1. 40.5kV 4000A 空气绝缘抽出式开关柜的设计      

2. 1. 结构设计      

3. 40.5kV 4000A 空气绝缘抽出式开关柜的设计结构见图 4 。抽出式断路器采用集成风道极柱，保证下部弹簧触指部位的高发热点热量可以向上被冷空气带出，极柱上部加高绝缘筒设计，高绝缘筒提高了顶部和底部的压力差，可以加速将连接部位热量流出。结合理论和实际项目经验，断路器触臂采用 4 拼 120 × 10mm 母线，两两一组、中间留有间隙， 这样在自身发热很低的情况下可以作为散热器，降低断路器连接以及一次插头触指部位的温升。

开关柜母线采用 4 拼 120 × 10mm 母线，母线室的母线在出触头盒后，同样采用两两一组、中间留有间隙的设计，以最大程度的形成高的温度差，以降低触头部位的温升。下部电缆室采用穿心式电流互感器减少发热，采用管型母线穿过互感器，根据表 3 所示，管型母线的利用率高，管型母线两端固定母线处留有通风孔，以使管型母线内、外表面都可以散热，降低温升。电缆连接处母线分开布置，即方便电缆连接，又有利于提升载流量，增大散热。

开关柜主要设计尺寸：宽度 1600mm 、深度 3200mm 、高度 2500mm 、相间距 450mm 。断路器隔室柜门下部设有通风孔，通风孔采用百叶窗加 IP3X 网板，通风孔有效通风面积大于 400cm ² ，通风孔通过导向管道与断路器下部相通，即可以起到定向通风的作用又设有活门机构，可以阻止内部电弧故障时电弧喷出造成人身伤害。

 

图 4 40.5kV 4000A 空气绝缘抽出式开关柜设计图

1. 2. 发热计算      

开关柜的电阻包括真空断路器主导电回路的电阻、触头连接的接触电阻、固定连接的电阻和母线的电阻，根据各个节点计算相应的电阻。

1 ）开关柜分支母线以及断路器触臂的连接采用 6 只 8.8 级 M12x80 螺栓，螺栓紧固力矩 T=50Nm 。接触电阻 Rj （Ω）经验计算公式：

每个连接有 6 个螺栓，因此每个连接点的接触电阻 Rj=3.458/6=0.576 μΩ。

开关柜主回路每相有 12 个这种固定连接，因此总电阻 Rg=0.576x12=6.9 μΩ。

2 ）移开式断路器使用 82 片梅花触头，根据能量守恒原理，触头撑开后弹簧拉长做的功转化为径向触头压力，经计算接触压力为 33N ，根据式（ 5 ）计算如下

梅花触头包括 82 片触指，因此每个梅花触头连接电阻 。每相上下两个梅花触头电阻合计 Rc=4.9x2=9.8 μΩ

3 ）母线的电阻，根据式（ 2 ）计算：

式中每相母线长度 L=3m ，母线截面积 S=120 × 10 × 4 =4800mm ²

以交流电阻 / 直流电阻 =1.2 计算，母线电阻 =16.8 μΩ

4 ）断路器主回路电阻

断路器 4000A 真空灭弧室额定触头压力下限时的回路电阻≤ 15 μΩ，上、下接线柱和弹簧触指动连接的电阻合计 10 μΩ，因此真空断路器的主回路电阻约等于 25 μΩ。

开关柜主回路总电阻 R=6.9+9.8+16.8+25=58.5 μΩ，

 
 

电流互感器制造商提供的数据，电流互感器 4000/1 三个绕组发热功率约为 55W ，三只互感器总功率 55x3=165W ，二次回路发热功率按 100W 计算，开关柜总发热功率约为 3073W 。

1. 3.  温升计算      

根据 IEC60860 的温升计算及结果见表 4 。当有效进风口面积≥ 300cm ² ，可以得到断路器安装位置空气温升为 23.1k ，柜顶部空气温升为 40.4k ，根据经验母线温度与周围空气温度差为 30k ，可得断路器母线温度为 53.1k ，主母排的温升为 70.4k ， 满足 GB/T11022 标准表 14 温升限值要求。

表 4 40.5kV 4000A 空气绝缘开关柜温升计算及结果

1. 
   

   

   

   
   

2. 

3. 
   

4. 4.  结语      

5. 40.5kV 4000A

   空气绝缘铠装型移开式开关柜既要满足耐受电压要求高又要解决大电流的温升问题，以及满足耐受内部电弧故障的要求。通过理论计算以及结合某4000A母线桥温升试验结果综合分析，对40.5kV 4000A空气绝缘开关柜采用4拼120×10mm铜母线，垂直布置，可以满足温升要求，通过在主要节点周边采用母线分组布置进一步减少发热、增加散热能力，实现触头等高发热部位的温升降低。文中的设计仅根据经验公式、标准等进行了简单的理论计算，后续将采用ANSY涡流场、电磁场软件计算发热功率，通过CFD流体仿真软件模拟分析温升，最后将根据试验结果对所述设计改进完善 。