KYN28-12热管散热装置的研制

王坤，王丰，马志威，王刚

国网河南省电力公司商丘供电公司，商丘 47600

摘要：KYN28-12开关柜是我公司一款常用的开关柜。作为开关柜的核心部件的静触头，由于安装在触头盒内，空间狭小，气流对流不畅，常常发生过热、剧烈氧化和烧融故障。尤其是在炎热的夏季，居民生活用电蜂值和工业用电峰值相互叠加，触头温度可法上百摄氏度，超出国家行业标准中温升不能超过６５Ｋ的要求，给电网的安全运行和人民生活带来了恶劣的影响，所以研发设计一款新式的散热技术非常有必要，KYN28-12热管散热装置正是针对该情况而设计。

关键词：开关柜发热；热管散热；开关柜散热

引言

开关柜的第一个作用是调整部分电力设备的运行状态；其第二个作用是在部分电为设备故障时保护主电网正常运行，将故障部分设各移出电网。

开关柜由固定的柜体和可抽出手车两大部分组成。柜体按功能分成几个单独隔室。开关柜的外壳防护等级可达IP4X，断路器室口打开时为IP2X。该型号开关柜进出线有架空和电雜两种形式，可实现不同开关柜联络的功能，因此完成设计功能的配电装置方便灵活。开关柜的安装与调试可在正面进行，故可Ｗ靠墙安装，具有节省占地面积，减少投资的优点。开关柜的柜体是采用优质冷扣钢板或者敷错巧板精制组装而成，外形美观、强度高、耐腐蚀、抗氧化。开关柜用接地的金属隔板分隔成中置手车室、母线室、电缆室、继电器室、小母线室、下置手车室。此外还设有泄压通道，绝缘导线，防止操作联锁装置。

开关柜四个部位配备有风机，增加空气流动来提高换热能力。然而，静触头由于安装在封闭树脂塑料触头盒内（触头盒结构如图１－３所示），气体流动性差：此外，静触头与铜排接触的表面又无法参与散热，形成对流换热死区，大量有害热量集聚静触头处，为静触头表面辕层脱落、剧烈氧化和烧融埋下了祸根。用电高峰相互叠加的炎热的夏天，就极有可能发生设备过热故障，引起开关柜触头烧融、爆炸的恶劣事故。

1 热管工作原理

热管一般为管壳、吸液芯和端盖Ｈ部分组成的圆柱体，管内是被抽成负压后注入的工作液体，工作原理如下图所示。热管的两端分别为蒸发段（加热段）和冷凝段（冷却段），热管绝热段的设置可根据实际应用需求决定是否增添。与热源接触并被加热的一段为蒸发段，工作液体在蒸发段被加热后蒸发汽化，蒸发后产生的工作蒸汽的压力和温度会略高于其他部位，在此梯度推动下蒸汽流向热管的冷凝段，蒸汽在冷凝段放出热量并被被冷源冷却成液态工质，最后液态工质再利用毛细作用流回蒸发段，这样热量就从热管的一端传递至另一端。

图1 热管工作原理图

热管的特性：

（1）极佳的导热性

热管是利用物质相变过程中的潜热比无相变时显热大得多这个基本原理传递热量的。与常用的导热金属侣、铜、银相比，同等质量的热管导热能力是金属的数百倍，乃至上千倍。

（2）均温性很好

物质饱和温度决定饱和蒸汽的压力，而热管工质蒸汽处于饱和状态，饱和工质蒸汽自蒸发段流向冷凝段只会造成微弱的压降，整个热管拥有很好的均温性。

（3）热流密度可变性

热管蒸发段和冷凝段的换热面积是可改变的，即增大蒸发段长度，增加热量输入的加热面积，同时缩短冷凝段长度，减少热量输入的加热面积，同时增大冷凝段长度，增加热量输出的冷凝面积，如此就可使热流密度便捷地发生变化。

（4）热流方向的可逆性

由于热管内部的循环动力是依靠吸液芯的毛细作用，所以当不考虑重力因素或将热管水平放置时，热管与热源接触起到吸收热量作用的一端就是蒸发段，热管与冷源接触起到释放热量作用的一端就是冷凝段。

