浅谈开关柜热管散热结构与设计优化

浅谈开关柜热管散热结构与设计优化

何洪亮

广东必达电器有限公司广东佛山528309

摘要：本文结合开关柜的工作特点，对热管换热器结构进行详细分析，并根据热管换热器和整个系统安全性、可靠性的要求对开关柜的设计结构进行了修改，使得系统的热设计在不破坏其可靠性、绝缘性和安全性的情况下，取得更好的运行效果。

关键字：开关柜；结构改造；热管换热器；散热设计

目前，大功率可控硅整流装置一般采用铝散热器或铜散热器，通过强迫风冷的方式对功率器件进行散热。在长期的工程运行和维护中，我们发现此类结构仍存在很多问题，密闭风道结构不利于功率器件的检测、维护和更换；且运行中粉尘被高速的风，带入风道，堆积在散热器上，影响散热性能，带电粉尘还会降低绝缘性能；而由于散热完全依赖风机，风机在长期运行中一旦出现任何故障，该设备就基本退出运行，设备的可靠性大大降低。特别在开关成套设备更是对长期运行时，风机的使用持有矛盾的心里。因此，自然对流散热技术越来越得到工程技术人员的重视，并将成为设备的发展方向。

一、热管散热装置结构设计

热管通常包括蒸发段、绝热段、冷凝段三个区段。工作时，蒸发段因吸热而使毛细材料中工作液体蒸发，蒸汽流向冷凝段，在冷凝段散热冷却，蒸汽转化为液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环进行，实现热量由蒸发段向冷凝段传递。母线室和电缆室的热管换热器均采用铜粉末烧结管芯的铜-水热管，固定块和带开窗的翅片结构形式。其中，母线室热管换热器的蒸发段在下，冷凝段在上，重力辅助热管冷凝后的工质重新流回蒸发段继续传热循环，故母线室热管换热器为竖直安装，翅片呈波浪状，热管未发生弯折等变形；与此相对应，电缆室热管换热器的蒸发段在上，冷凝段在下，重力阻碍热管工质流向冷凝段进行冷凝过程，前后安装空间充足，因此，电缆室热管换热器为“L形”，并加宽平薄翅片间距。因为在自然对流的条件下，散热鳍片壁面附近的空气为层流（流动边界层）的状态，边界层的厚度约为2mm，因此鳍片间隔需在4mm以上才能确保自然对流顺利。由于开关柜工作时动静触头连接产热较大，为工质相变传热循环完成将封闭空间的热量导出，控制静触头温升的目的。

二、实验测试及结果分析

为了试验热管结构效果，我们分别在同种结构条件下的开关柜（设备均为自然对流状态，试验电流均为4000A）进行了五种类别的温升试验。

试验类别一：环境温度34℃，触头均无热管安装，采用无风道的触头盒。

通过试验结果，可以分析，动静触头集热严重，热量无法散出，根据此情况，我们决定在静触头处安装热管散热器改善散热。

试验类别二：环境温度29℃，触头A相无热管安装，触头B，C相均有热管安装。

通过试验结果，可以分析，上桩B、C相安装热管和A相不安装的进行比较，温升仅相差几K，B、C相由于热管为叠加式安装，造成一次回路电阻值的增加，导致三相触头温升的区别不大，由于热管安装在静触头与铜排之间，接触电阻就会相应的增加2.5μΩ左右（在90℃），额外热量的增加及热管散热的综合效果来看，效果不明显。由此可知，还是应避免多余热量的产生，同种工况下热量对温升的影响很大。

试验类别三：环境温度30℃，触头A相均无热管安装，触头B，C相均装热管（热管安装在静触头的上方）。

通过试验结果，可以分析，热管安装位置离动静触头较远，热传导距离大，降低了热管的利用效率，下桩部分热管较接近标准要求。

经过讨论和分析，我们决定对热管安装结构进行优化，将热管安装在静触头上，通过抱箍的形式进行安装。开关柜的散热通道对热管的散热效率有极大的影响。开关柜为适应热管散热的需求，进行风道的更改。

试验类别四：环境温度32℃，触头均无热管安装，采用有风道的触头盒。

开关柜的风道改进较为成功，较原有柜型的温升下降7K左右，见试验类别一。

我们将热管直接安装在静触头的周围，采用抱箍结构夹紧安装。试验样机将新结构热管安装于A、B、C相上触头盒内，下触头盒内的A、B、C相安装原有L结构热管。

试验类别五：环境温度30℃，触头均有热管安装，采用有风道的触头盒。

通过比较不同结构热管安装的温升，进行分析，找到最佳结构，优化设计，最终满足产品使用要求。

三、结构设计优化

3.1触头结构

触头结构既能采用单螺栓联接也可以采用四个螺栓联接，应此通用性好，可互换。由于母线室和电缆室的热管换热器均使用金属固定块且断路器手车的行程保持不变，为保证动静触头有效插入深度，安装热管换热器后静触头的长度减小20mm。

根据静触头本身结构特点，加强静触头本身的散热能力，我们优化设计了，静触头增加鳍片式设计，在对流合理的相同条件下，温升可降低6k左右。

3.2触头盒

触头盒底部采用了平底结构设计，并在右端开有拱形带帽檐气道，前下室的进风口就可以将空气经过断路器底板的气孔送入母线室和电缆室。后下室的进风口和母线室顶部的出风口相互配合，协同改善母线室气流组织。通过热管换热器和局部气道双重途径，共同强化触头散热。

3.3热管固定块

热管固定块为直径120mm，厚度20mm的圆柱，端面有五个用于螺栓安装固定的孔，其中，四个螺栓孔直径较小，安装后四个螺栓呈“◇”分布，主要供近年生产设计的开关柜安装使用；中心的螺栓孔直径较大，主要用于老旧开关开关柜安装使用。热管插入底部后采用高温锡焊将热管固定块和热管固结在一起，抱箍式热管散热器以下底部为开放式结构，锁螺丝固定，比圆底板设计更灵活，安装更方便。

四、结束语

实验结果表明：安装热管换热器后，即使母线室和电缆室的风机被关闭，开关柜的动静触头温度也得到了明显的降低。开关柜的铜排凭借和空气较大的接触面积及较敞开的安装环境能够实现较为充分的散热，手车式开关柜的触头安装与较为封闭的触头盒内，触头的过热会逐步使绝缘件等部件劣化，最终开关柜的绝缘遭到破坏，使开关柜击穿，短路、烧毁等严重事故，引起配电系统大范围停电，扩大事故的范围和影响。

参考文献：

[1]梁文滨.刍议高压开关柜的设计与应用[J].中国新技术新产品.2014（22）

[2]安全喜.高压开关柜绝缘事故分析与风险防范[J].信息通信.2014（02）