中压开关柜的散热技术探讨

1、中压开关柜的散热技术探讨2015 2015 年年 5 5 月月目录目录目录1.1.散热设计的重要性散热设计的重要性2.2.开关柜的发热源开关柜的发热源 3.3.开关柜的散热技术探讨开关柜的散热技术探讨3.13.1对流散热对流散热3.23.2传导散热传导散热3.33.3导体的辐射散热导体的辐射散热3.43.4真空灭弧室的散热真空灭弧室的散热 3.53.5通过散热片提高散热能力通过散热片提高散热能力3.63.6固体绝缘件的散热固体绝缘件的散热3.73.7通风通道及柜体的散热通风通道及柜体的散热4.4.热管散热技术的应用设想热管散热技术的应用设想 1.1.散热设计的重要性散热设计的重要性 开关柜产品

2、的额定电流提高、外壳防护等级开关柜产品的额定电流提高、外壳防护等级提高、小型化以及有些产品采用密封结构，都需提高、小型化以及有些产品采用密封结构，都需要很好地解决发热与散热问题，限制各处的温升要很好地解决发热与散热问题，限制各处的温升在许可范围内。在许可范围内。热的处理是一个难题，温升过高时会加速元件热的处理是一个难题，温升过高时会加速元件的老化，使得产品绝缘性能下降、可靠性下降。的老化，使得产品绝缘性能下降、可靠性下降。采取措施限制发热仅是解决问题的一个方面，采取措施限制发热仅是解决问题的一个方面，加强并有效地散热是解决问题的另一重要方面。加强并有效地散热是解决问题的另一重要方面。2.2.开

3、关柜的发热源开关柜的发热源 开关柜在稳定状态下的发热源有导体通电时开关柜在稳定状态下的发热源有导体通电时产生的焦耳热、感应热、介质热。产生的焦耳热、感应热、介质热。n焦耳发热：当电流流过具有电阻值的导体、导焦耳发热：当电流流过具有电阻值的导体、导体连接的接触部位时产生的能量损耗。体连接的接触部位时产生的能量损耗。n感应发热：是一种由放置在交变磁场中的导磁感应发热：是一种由放置在交变磁场中的导磁体产生的涡流损失或磁滞损失引起的发热现象。体产生的涡流损失或磁滞损失引起的发热现象。n介质发热：当电介质上加有交流电场时，会产介质发热：当电介质上加有交流电场时，会产生热损失。单位体积内产生的热损耗与频率

4、、介生热损失。单位体积内产生的热损耗与频率、介电常数、介质损失角正切、电场强度有关。电常数、介质损失角正切、电场强度有关。2.2.开关柜的发热源开关柜的发热源减少发热可采取以下措施：减少发热可采取以下措施：严格控制主回路电阻值；严格控制主回路电阻值；控制真空灭弧室的回路电阻在较低值；控制真空灭弧室的回路电阻在较低值；控制各导体连接的接触电阻；控制各导体连接的接触电阻；采用截面周长大或带散热结构的母线与分采用截面周长大或带散热结构的母线与分支母线，增大导流截面积，如：采用双支母线，增大导流截面积，如：采用双D D主母线、主母线、多片组合分支母线；多片组合分支母线；位于交变磁场中的零部件（如：柜体

5、左右位于交变磁场中的零部件（如：柜体左右侧板、中间隔板、套管安装板、螺栓、螺母等）侧板、中间隔板、套管安装板、螺栓、螺母等）采用非导磁材料制造，如：不锈钢采用非导磁材料制造，如：不锈钢1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti。 3.3.开关柜的散热技术探讨开关柜的散热技术探讨传统的散热技术有对流、传导和辐射传统的散热技术有对流、传导和辐射3 3种散热方式，结构上采取种散热方式，结构上采取和加强的散热措施有：和加强的散热措施有：对流散热，分自然的和强制的。对流散热，分自然的和强制的。依靠柜体外表面自然对流向外部放出的散热量是温差和散热面积依靠柜体外表面自然对流向外部放出的散热量是温差和散热面积的

6、函数。的函数。传导散热，把触头盒内的动、静触头中的热量向母线传导，以传导散热，把触头盒内的动、静触头中的热量向母线传导，以减轻滑动连接的触头等部位的局部热负荷。减轻滑动连接的触头等部位的局部热负荷。辐射散热，依靠辐射，柜表面向外部放出的散热量是温差和散辐射散热，依靠辐射，柜表面向外部放出的散热量是温差和散热面积的函数。断路器室内壁及分支母线表面涂装，使高温器件表面热面积的函数。断路器室内壁及分支母线表面涂装，使高温器件表面通过辐射把热量散至金属壳体。通过辐射把热量散至金属壳体。然而，对于然而，对于1 1面开关柜整体而言：面开关柜整体而言：总散热量依靠辐射的散热量依靠对流的散热量总散热量依靠辐射

