紀桂強

（廣東正超電氣有限公司，廣東汕頭 515041）

0 引言

國家標準GB 4208—2017《外殼防護等級（IP代碼）》闡述了有電氣設(shè)備外殼提供的防護等級的分級系統(tǒng)，該標準適用于額定電壓不超過72.5 kV，借助外殼防護的電氣設(shè)備的防護分級[1]。該標準以代碼字母IP、第一位特征數(shù)字、第二位特征數(shù)字、附加字母、補充字母等表示外殼對人員接近危險部件、防止固體異物或水進入的防護等級，以及這些防護相關(guān)的附加信息。其中第一位特征數(shù)字0～6表示外殼對固態(tài)異物進入的保護程度及對人員操作時防止接近危險部件的能力；第二位特征數(shù)字0～9表示外殼對防止進水造成有害影響的能力[5]。

GB 4208—2017《外殼防護等級（IP代碼）》標準是該標準現(xiàn)行的最新版本，等效采用IEC 60529：2013，與2008年版標準相比，增加了第二位特征數(shù)字9的防護等級，并對某些內(nèi)容進行編輯性修改，對GB/T 4208-2008已規(guī)定防護等級未做修改。標準對檢驗方法實施的要求比較完善、可操作性強，對提高我國成套開關(guān)柜外殼的防護功能水平，確保各類別成套開關(guān)柜的安全運行和安全維護，規(guī)范適用于不同使用條件要求的成套開關(guān)柜外殼的制造有非常重要的指導意義。

成套開關(guān)柜的外殼是柜體的重要組成部分。外殼可以防止操作人員觸及帶電部分以及外來固體的進入，是最直接的防護措施[8]。溫升是成套開關(guān)柜的另一個重要指標，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命。成套開關(guān)柜設(shè)計過程中通常需要經(jīng)過溫升試驗考核，方法是通過施加額定電流使其自然升溫，達到每小時溫度變化不超過1 K時，則溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時溫升值不能超過國家標準的規(guī)定值[6]。

1 防護等級與溫升相互制約

成套開關(guān)柜防護等級越高、外殼密閉性越好、通風散熱性能就越差，開關(guān)柜運行時產(chǎn)生的熱量聚集在柜體內(nèi)部無法散出，致使柜體內(nèi)部溫度升高、電氣絕緣性能下降，對開關(guān)柜安全運行直接構(gòu)成威脅。因此，在進行成套開關(guān)柜設(shè)計時，不應(yīng)該盲目追求更高的防護等級。如果防護等級太高、開關(guān)柜內(nèi)部運行溫度過高，設(shè)備可能就要降容使用，設(shè)備絕緣也要進行特殊處理，顯然加大了制造成本。

成套開關(guān)柜有自然通風型與非自然通風型之分，開關(guān)柜內(nèi)的通風類型與自然通風性能，會對其運行溫升產(chǎn)生一定的影響。

外殼防護等級IP5X及以上的非自然通風型開關(guān)柜，由于使用環(huán)境的限制，不允許受到污染或帶有粉塵的空氣與水進入其內(nèi)部。當然，防護等級越高，開關(guān)柜外殼密閉性越好，設(shè)備的積熱只能依靠其外殼表面自身散發(fā)。外殼防護等級IP4X及以下的自然通風型設(shè)備，開關(guān)柜柜體內(nèi)部會有一定程度的自然通風通道，內(nèi)部聚集熱量的散發(fā)，除由其外殼承擔外，殼體內(nèi)的自然通風通道也會將部分積熱帶出，散熱能力較強。由此可見，外殼防護等級愈高，通風散熱的能力愈差。有些設(shè)備對散熱的要求更高，往往需采用內(nèi)部強迫通風的措施，來實現(xiàn)設(shè)備的長期安全運行。

額定電流相同的非自然通風型開關(guān)柜，為提高散熱性能，柜內(nèi)通電導體的截面積相對自然通風型設(shè)備要大一些，導致開關(guān)柜造價相對較高。常用的成套開關(guān)柜，大多數(shù)都屬自然通風型設(shè)備，造價相對較低并可滿足大多數(shù)用戶的使用要求。一般中小電流的開關(guān)柜，由于設(shè)備殼體的散熱能力充分，發(fā)生溫升損壞的情況較少。而大電流的開關(guān)柜發(fā)生溫升損壞的情況則較為常見，主要原因之一則是柜體外殼的散熱能力難以滿足大電流運行時柜體內(nèi)部熱量散發(fā)的需要。在不可增大開關(guān)柜體積的情況下，提高柜體自然通風散熱的能力，成為解決開關(guān)柜散熱問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。

