基于热管技术的大电流开关柜自然散热系统

摘要

本发明属于开关柜散热技术领域，尤其涉及基于热管技术的大电流开关柜自然散热系统。是在开关柜本体内设有母线室、断路器室、电缆室及仪表室，还设有多组温度传感器、多组湿度传感器和多组烟雾传感器；在母线室、断路器室和电缆室内分别设有吸热组件，在母线室和电缆室内分别连接有触头盒；一组触头盒一端与断路器室内部的真空断路器连接，另一端与分支母排连接，分支母排另一端与母线室上的主母排连接；另一组触头盒与电流互感器输入端连接，电流互感器输出端通过母排分别与接地开关、电压互感器、避雷器、电缆接头端连接；开关柜本体顶部设有散热器。本发明能够实现开关柜自然冷却和对开关柜温升的在线检测，提高散热系统的智能化水平。

说明书

技术领域

本发明属于开关柜散热技术领域，尤其涉及一种基于热管技术的大电流开关柜自然散热系统。

背景技术

随着城市空间的不断拓展，电力负荷快速发展，负荷密度越来越大，变电站单台主变容量逐步增大，B类及以上供电区主变110kV规划容量以50MVA为主，10kV进线柜的额定电流高达2887A。而我国12kV开关柜基本采用KYN系列金属移开式封闭开关设备，这种设备最大瓶颈就是额定电流，在夏高峰时段，开关柜发热问题十分严重。在变电站开关柜发生的事故中，其中有55%发生在大电流进线柜和联络柜上，其原因就是柜内温升过高，引发开关柜事故。以KYN28—12开关柜为例，冷却系统采用强制风冷来保证开关柜的温升要求。强制风冷多了一个事故源，即一旦风机出现故障，则开关柜内温度急剧上升，首当其冲是触头盒内的动插头弹簧高温下变软，触头压力下降，温度上升，打火，最终造成触头盒烧毁，相间短路,开关柜爆炸。更有甚者，一次爆炸迅速波及周边其他开关柜及其他设备，引发连锁爆炸。另外，开关柜长期高温运行，加速绝缘件老化速度，降低开关柜使用寿命，最终导致突发事故发生。据估算，每次发生这样事故造成的直接经济损失超过60万元，带来的社会负面影响难以估量。2012年发生在广州市的开关柜爆炸伤人事件造成极大经济损失和严重的社会影响。开关柜过热已成为输变电行业迫切需要解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种基于热管技术的大电流开关柜自然散热系统。其目的是为了实现解决开关柜无风机强迫风冷条件下长期低温运行以及减少动触头弹簧的负载热量的问题的发明目的。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

基于热管技术的大电流开关柜自然散热系统，包括开关柜本体，在开关柜本体内设有母线室、断路器室、电缆室及仪表室，开关柜本体内还设有多组温度传感器、多组湿度传感器和多组烟雾传感器；在母线室、断路器室和电缆室的后侧板上分别设置有吸热组件，在母线室和电缆室的前侧板上分别连接有触头盒；一组触头盒的一端与断路器室内部的真空断路器相连接，触头盒的另一端与分支母排相连接，分支母排的另一端与母线室上的主母排连接；另一组触头盒与电流互感器的输入端相连接，电流互感器的输出端通过母排分别与接地开关、电压互感器、避雷器、电缆接头端连接；开关柜本体的顶部一侧设置有第二散热器，第二散热器的底部连接有第二热管，第二热管的吸热端贯穿开关柜本体的顶部伸入至仪表室的内部。

进一步的，所述吸热组件包括基板以及排布在基板上的第一热管。

进一步的，所述触头盒的入口端与断路器室内部的真空断路器的导电杆一端连接的动触头位置对应；触头盒外壁内嵌有两组第三热管，且两组第三热管的一端均伸入至触头盒的内部，两组第三热管的另一端缠绕在触头盒的外壁上；触头盒的外壁开设有弧形槽，弧形槽的上方紧密贴合第三热管的外表面装设有散热架，散热架的两端固定连接在弧形槽的两侧，且散热架的顶部设置有散热片；