7、的散热量依靠对流的散热量3.3.开关柜的散热技术探讨开关柜的散热技术探讨热管散热，热管散热是一种新技术，已在制冷行业、热管散热，热管散热是一种新技术，已在制冷行业、ITIT行业应用，在开关行业应用极少。行业应用，在开关行业应用极少。热管散热的基本原理：典型的热管由管壳、吸液芯热管散热的基本原理：典型的热管由管壳、吸液芯（毛细管）和端盖组成，热管内部被抽成真空状态，充入（毛细管）和端盖组成，热管内部被抽成真空状态，充入适当的液体，这种处在真空条件下的液体沸点低，容易挥适当的液体，这种处在真空条件下的液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。将热管分成发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔

8、材料构成。将热管分成蒸发段、冷凝段，根据应用需要在二段之间可布置绝热段。蒸发段、冷凝段，根据应用需要在二段之间可布置绝热段。当蒸发段开始受热的时候，管壁周围毛细管中的液体就会当蒸发段开始受热的时候，管壁周围毛细管中的液体就会迅速汽化，产生蒸汽，此时这部分的压力就会变大，蒸汽迅速汽化，产生蒸汽，此时这部分的压力就会变大，蒸汽流在微小压力差的牵引下向冷凝段流动。蒸汽流到达冷凝流在微小压力差的牵引下向冷凝段流动。蒸汽流到达冷凝段后，冷凝成液体，同时也放出大量的热量，最后液体再段后，冷凝成液体，同时也放出大量的热量，最后液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，完成一次循环。沿多孔材料靠毛细力的作用流

9、回蒸发段，完成一次循环。如此循环不止，热量从热管一端传至另外一端。如此循环不止，热量从热管一端传至另外一端。 3.13.1对流散热对流散热对流散热是开关柜散热的主要途径，应进行对流散热是开关柜散热的主要途径，应进行开关柜的对流散热设计并优化。底盘车下开通风开关柜的对流散热设计并优化。底盘车下开通风孔、触头盒上开通风槽引导冷风流向发热温度最孔、触头盒上开通风槽引导冷风流向发热温度最高处（断路器软连接及触头盒内）；利用烟囱效高处（断路器软连接及触头盒内）；利用烟囱效应，提高风速，增加流量；柜顶泄压板兼有散热应，提高风速，增加流量；柜顶泄压板兼有散热功能，其结构设计为波浪形，以增大通风和散热功能，其

10、结构设计为波浪形，以增大通风和散热面积；通风风道的结构。面积；通风风道的结构。3.13.1对流散热对流散热充气柜中，密封箱体内充气柜中，密封箱体内SF6SF6气体的对流散热是气体的对流散热是重要途径。重要途径。充气柜中，充气柜中，SF6SF6气体密度约为空气的气体密度约为空气的5 5倍，由倍，由于其热传导率、比热、动态粘性系数等物理参数于其热传导率、比热、动态粘性系数等物理参数与空气不同，故热传导率比空气大。发热量相同与空气不同，故热传导率比空气大。发热量相同的情况下，在的情况下，在SF6SF6气体中的导体温升值比空气中的气体中的导体温升值比空气中的小。小。0 0表压下在表压下在SF6SF6气

11、体中的温升值与空气中相比气体中的温升值与空气中相比约为约为80%80%。3.23.2传导散热传导散热因空间、结构有限，需依靠热传导将触点处因空间、结构有限，需依靠热传导将触点处局部温度高的点的热量传导到自身导体的另一端局部温度高的点的热量传导到自身导体的另一端或与之相接触的导体上，通过另一端或相接触的或与之相接触的导体上，通过另一端或相接触的导体散热。导体散热。对于开关柜的传导散热，一般来说对提高柜对于开关柜的传导散热，一般来说对提高柜体对外总散热量的直接作用不大，主要是柜内局体对外总散热量的直接作用不大，主要是柜内局部温度分布的调节。部温度分布的调节。3.33.3导体的辐射散热导体的辐射散热

12、在散热方面，考虑了对流因素、在散热方面，考虑了对流因素、连接导体间或与真空断路器灭弧室连接导体间或与真空断路器灭弧室的热传导因素外，开关柜内各导体的热传导因素外，开关柜内各导体的温度（温升）还与导体自身、柜的温度（温升）还与导体自身、柜体隔板与面板、其它相导体的辐射体隔板与面板、其它相导体的辐射热等因素有关。热等因素有关。3.33.3导体的辐射散热导体的辐射散热材料温度38149锌磨砂面0.210.21铝抛光面0.040.04粗糙面0.07-氧化面0.080.1黄铜抛光面0.100.10粗糙面0.460.50铜抛光面0.02-磨砂面0.22-氧化面0.500.50银抛光面0.020.03一般油