成套開關(guān)柜防護等級設(shè)計的適宜性以及外殼上進出風口設(shè)計的合理性，是解決設(shè)備散熱能力的一個重要措施。因此，開關(guān)柜外殼防護設(shè)計是否適當與開關(guān)柜散熱性能的高低密不可分。

2 成套開關(guān)柜外殼防護等級的選擇

對成套開關(guān)柜的外殼設(shè)計，有些用戶盲目追求開關(guān)柜的高防護等級，甚至在擁有良好運行環(huán)境條件的變電站中也要求設(shè)備的外殼是IP5X或更高。對成套開關(guān)柜產(chǎn)品外殼的合理設(shè)計，應(yīng)當充分尊重顧客的要求，也需要與用戶進行妥善溝通，設(shè)計上絕不能盲目追求開關(guān)柜的高防護等級，而忽略對外殼局部作特殊防護等級設(shè)計的必要性，使開關(guān)設(shè)備失去自身具有的固有散熱功能特性。

對于成套開關(guān)柜的外殼防護等級的確定，除應(yīng)根據(jù)國家標準GB/T 4208-2017的一般規(guī)定與用戶的要求執(zhí)行外，還應(yīng)特別注意有關(guān)標準的下述條款。

（1）國家標準GB/T 4208-2017中的1范圍：“對特殊形式的設(shè)備，產(chǎn)品標準可以規(guī)定不同的要求，但至少要保證相同的安全水平”[1]。

（2）國家標準GB/T 11022-2011中的5.13條：“對于其他條件，例如維修、試驗等，防護等級可以是不同的”[2]。

（3）國家標準GB7251.1中的7.1.5條：“如果成套設(shè)備各部位有不同的防護等級，成套設(shè)備制造商則應(yīng)單獨標出該部位的防護等級”[3]。

上述標準條款，明確指出了成套開關(guān)設(shè)備外殼的防護等級，應(yīng)根據(jù)具體使用條件要求確定，其整體設(shè)計并非是要強求各部分的必須一致，如遇設(shè)備溫升過高、內(nèi)部熱量聚集無法散去的情況，可對開關(guān)設(shè)備外殼局部防護作特殊設(shè)計。作局部特殊設(shè)計時，除應(yīng)滿足標準要求，防止人員意外觸電和固體異物、水進入影響其安全運行外，還應(yīng)滿足設(shè)備長期安全可靠運行的其他功能要求。對GB/T 4208-2017標準的理解應(yīng)全面準確，設(shè)備外殼上局部防護等級的確定應(yīng)根據(jù)其具體功能如自然通風等要求確定。當然，局部特殊設(shè)計方案應(yīng)通過TTA或PTTA驗證，尤其要尊重開關(guān)設(shè)備實際運行的驗證，才能確保設(shè)備長期安全可靠運行。

3 成套開關(guān)柜外殼設(shè)計與驗證

目前很多用戶對設(shè)備防護等級的理解有誤區(qū)，認為防護等級越高、設(shè)備性能越好，而忽視對設(shè)備通風散熱效果的綜合評估，導致開關(guān)柜運行溫升高，對設(shè)備極為不利。斷路器及相連導體在防護等級為IP2X、IP3X、IP4X、IP5X的開關(guān)柜中的溫升試驗結(jié)果表明，溫升相差近15 K[7]。因此，在確保運行維護人員安全和不影響開關(guān)柜絕緣性能的前提下，成套開關(guān)設(shè)備的設(shè)計應(yīng)合理選擇防護等級，增設(shè)通風措施，以提高開關(guān)柜散熱效率。

3.1 自然通風型成套開關(guān)柜溫升過高問題

自然通風型成套開關(guān)柜的溫升過高問題，主要有三方面的因素：一是主回路的電阻值。其內(nèi)阻值越小，溫升愈低。二是柜體有無磁滯發(fā)熱。磁滯發(fā)熱問題越小，設(shè)備殼體溫升異常情況越少。三是開關(guān)柜的通風散熱。增大通風量會使設(shè)備運行溫升降低。

3.2 防護等級IP4X大電流成套開關(guān)柜殼體通風孔設(shè)計

一般來講，以發(fā)熱源產(chǎn)生的熱量隨周圍空氣的上升、自然流動、將熱量帶出，用管道的辦法形成有風壓作用的通風，是常用于解決降低設(shè)備溫升的辦法和手段。

