司，开关柜采用中置式结构，柜体采用镀铝锌钢板加工连接而成，柜体防护等级为IP4X，主要由外壳、隔室、隔板、活门等几大部分组成。隔室分为母线室、断路器室、电缆室、继电仪表室，其断路器室位于柜体中部，如图1所示。

其中A是母线室，B是断路器室，C是电缆室，D是继电仪表室，各个隔室间的隔板及柜体的面板所留的缝隙≤1mm，在运行过程中不利于开关柜内空气对流，容易引起开关柜体内温度积聚升高。

3.故障分析及应对措施

通过对小车开关柜体结构的分析，结合以往的运行经验，本文认为引起小车开关柜体发热的原因主要为电流通过导体时产生的电阻损耗发热及开关柜内铁磁体产生的涡流损耗导致的发热。

3.1 电阻损耗发热

3.1.1 铜排导体发热

铜排导体发热主要指母线排发热，由于导体发热量与电流的平方成正比，故当母排长期通过较高的负荷电流时，开关柜发热愈发明显，同时由于目前生产制造的母排中含有一定的杂质，使得其电阻率偏高，增加了发热效应，在负荷电流上升到2350A，开关柜温度有一定的跃升。

针对在特定的时间、空间内，导体的发热量与辐射量相对平衡，在设计安装母排或连接导体时，可以考虑将母排或连接导体的面积留有一定的裕度，减少温度升高的可能。如通过增大母排的宽度来增大了铝排的载流量和散热效果。文献[2]中提到黑色物质的吸热性能和热辐射能力是最强的，可以考虑将开关柜体内母线室、电缆室及断路器室的隔板喷涂成黑色来增强热量的吸收和散发。

3.1.2 电气设备连接点发热

开关柜体内电气设备连接点发热效应，主要包括连接螺栓的发热效应和柜内电流互感器发热效应。由于铝质母线排，弹性系数小，在电气设备连接点上拧连接螺栓时，若螺母的压力达到某个临界压力值再继续增加不当的压力，将会造成接触面部分变形隆起，降低接触面积，使接触电阻增大，从而影响导体接触效果。

柜内电流互感器发热主要由全密封环氧树脂浇注式结构CT引起，由于其一次绕组及铁芯散热效果较差，相当于在大电流回路中增加了两个连接接头发热源，导致CT发热问题严重。针对这种结构的开关柜，可考虑穿心式电流互感器，通过减少连接点，降低内部发热。

3.1.3 断路器触头发热

断路器触头发热主要由以下3方面构成：一是动静触头经历长期运行后其接触面的镀银层逐步脱落并形成相应的氧化膜，严重影响了断路器触头的导电性能，造成触头接触不良引起过热。二是经历长期运行，灰尘经开关柜缝隙或接触面逐步进入到断路器触头部位，在断路器触头面上形成一层脏污面，降低了断路器的接触性，引发发热效应；三是在开关柜运行中断路器动静触头间没有完全接触，两者间存在放电空隙，在大电流运行条件下发生局部放电现象，导致温度急剧升高，甚至造成开关器件损坏。

前两种发热故障可在开关停电时对触头进行更换或清灰处理，触头未完全接触引起的发热故障则需要在开关运行过程中定期进行局放监测，以便及时采取控制措施。

3.2 涡流损耗发热

3.2.1 涡流损耗原理

10kV开关柜柜体、隔室间的隔板及固定金属挡板等磁导率高的零部件在交变磁场作用下产生的损耗称为铁损，在开关柜中主要变现为涡流损耗。

开关柜在运行时产生的发热效应中，涡流损耗发热占有较大比例，当导体通过电流时母线室内横向的主母排与竖向的分支排共同作用产生交变磁场，在主母排穿墙套管金属板及柜体内隔板感应出电动势，产生大量的杂散涡流，由于这些金属板都属于导磁材料且电阻小，在其中产生的环流较大，导致发热严重。

