许继电气科研人员发表中压开关柜温升问题的研究成果

许继电气股份有限公司的研究人员王军委、邓小玉、孙鹏程，在2020年第12期《电气技术》上撰文，针对KYN28A-12/4000规格开关柜存在的风机数量多、总功率大，温升指标仅能满足国标要求、裕度不大等问题进行了研究，分析了目前柜体温升薄弱点主要集中在触臂与固封极柱连接处及触头盒内部，其产生原因有柜体设计载流余量不足和关键部位散热不通畅两个方面。

通过样机试制及试验验证提出了两点改进措施。结果表明，对4000A规格的手车断路器选用弹簧触指、敞开式触头盒和一体化静触头进行优化设计，可以有效减小动静触头间的啮合力，减少爬坡问题，并且温升试验也能满足要求。

开关柜的断路器手车在推进至工作位置的过程中，由于柜体导轨与手车底座之间受力不均或者导轨强度不够，导致梅花触头和柜体静触头之间出现不同心，从而引起接触不对称，梅花触头的接触压力减小，致使接触电阻增加。

在此状态下，开关设备载入大电流和长时间运行时，会造成梅花触头的压片过热，降低压片的弹性系数，从而导致对梅花触头的触片压力降低，使接触电阻进一步增大，温升继续增大，周而复始，恶性循环最终引发热性故障。

在一般开关柜中比较容易发生温升超标现象的地方就是静触头与梅花触头的接触部位，主要原因在于梅花触头与静触头搭接点的接触电阻因断路器手车频繁操作最容易变大。另外，触头接触不良还会导致母线温度分布梯度变大。

目前有的厂家为避免因温升过高引起的事故发生，采用在线测温装置和快速弧光保护装置，但是受灵敏度限制，某些情况下不能及时发现故障，仍然对设备造成损坏。

1 温升及爬坡问题解决方案

1.1 原因分析

依据经验可以得知：在开关柜中的母线连接处、断路器进出线端、触头等处是温升易超标的地方。由于这些部位在结构、材料、散热环境等方面存在差异性，导致在相同热效应下产生的温升效果存在差异。由电器学理论可知，开关柜在其运行时产生电阻损耗、铁磁损耗和介质损耗，同时这些损耗也是开关柜的热量来源。

对于中压开关柜在计算发热量时，铁磁损耗和介质损耗可以忽略不计，其主要的热量来源是电阻产生的损耗。根据能量平衡与交换原理，开关柜产生的热量主要通过热对流和热传导的散热方式传递出去。

通过以上分析可知，大电流开关柜体温升薄弱点在触臂与固封极柱连接处及触头盒内部。原因有以下两点：

1）柜体设计载流余量不足，回路电阻较大。4000A断路器配置82个触头片，理论载流量为4400A，温升试验电流为4400A；3150A断路器配置64个触头片，理论载流量为3500A，温升试验电流为3465A。

2）关键部位散热不通畅。从热源分析，真空断路器的发热量应远大于进线母排的发热量；从散热条件分析，断路器触头基本处于封闭型的触头盒内腔中，与空气接触面少，没有通风通道，散热的空间较小，热量不易随空气的自然对流和热交换散失，散热条件差，热量容易集聚。

由于梅花触头接触点少，接触压力大，在断路器与静触头啮合或分离过程中发生手车爬坡和退坡现象（额定电流≥3150A时，现象比较明显），主要是由于在啮合和退出瞬间，因受到断路器梅花触头与静触头之间啮合力的力矩及反向推力作用造成。

图1 改进后柜体总装图

图2 一体化静触头

图3 敞开式触头盒

1.2 技术方案

开关柜体的温升主要取决于其回路本身的发热和对外的散热，温升越小，开关柜的额定电流等级就能越大。增大柜体通流能力，最行之有效的方式是减小通流系统的发热和增大通流系统对外界的散热。