所述触头盒内部切合内侧壁纵向设置有固定板，固定板中心处横向贯穿有静触头，静触头通过固定板固定在触头盒内部；静触头的一端与对应的分支母排固定连接，静触头的另一端与真空断路器上的动触头卡接；分支母排的另一端通过触头盒上的出线口伸出与母线室内部对应的主母排连接。

所述触头盒的外壳体可选用环氧树脂制成，所述散热架选用导热性能强的绝缘导热片制成。

进一步的，所述多组温度传感器为无源无线温度传感器，多组温度传感器分别设置在开关柜的内侧板以及高压触头点上。

进一步的，所述动触头为筒状体，其内部纵向排布有多根筋条，且筋条的两端均为向外侧弯折的弧形状，筋条的外壁等距分布有多组弹簧，弹簧的两端设置有弹簧座；弹簧的一端通过弹簧座与筋条固定连接，弹簧的另一端通过弹簧座与绝缘层固定连接；绝缘层的外周胶粘有金属壳，绝缘层选用环氧树脂或者橡胶制成。

进一步的，所述导电杆的外周等间隔设置有多个弧形卡槽，筋条的内侧壁设置有与弧形卡槽匹配的弧形卡块，动触头通过多个弧形卡块与对应的弧形卡槽固定卡接在导电杆的外周。

进一步的，所述母线室的侧板上设有主母排，主母排分为A、B、C三相，其外周与开关柜本体之间设有穿墙套管，A、B、C三相主母排分别与对应的分支母排的一端连接，三组分支母排的另一端分别与母线室前侧板上横向设置的三个触头盒内部的静触头连接；分支母排通过出线口穿入触头盒内部并通过连接在静触头的一端。

进一步的，所述断路器室内的吸热组件上的第一热管的一端贯穿后侧板延伸至母线室内部，并与母线室前侧板上的第三散热器连接；母线室内的吸热组件上的第一热管的一端贯穿后侧板延伸至电缆室内部，并贯穿电缆室的顶部与第一散热器连接；电缆室内的吸热组件上的第一热管的一端贯穿电缆室的顶部与第一散热器连接；第一散热器设置在开关柜本体的顶部。

进一步的，所述第一热管、第二热管、第三热管均选用中空的金属管，其内部设有冷凝剂；所述基板、第一热管、第二热管、第三热管、第三散热器、散热架的表面均涂有导热绝缘漆。

进一步的，所述仪表室内设有继电器、接线端子及通讯模块，无线通讯模块和控制器相连接，仪表室的顶部设有天线穿孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用热管技术，通过相变传热原理将开关柜内热量进行吸收，经过散热器实施散热，可在开关柜无风机强迫风冷条件下长期低温运行，实现了开关柜自然冷却。

本发明通过对触头盒进行了改进，分别在动静触头区域嵌入热管，并使另一端套设有散热架的热管固定缠绕在触头盒外壁，能够快速的对触头盒内部温度进行散热，避免触头盒内温度过高造成损坏；

本发明通过对动触头结构进行了改进，避免大电流通过动触头外围弹簧，减少了动触头弹簧负载热量，提高了弹簧使用寿命；

本发明通过在开关柜内布设温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器以及无线通讯模块，实现了对开关柜温升的在线检测，并进行远程监测与自动记录，提高散热系统的智能化水平。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的开关柜内部结构示意图；

图2为本发明的吸热组件结构示意图；

图3为本发明的热管技术原理示意图；

图4为本发明的触头盒剖面结构示意图；

图5为本发明的触头盒上散热架结构示意图；

图6为本发明的动触头剖面结构示意图；

图7为本发明的动触头侧视剖面结构示意图；

图8为本发明的开关柜在线监测原理框图。

图中：

开关柜本体1，母线室2，断路器室3，仪表室4，电缆室5，触头盒6，穿入孔61，弧形槽62，固定板63，出线口64，入口端65，真空断路器7，分支母排8，电流互感器9，接地开关10，吸热组件11，第一热管12，第一散热器13，第二散热器14，第二热管15，第三散热器16，第三热管17，散热架18，散热片181，静触头19，动触头20，金属层2001，绝缘层2002，弹簧座2003，弹簧2004，筋条2005，弧形卡块2006，导电杆21，弧形卡槽211，发热体22，热管23。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1-图8描述本发明一些实施例的技术方案。