外殼防護等級IP30的開關(guān)柜，既有較高的防護等級，又容易得到較大的通風截面和散熱通風流量，較為適用于那些需具備高通風效率性能的設(shè)備要求。

外殼防護等級IP40的開關(guān)柜，其通風孔孔徑≤1.0 mm，很難適應(yīng)自然通風型大電流成套開關(guān)設(shè)備運行需具備高通風效率性能的需要。開關(guān)柜內(nèi)自然通風散熱很差，難以滿足額定電流1 600 A及以上電流負荷的通風散熱需要。設(shè)備投運后若長時間處于低負荷狀態(tài)，以及陰冷潮濕的天氣環(huán)境下，則柜內(nèi)潮氣難以散出，易引發(fā)凝露電弧事故；若是較長時間在接近額定電流的負荷狀態(tài)，運行積溫難以散出，溫升過高，容易引發(fā)事故。

大額定電流容量（2 500 A及以上）成套開關(guān)設(shè)備的外殼進風口的防護等級一般不應(yīng)受到IP4X的制約，防護等級設(shè)計以IP30為宜，門板和封板上通風孔的孔徑應(yīng)略接近2.5 mm，以保證噴涂后每個通風口的寬度不小于2.4 mm。如個別用戶堅持要求柜體外殼的防護等級一律為IP40，則應(yīng)通過在前后上下門（封）板內(nèi)側(cè)附加細鋼板網(wǎng)（孔徑小于1×1 mm）的方式解決，門（封）板上進出風口的截面積應(yīng)進一步加大，以保證進出風口能有足夠大的通風量。需要具備防內(nèi)部故障電弧外協(xié)的成套開關(guān)設(shè)備，其前后門（封）內(nèi)側(cè)還應(yīng)設(shè)置防噴弧擋板，以防止一旦發(fā)生事故，電弧噴出會危及人身安全。

外殼防護等級IP5X以上的開關(guān)柜，柜體基本密不透風。為降低溫升，開關(guān)柜內(nèi)采用的母排應(yīng)有更大的截面比，需有20%左右的載流能力裕量，這會使開關(guān)柜的制造成本增加。

成套開關(guān)柜中，大電流柜的數(shù)量一般不多，其外殼的防護等級采取特殊設(shè)計方案，兼顧防護等級和溫升2個問題，用戶一般可以接受。

3.3 設(shè)計方案的驗證

在成套開關(guān)柜的設(shè)計上，設(shè)備外殼設(shè)計方案是否適當，在設(shè)定的防護等級下，設(shè)備的通風散熱性能能否達到溫升的要求，主要通過下列途徑進行證明：（1）基于多年的設(shè)計制造經(jīng)驗和健全產(chǎn)品檢驗體系條件；（2）通過TTA或PTTA試驗；（3）通過長期實際運行的驗證。

溫升問題的產(chǎn)生與其產(chǎn)品外殼制造上的通風散熱功能差密切相關(guān)；與其對產(chǎn)品缺少必要的性能驗證有關(guān)；也與設(shè)計者對GB/T 4208-2017標準的片面理解相關(guān)，應(yīng)當引起各方面的高度重視。

4 結(jié)束語

設(shè)備運行現(xiàn)場存在的大電流成套開關(guān)柜溫升過高的問題，與開關(guān)柜外殼防護等級的設(shè)計不當有關(guān)，開關(guān)柜的自然通風散熱性能差是一個不容忽視的重要原因。在夏季用電負荷過重時，部分大電流開關(guān)柜發(fā)熱異常、柜體外殼溫度很高，多數(shù)情況下是運行人員發(fā)現(xiàn)后及時采取措施，才避免了事故的發(fā)生。從標準DL/T 375-2010附錄C可以看出，環(huán)境溫度50℃時銅鋁排的安全載流量，僅為環(huán)境溫度35℃時安全載流量的76%[4]。由此可知，大電流開關(guān)柜內(nèi)部的聚集熱量難以散發(fā)會發(fā)生意想不到的運行惡果。今后，隨著電網(wǎng)用電負荷的不斷增大，這一問題可能會更加突出，應(yīng)當引起制造商和運營單位的高度重視，發(fā)現(xiàn)事故苗頭須及早采取適當措施解決。對于制造商而言，提高對設(shè)備殼體防護等級的認識水平，是解決大電流成套開關(guān)柜溫升問題的一個不可忽視的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，業(yè)內(nèi)對成套開關(guān)柜外殼設(shè)計合理性的認識問題還需要給予特別重視，要重視TTA和PTTA的試驗結(jié)果，更要吸取產(chǎn)品實際運行中的經(jīng)驗教訓。只要從用戶的實際需要出發(fā)，以確保設(shè)備長期安全可靠運行為出發(fā)點，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計與充分驗證，就能不斷提高設(shè)備的設(shè)計制造水平，為各方的可持續(xù)發(fā)展做出更大貢獻。