（5）热二极管与热开关性能

热二极管或热开关是热管可衍生的一个重要方面，热二极管是指控制热量只能向一个方向传连，而不能反方向传递。热开关性能是利用热源的温度的高低决定热管是否工作。

（6）恒温特性

加热量会使热管冷凝段的热阻值发生变化，因此热源加热量的变化对热管内蒸汽温度的影响就很小，可据此有效地对热管内工质蒸汽温度进行控制。

（7）环境的适应性

热管可根据实际应用条件的需求而改变形状，热管也可将蒸发段和冷凝段拆开，形成分离式的热管应用在长距离或冷热流体不能混合的情况，在有重力作用和无重力作用时，热管都可发挥其功效。

2热管工质的选择

热管工质的选择：

汽化潜热高、粘度低、导热性能好、稳定性好和适当的饱和压力及沸点是对热管工质的基本要求。此外，较大表面张力的工质可Ｗ使得热管的吸液芯产生工作必须的毛细力，且工质还必须与吸液芯和管壳的材料具有良好的兼容性。工质随热管内部温度而定，并由此可区分为低温（＜100℃）、中温（100-500℃）、高温（＞500℃）热管。在低温范围内有乙醇、丙酮、氟利昂、液氨、液氮、液氢等。在常温条件下的工质一般为水，热管内部工作温度高于280℃时，由于水的饱和蒸汽压较高，故应该考虑具有低饱和蒸气压的工质如联苯、萘、汞等，当管内工质温度超过600℃以上时，则可选用钾、钠或钾钠合金等液态金属作为工质。本文根据使用环境选用水作为热管工质。

热管管壳材质的选择：

管壳的作用是把工质与外界隔开，向工质传热Ｗ及把工质的热量传出来。因此，管壳要防漏、耐压、传热性能好。对它的要求是：①在蒸发段和冷凝段有高的热传导率；②与工质及环境的相容性；⑤有足够的强度和刚度，在工作温度范围内，能承受工质的蒸汽压力；④用于带电，尤其是带高压电的发热元件的传热时，应选用电绝缘材斜（如玻璃、陶瓷等）。管壳的材料有铜（无氧铜）、不诱钢、铅、镶、鹤及非金属材料玻璃、陶瓷。本文主体采用铝材质，绝缘区域选用陶瓷材质。

3散热器区域模块的设计

在不影响现有柜体内部部件的情况下进行设计，散热区域需要从整体上进行分析，确定重点散热区域和普通散热区域，结合重点散热区域和普通散热区域的实际构造实现不同区域的散热器模块设计。

KYN28-12开关柜的结构如图所示：

图1 KYN28-12开关柜结构图

重点散热区域为动触头与静触头室区域，从结构上分为三部分母线室区域、后柜门区域和间隔板区域。这三部分为重点散热区域，做好了这三部分的散热，其他区域的温度也会跟随下降。

母线盖板区域的散热，本文设计了L型散热器，具体的实施效果如下：

图2 L型母线散热器图

后柜门区域采用了方形贴合板的设计，按照后柜门区域的可用面积进行针对设计，具体的设计效果如下：

图3 后柜门散热器

间隔板区域是本文的重点设计，由于间隔板区域为静触头等重点区域的散热区，且空间相对密闭，无法采用热量直线导出的方式，本文从KYN28-12开关柜结构空隙出发，进行针对设计，采用了蜻蜓枫叶式结构设计，部分深埋在缝隙区作为散热管的蒸发区，而冷凝区深处箱体外进行散热，具体的设计实施效果如下：

图3 间隔板区域散热器

4结束语

本文设计了一套KYN28-12热管散热装置，有效解决了KYN28-12集中区域的散热的问题。本文的创新性在于将热管散热技术应用到开关柜中，其能够将开关柜内的热能及时高效导出，有效解决开关柜内关键部件的温升明显过高的情况，热管的应用可有效减少开关柜放电、燃弧、部件烧融，甚至爆炸事故。装置具有良好的应用价值，间接可以减少一次检修人员的出勤次数，减少公司的人力和物力，保证人员安全，增加经济效益。

参考文献

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2. 王晶，余乾束洪春配电用断路器端子的温升实验研究饥．电为系统保护与控制，2004,30(3):47-49.

3. 清华大学高压教研组编高压断路器［Ｍ］．北京：水利电力出版化1978.1-1.

4. 邹斌基于有限元法的配电柜温度场研究［Ｄ］．苏州：苏州大学，2009.

[作者简介] 王坤（1981年09月），男，河南商丘人，本科，工程师，研究方向：一次设备 。