实施例1

本发明提供一种技术方案，是一种基于热管技术的大电流开关柜自然散热系统，如图1所示，图1为本发明的开关柜内部结构示意图。

本发明包括开关柜本体1，开关柜本体1内包括母线室2、断路器室3、电缆室5及仪表室4，在开关柜本体1内还设有多组温度传感器、多组湿度传感器和多组烟雾传感器；在母线室2、断路器室3和电缆室5的后侧板上分别设置有吸热组件11，在母线室2和电缆室5的前侧板上还连接有两组触头盒6；母线室2上的触头盒6的一端与断路器室3内部的真空断路器7相连接，触头盒6的另一端与分支母排8相连接，分支母排8的另一端与母线室2上的主母排连接；另一组电缆室5上的触头盒6的出线口64的母排一端分别与电流互感器9的输入端触头相连接，电流互感器9的输出端触头分别通过母排与接地开关10、电压互感器、避雷器、电缆接头端连接；开关柜本体1的顶部一侧设置有第二散热器14，第二散热器14的底部连接有第二热管15，第二热管15的吸热端贯穿开关柜本体1的顶部伸入至仪表室4的内部。

其中，本发明中吸热组件11上安装的热管一样，区别在于不同区域排布的热管的吸热面积不同。

实施例2

本发明又提供一种技术方案，是一种基于热管技术的大电流开关柜自然散热系统，包括开关柜本体1，以及布设在开关柜本体1内部的多组温度传感器、多组湿度传感器和多组烟雾传感器，开关柜本体1内部设置有多组吸热组件11，吸热组件11分别通过螺钉固定连接在开关柜母线室2、断路器室3和电缆室5的后侧板上，吸热组件11包括基板以及排布在基板上的第一热管12 ，如图2所示，图2为本发明的吸热组件结构示意图。

图1中，开关柜本体1的顶部右侧设置有第二散热器14，第二散热器14的底部通过卡接方式连接有多根第二热管15，第二热管15的吸热端贯穿开关柜本体1的顶部伸入至仪表室4的内部。

图1中，开关柜本体1内部还设置有两组触头盒6，两组触头盒6分别通过螺钉固定连接在母线室2和电缆室5的前侧板上，且触头盒6的入口端65与断路器室3内部的真空断路器7的导电杆21一端连接的动触头20位置对应；

如图4和图5所示，图4为本发明的触头盒剖面结构示意图，图5为本发明的触头盒上散热架结构示意图。触头盒6外壁内嵌有两组第三热管17，且两组第三热管17的一端均伸入至触头盒6的内部，另一端缠绕在触头盒6的外壁上；触头盒6的外壁靠近第三热管17的位置开设有弧形槽62，弧形槽62的上方，且紧密贴合第三热管17的外表面装设有散热架18，散热架18的两端固定连接在弧形槽62的两侧，且散热架18的顶部通过螺钉固定连接有散热片181，该散热架18选用导热性能强的绝缘导热片制成，通过与热管的冷却端紧密切合，能够快速的将触头盒6内部的热量排出，避免因高温对触头盒6造成损坏。所述触头盒6的外壳体可选用环氧树脂制成。

如图6和图7所示，图6为本发明的动触头剖面结构示意图，图7为本发明的动触头侧视剖面结构示意图。动触头20为筒状体，其内部纵向排布有多根筋条2005，且筋条2005的两端均为向外侧弯折的弧形状，筋条2005的外壁等距分布有多组弹簧2004，弹簧2004的两端焊接有弹簧座2003，弹簧2004的一端通过弹簧座2003与筋条2005焊接连接在一起，弹簧2004的另一端通过弹簧座2003与绝缘层2002通过胶粘方式固定连接。所述绝缘层2002的外周胶粘有金属壳2001，所述绝缘层2002可选用环氧树脂或者橡胶制成。

此处设置绝缘层2002的目的是为了使弹簧支路上形成短路，当动静触头卡接时，弹簧即起到了拉伸固定卡接作用，又避免大电流通过造成弹簧热量升高，由于弹簧在高温下易变软，触头压力下降，温度上升，大火，最终导致触头盒烧毁，相间短路，开关柜爆炸，而现有技术的动触头由于弹簧缠绕在动触头的外侧壁两端，对动静触头进行卡接固定，但无法避免大电流的通过，增加了弹簧的负载热量，长期使用会减少弹簧的寿命。