1）解决触头盒内部散热问题。采用散热型触头盒，配置一体化静触头，使触头盒内外形成通风通道且关键发热部位暴露在空气中。

其技术原理是改善触头盒内部导体的散热环境，提升触头盒内部空气对流能力，增大母排与空气接触面及散热空间，达到增大散热能力的目的。

2）提高动静触头啮合处载流余量，以及减小电阻值。采用弹簧触指技术，载流量提高到5600A。

选用弹簧触指的出发点主要基于其如下优点：①弹簧触指结构比较简单；②接触点多，导电性能好，动热稳定性高；③每个接触点的接触压力相比于梅花触头来说较小，镀银层在操作过程中耐磨性能好；④在手车进出柜体的过程中，接触点的压力值比较恒定，对动静触头的加工精度要求不高，具有较强的加工误差适应性。

3）底盘车丝杠螺距减小，降低摇进摇出速度。丝杠螺纹圈数由22圈改为31圈，提高断路器与柜体的配合精度和导轨强度，减少导轨变形量，提高手车进出平稳性，改善手车进出柜体时出现的爬坡和退坡现象。

1.3 方案实施过程

基于上述原因分析和技术方案的确立，从热源和散热方式两个角度考虑，通过减少回路电阻和优化触头盒散热通道来达到降低温升的目的。

图4 配新型触头的断路器

如图5所示，改善后的断路器手车包括静触头、新型触头、触臂、散热架、操作机构、固封极柱、活门推板、底盘手车，固封极柱的下端通过活门推板安装在底盘手车上，触臂安装在固封极柱上，且远离操作面一侧。

触臂端部安装有新型触头，新型触头与触臂之间通过弹簧触指连接，增加触头载流量，且触臂与触头之间还装有均匀分布的定位螺钉，静触头与新型触头对应设置，也是通过弹簧触指连接，触臂分为上下两排分别与固封极柱上下导电端子连接。

其中新型触头与触臂之间的连接如图6所示，在新型触头上安装3个均匀分布的定位螺钉，定位螺钉沿着触臂的半圆型沟槽做圆周运动以及在一定角度范围内的上下左右摆动；弹簧触指安装在新型触头的沟槽内，触臂上安装有2个限位螺钉，限制新型触头的旋转角度，3个半圆头导杆和压簧用来调节新型触头与触臂之间的同心度。同时更改底盘手车的螺纹丝杠的螺距及断路器的导轨材质，提高柜体加工精度。

静触头更改成图2所示的一体化静触头，减少导体搭接面，减少回路电阻值，且静触头设计成W型结构，增加散热面，改善温升条件。同时动静触头外部的触头盒做成图3所示的敞开式触头盒，这样就可以使触头结合处的热源产生的热量较好地通过散热通道扩散出去。

另外，静触头与新型触头随着手车慢慢插入配合时，静触头只需要克服弹簧触指的弹力，弹簧触指作为目前常用的导电连接件，安装后能使每一相的电阻值减少6左右，理论载流量达到5600A，且触头啮合力也仅为梅花触头结构的1/2；所以，手车断路器在合/分闸过程中不仅能够有效地改善“爬坡”现象，而且也起到了降低温升量的效果。

图5 改善后手车断路器结构示意图

图6 改善后触头装置结构示意图

2 试验验证

2.1 配合开关柜进出车力矩测试试验

测试项目：分别使用装配有梅花触头和弹簧触指结构的手车断路器进出开关柜，进柜力矩的大小用扭矩扳手测量；配弹簧触指结构的手车断路器更换底盘车后再次测试进柜力矩。

试验结果如图7所示。断路器手车进柜时，动触头采用弹簧触指比采用梅花触头的断路器力矩明显减小，爬坡现象也不明显；手车退出时都有回落现象，但采用弹簧触指结构的手车断路器回落现象明显较轻。更换小丝杠后进退力矩进一步减小，回落现象无明显改善。

图7 梅花触头和弹簧触指在配柜时进/出车力矩

2.2 配合开关柜温升测试试验

当电流流过开关柜各零部件接触位置时，由于其接触电阻的存在导致触头温度升高，如果触头温升过高，加快触头接触面损坏程度，导致接触电阻进一步增加，触头长期的温升过高最终会降低绝缘层的绝缘水平，缩短开关设备寿命，所以回路电阻的大小也是考核断路器温升性能好坏的一个指标。