13、漆（包括白色）0.920.96涂料白色0.94黑色0.94几种材料的辐射率几种材料的辐射率 3.33.3导体的辐射散热导体的辐射散热几种材料对太阳能量的吸收率几种材料对太阳能量的吸收率 材料吸收率镀锌板新0.65旧0.89铝抛光面0.26银抛光面0.11铜抛光面0.26铁抛光面0.45氧化面、红锈0.74涂料白色0.110.18黑色0.97非金属表面黑0.850.95红、褐色、绿0.650.80黄0.40.6白、浅奶油色0.20.4 3.33.3导体的辐射散热导体的辐射散热 开关柜外表面或导体表面向外部辐射出的散热量是温开关柜外表面或导体表面向外部辐射出的散热量是温差、散热面积、辐射率的函数。

14、差、散热面积、辐射率的函数。 可以使分支母线、导体等高温零部件表面通过辐射把可以使分支母线、导体等高温零部件表面通过辐射把热量散至开关柜的金属外壳的内壁上，再通过金属外壳的热量散至开关柜的金属外壳的内壁上，再通过金属外壳的外表面散到周围大气中去。外表面散到周围大气中去。 通过导体表面亚光处理、涂装，提高表面红外线的辐通过导体表面亚光处理、涂装，提高表面红外线的辐射作用，提高辐射散热效率。射作用，提高辐射散热效率。 通过表面颜色的选择，具有高的辐射作用、低的吸收通过表面颜色的选择，具有高的辐射作用、低的吸收作用，提高辐射散热效率。作用，提高辐射散热效率。 通过柜体表面涂装，使柜体内表面具有吸收红

15、外线，通过柜体表面涂装，使柜体内表面具有吸收红外线，柜体外表面辐射红外线的作用，提高辐射散热效率。柜体外表面辐射红外线的作用，提高辐射散热效率。3.43.4真空灭弧室的散热真空灭弧室的散热真空有许多代表性优点，在开关行业得真空有许多代表性优点，在开关行业得到广泛应用。因真空灭弧室内无对流，使到广泛应用。因真空灭弧室内无对流，使得散热差、冷却效率低，是真空在开关行得散热差、冷却效率低，是真空在开关行业应用的代表性不足。业应用的代表性不足。开关柜中使用的真空断路器是一个发热开关柜中使用的真空断路器是一个发热源，由于真空灭弧室散热性能差需要有特源，由于真空灭弧室散热性能差需要有特别的散热方法。别的散

16、热方法。真空断路器的发热主要由灭弧室内触头真空断路器的发热主要由灭弧室内触头的接触电阻产生。的接触电阻产生。3.43.4真空灭弧室的散热真空灭弧室的散热真空灭弧室的典型结构真空灭弧室的典型结构1保护罩 2排气管 3端盖 4绝缘外壳 5屏蔽罩6静导电杆 7静触头 8动触头 9动导电杆 10波纹管 11导向套3.43.4真空灭弧室的散热真空灭弧室的散热真空灭弧室的散热分析真空灭弧室的散热分析3.43.4真空灭弧室的散热真空灭弧室的散热真空灭弧室的散热：真空灭弧室的散热：a.a.依靠热传导传到与之相连的导体上，依靠热传导传到与之相连的导体上，通过相连的导体散热，通过相连的导体散热，b.b.在满足外绝

17、缘的情况下，尽可能缩短在满足外绝缘的情况下，尽可能缩短真空灭弧室绝缘外壳的长度。真空灭弧室绝缘外壳的长度。c.c.通过对真空灭弧室的外表面涂装或包通过对真空灭弧室的外表面涂装或包覆后提高辐射散热效果。覆后提高辐射散热效果。真空灭弧室触头部分的回路电阻占整个真空灭弧室触头部分的回路电阻占整个灭弧室的绝大部分，降低该部分回路电阻灭弧室的绝大部分，降低该部分回路电阻对减少发热的作用会很大。对减少发热的作用会很大。3.53.5通过散热片提高散热能力通过散热片提高散热能力散热片的设置散热片的设置通过设置散热片以增大散热面积，提高辐射通过设置散热片以增大散热面积，提高辐射散热量和对流散热量将局部的集中热源

18、热量对热散热量和对流散热量将局部的集中热源热量对热源的外部散出，解决局部过热。源的外部散出，解决局部过热。 3.6固体绝缘件的散热 环氧树脂、聚碳酸酯等绝缘材料制造环氧树脂、聚碳酸酯等绝缘材料制造的套管类固体绝缘件，首先应减少内部导的套管类固体绝缘件，首先应减少内部导体的发热量，由于绝缘材料的热传导性能体的发热量，由于绝缘材料的热传导性能差，主要通过增大绝缘件表面积及设置对差，主要通过增大绝缘件表面积及设置对流孔、对流槽等加强与提高对流散热、辐流孔、对流槽等加强与提高对流散热、辐射散热的效率，并降低吸收率以防止或减射散热的效率，并降低吸收率以防止或减少吸收其它热源释放的热量。少吸收其它热源释放的热量。 3.7通