如图6，导电杆21的外周等间隔设置有多个弧形卡槽211，筋条2005的内侧壁设置有与弧形卡槽211匹配的弧形卡块2006，动触头20通过多个弧形卡块2006与对应的弧形卡槽211固定卡接在导电杆21的外周。

如图4所示，触头盒6内部切合内侧壁纵向设置有固定板63，固定板63中心处横向贯穿有静触头19，静触头19通过固定板63固定在触头盒6内部；静触头19的一端与对应的分支母排8固定连接，静触头19的另一端与真空断路器7上的动触头20卡接；分支母排8的另一端通过触头盒6上的出线口64伸出与母线室2内部对应的主母排连接；主母排分为A、B、C三相分别设置在母线室2的侧板上，其外周与开关柜本体1之间设有穿墙套管，该A、B、C三相主母排分别与对应的分支母排8一端连接，三组分支母排的另一端分别与母线室2前侧板上横向设置的三个触头盒6内部的静触头19连接，该分支母排8通过出线口64穿入触头盒6内部并通过螺钉固定在静触头19的一端。

如图3所示，图3为本发明的热管技术原理示意图，其中：Q = KAΔT，Q为热源传热热量；A为散热面积；t1、t2分别为热源温度和环境温度 ；ΔT=t2-t1；K为换热系数，大小与空气流速成正比；v为空气流速。图3中热管原理是已有技术，在此不做详细说明。

开关柜内部吸热组件11采用热管技术，通过高温相变将热量传送出去，由于其传热推动力为温差，只要温差存在，热量就会源源不断的输送出去，无需任何辅助动力。而热管23作为一种热超导体，选用中空的金属管体，内部设置冷凝剂，发热端靠近热源，即发热体22的地方，能够快速的吸收发热体22周围热量，达到快速降温的目的。热管技术在其他领域已取得了显著的成果，但目前电力开关柜生产厂家在散热方面主要还是采用传统的风机制冷方式，因此将热管技术应用的电力行业的大电流开关柜中很有必要。

本方案中通过利用热管散热使大电流开关柜能够实现自然风冷，大大提高了开关柜的安全性能，从而降低在变电站运维中的安全事故发生率，避免人员的伤亡和财产损失，有利于提高变电站安全管理的水平，具有重要的理论意义和实际应用价值。

如图1所示，断路器室3内的吸热组件11上的第一热管12的一端贯穿后侧板延伸至母线室2内部，并与母线室2前侧板上的第三散热器16连接，母线室2内的吸热组件11上的第一热管12的一端贯穿后侧板延伸至电缆室5内部，并贯穿电缆室5的左侧顶部与第一散热器13连接，电缆室5内的吸热组件11上的第一热管12的一端贯穿电缆室5的左侧顶部与第一散热器13连接，第一散热器13设置在开关柜本体1的顶部。

如图1-4所示，第一热管12、第二热管15、第三热管17均选用中空的金属管，其内部设有冷凝剂。

所述基板、第一热管12、第二热管15、第三热管17、第三散热器16、散热架18的表面均涂设有导热绝缘漆，该导热绝缘漆为已有的常规技术，在此不作赘述。

如图8所示，控制器安装在仪表室4内，该仪表室4内主要安装有继电器、接线端子等器件，仪表室4顶部设有天线穿孔，将无线通讯模块设置在仪表室内，便于和控制器连接，无线通讯模块和控制器二者通过有线连接，多组湿度传感器和多组烟雾传感器分别设置在开关柜本体1的母线室2、断路器室3、仪表室4和电缆室5的顶板或者侧板上，便于对开关柜内部的湿度以及烟雾进行监测。所述多组温度传感器选用无源无线温度传感器，分别设置在开关柜的内侧板以及高压触头点上，该温度传感器，体积小，与采集器之间数据无线传输，安装方便灵活，不受设备结构和空间影响，而且无需使用电池，便于维护，方案中的多组温度传感器、多组湿度传感器、多组烟雾传感器、采集器以及无线通讯模块均为已有成熟技术，在此不多做赘述。移动终端选用手机，便于维护人员及时获取所监测的开关柜运行状况。

在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语 “连接”、“固定”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。