12,kV中置式开关柜中2500,A电流互感器温升分析及对策

吴金雄，杨桂平

（1.厦门华电开关有限公司，福建厦门 361199；
2.江苏靖江互感器股份有限公司，江苏泰州 214500）

随着国民经济高速发展，对电力能源的需求也快速增加[1,2]。中压配电系统正在全面走向智能化、信息化。全封闭中置式开关柜用于接受和匹配3.6 kV～12 kV的网络电能，并对电力电路实行控制保护、监视和测量。因此，它是中压配电系统的重要设备，对区域安全用电起着非常重要的作用[3,4]。

封闭式中置开关柜投运后，长期2500 A及以上的电流通过母线（铜排）等导体后产生大量热量，很难散发到柜外。温度超过一定极限会对柜内的铜排、触头等一次部件及二次元件造成严重损害，长期过热运行将引起绝缘件燃烧、空开跳闸、断路异常等事故。

2500 A电流互感器是中置式开关柜的关键部件，它的技术性能直接关系到开关柜能否长期安全运行。回顾总结了同类电流互感器的现状，详细分析了其热源起因，研究了温度场的特征和热传导特性，并针对存在的结构问题，提出了限热散热方案。配制新型2500 A电流互感器的12 kV中置式开关柜顺利通过了型式试验，能够满足国家电网运行技术要求。

1.1 中置式开关柜母线（铜排等）标准要求

因为母线（铜排）、电流互感器的结构等决定温度场的分布，母线（铜排）是温升的源头[5-7]，国家标准《高压交流开关设备和控制设备标准的共用技术要求》（GB/T 11022—2020）对通电额定电流大小和电流互感器的外形、母线规格、数量及是否可配备风机冷却等都作出明确的规定，其有关内容汇总如表1所示。

从表1中可以看出，额定电流IN≤2500 A时，其电流互感器为块状式，额定电流IN≥3150 A时，电流互感器采用穿芯式。因此，2500 A电流互感器是块状式电流互感器的大电流极限规格型号。图1为电流互感器一次母线装配图。

图1 电流互感器一次母线装配图

1.2 电流互感器规定釆用块状式，散热比较困难

根据国家标准要求，目前中置式开关柜2500 A电流互感器釆用块状式。由于一次绕组浇注在本体内部，不利于散热；
其端子搭接块为扁平式，向外微凸。在开关柜中安装时，开关柜母线与电流互感器搭接块连接为接触式螺栓联结，存在接触电阻，增加了热源强度。这两种结构形态都很容易导致温升超标现象发生。

1.3 开关柜柜体进风、排风状态不合理

目前的开关柜电缆室门进风口和穿墙套管排风口为不锈钢纱网。其热量流出通道不畅，很容易导致柜内整个母线通电回路及腔内温度急剧上升。

开关柜内部热源主要有一次母线、断路器、电流互感器等形成[8,9]。这里着重分析电流互感器通电回路产生的温度场，而假定其他元部件的温度场都能满足标准技术要求。

2.1 开关柜电流互感器通电回路的主要热源

2.1.1 电流互感器通电回路的热源特性

为便于分析电流互感器通电回路的热源特性，将电流互感器等值电路图转化为电流互感器等效热源电路图。图2为块状式电流互感器电路图。

图2(b)中，最外面线框为电流互感器环氧树脂包封外表面；
内粗虚线框为铁芯；
R1外为外部一次母线（铁芯）及搭接接触电阻总和；
R1内为内部一次母线（铁芯）电阻；
X1为一次母线（铁芯）绕组；
X0和R0为励磁回路阻抗，以粗虚线连接于电路；
R2为二次绕组电阻（在内部）；
X2为二次线绕组（在内部）；
RL和XL为负载阻抗（在外部）。另外，ie为铁芯等效涡旋电流，Re为铁芯等效涡旋电阻，以虚线连接于电路。

图2 块状式电流互感器电路图

根据图2(b)可知，块状式电流互感器由内、外两部分热源组成。通过电流时，内、外热源产生的热量相互叠加后，最终需要通过母线及空气媒介才能散发出去。

2.1.2 开关柜中电流互感器通电回路的热源组成

根据块状式电流互感器结构和等效热源电路可知，其热源主要来之于三个部分。（1）导体（母线）电阻热源。在非超导工作环境状况下，任何导体电阻都不会是零,因此，导体电阻是总等效电阻的一部分。（2）接触电阻热源。一次母线系统电阻并非只由导体组成，因为开关柜母线与电流互感器搭接块连接为接触式螺栓联结，所以，还有搭接块连接之间的接触电阻[10-12]。而且，由于实际连接表面不可能做到百分之百“完美平面”，总会存在“接触有效性”问题，这部分接触电阻往往还会占有较大的比例。（3）铁芯（母线）涡流损耗和二次绕组电阻。目前铁芯（母线）质量提高，叠片很薄，涡流很小，二次电流较小，所以，这部分热源与以上两个热源相比要小得多。

2.2 开关柜中电流互感器通电回路温度场

2.2.1 电流互感器回路内部温度场

内部温度场主要由内部一次母线电阻、铁芯涡流损耗和二次绕组电阻形成。由于环氧树脂的导热系数较小（0.2 W/(m·K)），固态环氧树脂密度较大（3.1 g/cm3），其比热容量也较大（550 J/(kg·℃)），所以在通电初期，内部热源要经过一段时间才能将热量传递出来。达到热平衡后，外包固体环氧树脂层将是具有稳定热源的温度场。