分别对两种配套弹簧触指和梅花触头的断路器进行回路电阻测试及温升试验，验证设计方案的可行性。装配弹簧触指和梅花触头的断路器回路电阻值见表1。

表1 回路电阻值

动触头更换成弹簧触指结构后，回路电阻有所降低，单只触指簧约减少1.5电阻，单相（含静触头接触点、触臂接触点）约减少6左右，整个回路电阻减少约18%。

对KYN28A-12/4000A规格分别进行了7组试验：

1）梅花触头+封闭式触头盒。
2）触指簧+封闭式触头盒。
3）触指簧+敞开式触头盒+一体化静触头。
4）触指簧+敞开式触头盒+一体化静触头，取消母线室风机。
5）触指簧+敞开式触头盒+一体化静触头，取消母线室风机、电缆室风机。
6）触指簧+敞开式触头盒+一体化静触头，取消母线室风机，取消电缆室风机，减小断路器室风机功率。
7）触指簧+敞开式触头盒+一体化静触头，取消母线室风机，减小电缆室风机功率，减小断路器室风机功率。

试验数据见表2。

表2 试验数据对比（单位：K）

1）触指簧与梅花触头对比

试验项目：
在使用封闭触头盒及普通静触头时，对比弹簧触指与梅花触头的温升。
对比结果：
相同条件下，使用弹簧触指，柜内大部分位置温升相较使用梅花触头低，在允许范围内。

2）封闭式触头盒与敞开式触头盒+一体化静触头对比

试验项目：
弹簧触指技术，相同风机配置，对比封闭式触头盒与敞开式触头盒+一体化静触头温升。
对比结果：
在相同条件下（断路器触指簧技术）使用敞开式触头盒+一体化静触头技术后，柜内触头及弹簧触指处温升下降11.6～26K，效果非常明显。

3）母线室风机对开关柜温升影响

试验项目：
断路器室风机型号为GFMT730；
电缆室风机型号为GFDD780；
母线室风机型号为2*SF2072。
对比母线室风机对温升的影响。
对比结果：
无母线室风机时，上触头及弹簧触指位置温升比开风机时高约5K，下触头及弹簧触指位置温升基本无变化。

4）是否配置电缆室风机对温升的影响

试验项目：
电缆室风机配置型号GFMT730，电缆室风机配置型号GFDD780，母线室不配置风机，测试有无电缆室风机对开关柜温升的影响。
对比结果：
取消电缆室风机后，上三相触头及弹簧触指温升基本无变化，下三相弹簧触指温升下降约3～4K，一体化静触头B相略微上升，其他基本不变。

5）减小断路器室风机功率对温升的影响

试验项目：
母线室无风机，电缆室无风机。
对比断路器室风机GFMT730（300W）与GFMT650（120W）对开关柜温升的影响。
对比结果：
断路器室风机由300W更换为120W小功率风机后，温升上升10～20K，温度升高非常明显。

6）断路器室小功率风机+电缆室小功率风机

试验项目：
减小断路器室及电缆室风机功率。
断路器室配置GFMT650风机（120W），电缆室配置760风机（60W）。
对比结果：
减小断路器室风机功率，电缆室配置风机温升比单独减小断路器室风机功率高。

3 结论

通过样机试制，进行大量的试验，根据最后的试验数据及分析，得出如下结论：

1）手车断路器动触头更换成弹簧触指结构后能有效减小与静触头的配合力值，进车力矩减小约50%，爬坡现象基本消失，达到了预期目标。
2）弹簧触指技术对改善开关柜温升有帮助，由于接触电阻减小会减少开关柜温升。
3）敞开式触头盒对解决大电流开关柜温升问题有非常大的作用。
4）电缆室风机不应配置。
5）可酌情取消母线室风机。
6）可将断路器室风机功率降至200W左右。