3.2.2 涡流发热位置

通常10kV开关柜内涡流发生的主要部位有开关柜主母排间隔板、主母排穿断路器室间隔板、断路器动静触头隔板及主变进线隔板，同时涡流发热位置也随开关柜结构调整而变化。文献[2]中提到当电流小于2000A时，涡流的作用并不大，但是当电流大于2000A时，涡流的热效应就会很明显，因此为了减少涡流的热效应可以把母线套管和触头的固定板改为非导磁的316不锈钢板，能有效避免涡流引起的发热。

3.2.3 涡流损耗分析例证

在502开关柜发热期间，运行人员通过触头内置温度监控装置发现，断路器动静触头中B相温度较A、C两相温度要高出3℃～5℃，如图2所示。

断路器正常运行时，带三相对称性负荷，忽略高次谐波的影响，A、B、C三相负荷电流瞬时值ia、ib、ic可表示为：

式中：im为电流的峰值。

从式（1）可知，A、B、C三相电流在相位上互差120°相位角，三相量角之和ima+imb+imc=0，即在任何时刻，必有一相电流方向与另两相不同。当负荷电流通过断路器动静触头时，根据右手螺旋定则可知A、B、C三相电流形成的磁场恰好在AB相或BC相间形成正向叠加电磁场，故B相触头感应出的杂散涡流最强，涡流发热效应最明显。因此在10kV断路器维护检修时需对B相动静触头进行额外的保护处理，防止触头镀银层较A、C相过早氧化。

4.实测数据与分析

在502开关柜发热运行期间，针对502开关柜及同厂家生产的同类型共计10组开关柜，运行人员用红外测量技术对开关柜继电仪表室温度、开关柜本体前温度、开关柜本体后温度进行测量并记录相对应的触头温度及负荷电流数据共205组。本文采用SPSS数据分析软件对以上数据进行相关性分析。

断路器各相触头温度与负荷电流相关性见表1。

由表1可知，负荷电流与A、B、C三相触头温度有强相关性，表现出负荷电流上升带来的温升效应，验证了本文所提出的小车开关柜体发热主要由电阻及涡流损耗导致。

断路器各相触头温度与柜体温度相关性见表2。

由表2可知，继电仪表室温度、开关柜本体后温度与三相触头温度有强相关性，开关柜本体前温度与三相触头温度无相关性。以A相触头温度为例，继电仪表室温度每提高1℃，A相触头温度会提高0.285℃，开关柜本体后温度每提高1℃，A相触头温度会提高0.527℃。根据表2可得以下关系：

式中：Y为指定相触头温度，β0为相关常数项，β1为继电仪表室温度相关系数，β3为开关柜后温度相关系数，X1、X3分别为继电仪表室及开关柜后温度。

针对没有安装触头温度监控装置的同类型VS1断路器，可利用红外测量仪获取开关柜继电仪表室温度及开关柜本体后温度，并通过式（2）求取断路器各相触头温度，提高对电网运行人员对10kV断路器的监控能力，避免更严重故障的发生。

结语

在对10kV开关柜结构分析的基础上，研究引起开关柜发热的主要原因，通过实例数据验证了柜体发热的原因并提出了预测断路器触头温度的数据模型，对预防及分析处理同类型开关柜发热故障起到了一定的指导意义，有利于确保10kV供电的可靠性。

参考文献

[1]王秉政，江健武，赵灵，等.高压开关柜接触发热温度场数值计算[J].高压电器，2013，49（12）：42-48.

[2]张红光.大电流开关柜的研究与设计[J].煤矿机械，2015，36（2）：61-64.

[3]林茂基.高压开关柜的发热处理与防控[J].企业技术开发，2012，31（22）：55-57.

[4]徐雯霞.常州电网10kV开关柜运行故障分析及防止对策[J].电力设备，2008，9（2）：72-76.

[5]陈平，薛毓强.大电流母排三维涡流场-温度场耦合分析[J].电力科学与技术学报，2009，24（3）：68-71.

[6]姚正武.降低变压器二次侧箱盖的涡流发热[J].电气时代，2005（7）：100-102.