2.2.2 电流互感器外部回路温度场

外部温度场由搭接端子接触电阻热源和环氧树脂层热源叠加而成。封闭状态下，由于空气的导热系数很小（0.023 W/(m·k)），而内部和外部热源仍然持续产生热量。如果散热较慢，必将使互感器内部产生温度较高的温度场，并又使得外部温度场进一步加强。如此循环往复，使得内外温度场强度不断上升。

2.3 开关柜中温度场的热传导分析

热传导是热量从温度高的区域向温度低的区域转移现象[13]。假设温度在空间分布和时间中的变化函数为u（x，y，z，t），ut=∂u/∂t为温度的时间增加率，k为热传导系数且介质均匀，ρ为介质密度，c为介质比热，热源强度(单位时间在单位体积中产生的热量)为F(x，y，z，t)，外部没有其他热源，根据数学物理方法,其热传递方程为：

在这里的热源强度可以等价为：F(xk，yk，zk，t)=Q/t=I2R，其中xk，yk，zk（k=1、2、3，）为常数，分别表示三相电流互感器热源坐标值。所以，单相电流互感器热传递方程为：

无论是内部温度场还是外部温度场，其最终都是通过母线后再以空气为媒介将热量散发出去。由上式可知，温度的时间增加率ut与cρ成反比。因为空气的cρ一般都远小于1，开关柜内部空间又很窄，所以，如果散热措施不恰当，那么柜体内环境温度将迅速上升。

3.1 增加电流互感器一次导体的截面，降低电流密度，减少导体电阻

为了减小热源强度，首先考虑适应增加一次导体截面积。因国家电网对电流互感器外的母线作了规范要求，不能更改变动；
现只将电流互感器一次母线（绕组）紫铜T2直径由原来的φ36 mm改为φ45 mm，从而减少了导体电阻。

3.2 改进搭接块连接方式，增加一次搭接块的搭接面积

由以上分析还可以知道，一次母线和电流互感器搭接块间接触面不够及不良很容易造成温升超标，严重接触不良时甚至会造成烧毁现象发生[14-16]。所以，安装时除了保持表面清洁无氧化层外，还增加电流互感器一次搭接块的搭接面，由80 mm×80 mm增加至100 mm×100 mm。这样既增加其和母线间的接触面积，减少了接触电阻，更便于它们传热、散热。

3.3 改进电流互感器内部导体结构，保证内部导体散热均匀

电流互感器为块状式，其一次母线有一部分在环氧浇注体内部，所以，既要考虑电流互感器受限于体积及成本，又要能保证让其散热更均匀。现将内部的一次导体改为阶梯式结构，接近圆柱形。

3.4 改进开关柜电缆室门进风口和顶部穿墙套管排风口

尽量减小热源是根本，但是很难彻底消除热源。所以，在采取措施减少总电阻值的同时，还必须考虑采取行之有效的措施，设法把热量及时排出柜外，以保证温升在设备运行安全范围之内。

3.4.1 进口风采用新型释压板

电缆室门（柜子后下门）进风口由原来的不锈钢纱网更换为喷黑色粉未漆的1.0 mm×5 mm释压板。这种释压板为1 mm厚钢板，经专业冲压成1.0 mm×5 mm百叶窗式网格孔，安装时其5 mm长孔排列为上下方向。这样既保证其IP4X的要求，同时，也为进风起导向作用。而且喷黑色油漆，增加散热功能。

3.4.2 穿墙套管排风口也采用新型释压板

穿墙套管排风口纱网同时更换为喷黑色粉末漆的1.0 mm×5 mm释压板。这种释压板除了其为1.0 mm×5 mm的网孔外，而且还做成V型形状，导风效果更好，更能有效地传热、散热。试验采用这种1.0 mm×5 mm释压板，最高点温升为电流互感器上端B相73.2 K，满足了国家电网公司的技术要求。

4.1 测试过程

为了对上述分析数据进行验证，2500 A进线柜的电流互感器母线搭接处最高温升为90.0 K左右，三相通电2500 A电流持续达到热平衡稳定，在1 h的通电时间内温升不超过1.0 K。通常通电时间一般为10.0 h～12.0 h可达到平衡稳定。测试是通过各测试点埋接温度传感器来获取温度值，温度传感器连接到型号为GLY-04-C04温度采集仪上，其每5 min自动采集及记录一次测试温度。GLY-04-C04温度采集仪一次最多可采集100点上的数据。

4.2 测试过程数据

表2原开关柜中温升超标各点测试数据。表3为开关柜中2500 A电流互感器改进后温升超标各点测试数据。表4为开关柜中伍部改进后温升超标各点测试数据。结果表明，最高点温升为电流互感器上端B相测试点温升73.2 K，低于75.0 K，满足了国家电网公司的不高于75.0 K的技术要求，即12 kV中置式开关柜中2500 A电流互感器等所有测试点温升符合国家电网公司标准要求。

表2 原开关柜中温升超标各点测试数据

表3 开关柜中2500A电流互感器改进后温升超标各点测试数据

表4 开关柜中伍部改进后温升超标各点测试数据

开关柜内温度可以通过增加2500 A电流互感器母线面积和其结构来有效降低电阻，降低其发热来降低和母线搭接处等的温升；
同时通过改进柜子进、出风口的材料、结构来保证进、出风顺畅，改变介质密度来改善散热，降低温升。这些通过上述数据分析及多次的温升测试得到了验证，保证了中置式开关柜温升降低到符合国家电网公司的标准要求，确保设备安全连续运行。通过降低电流互感器导体电阻及开关柜中介质密度的改进，温升可降低15.0 K左右。

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