環(huán)網(wǎng)柜溫度場仿真分析與試驗研究

楊芳

摘 要：針對某型SF6環(huán)網(wǎng)柜的溫升問題，首先對開關柜溫升過程進行了理論分析，然后通過建立三維模型，采用計算流體力學（CFD）軟件Icepak/Fluent對環(huán)網(wǎng)柜的溫度場和氣流場進行了仿真計算，仿真結果表明該環(huán)網(wǎng)柜滿足國家標準對溫升限值的要求。最后按照GB11022的要求，對該環(huán)網(wǎng)柜樣機進行了溫升試驗，試驗與仿真結果誤差在15%以內，驗證了仿真方法的準確性，對開關柜類產(chǎn)品的設計具有一定指導作用。

關鍵詞：SF6環(huán)網(wǎng)柜；溫度場；氣流場；仿真

引言：金屬封閉開關設備發(fā)熱和散熱問題是產(chǎn)品研制過程中必須考慮的問題之一，為了保證開關電器能在工作年限內可靠工作，必須限制各種材料的發(fā)熱溫度，使其不超過一定數(shù)值，這個溫度為最高允許發(fā)熱溫度，如果產(chǎn)品運行溫度持續(xù)超過允許溫度，則會造成電阻增大—溫升繼續(xù)升高的惡性循環(huán)，甚至導致絕緣破壞，設備起火等嚴重后果。

隨著對電力系統(tǒng)安全性要求的逐步提高，開關柜的溫升問題越來越得到重視，但目前針對開關柜發(fā)熱的研究大部分集中在測溫設備的開發(fā)上[1]，對產(chǎn)品設計過程中溫升仿真等技術應用還較少，且主要針對大電流的開關設備[2]，對于二次配電環(huán)網(wǎng)柜的溫度場研究還很少。

本文針對某型SF6環(huán)網(wǎng)柜，首先對開關柜溫升過程及影響因素進行了理論分析，然后通過建立三維模型，采用計算流體力學（CFD）軟件Icepak/Fluent對環(huán)網(wǎng)柜的溫度場和氣流場進行了仿真計算，得到了環(huán)網(wǎng)柜的溫度場分布，并與試驗結果進行了對比，得出了有益的結論。

一、產(chǎn)品結構

氣體環(huán)網(wǎng)金屬封閉開關設備（以下簡稱：環(huán)網(wǎng)柜）系戶內三相交流50 Hz輸配電設備，用于系統(tǒng)電壓為10 kV的電力系統(tǒng)中，可分、合空載、負載及故障電流，實現(xiàn)對輸配電線路的隔離、控制與保護。該產(chǎn)品額定電壓為12kV，額定電流為630A，為箱式結構，氣箱采用不銹鋼板激光焊接成型，箱體變形量小，精度高，強度大，密封性能優(yōu)越。 一次導電回路內部充以低壓力的SF6氣體作為絕緣介質，使整個高壓系統(tǒng)處于完全封閉的狀態(tài)，因而不受外界環(huán)境條件如凝露、污穢、高海拔等因素的影響，從而大大的提高了運行可靠性，實現(xiàn)免維護，氣箱結構示意圖如圖1所示。

環(huán)網(wǎng)柜載流回路所有接觸電阻的分布如圖2所示（接觸電阻用數(shù)字標出）。圖中數(shù)字對應接觸電阻分別為：1-套管嵌件與連接板；2-連接板與出線導電桿；3-出線導電桿與銅板；4-銅板與隔離觸頭；5-隔離觸頭與觸頭；6-觸頭與螺母；7-導電桿與真空泡靜觸頭；8-真空泡靜觸頭與真空泡動觸頭；9-真空泡動觸頭與軟連接；10-軟連接與負荷開關連接處；11-負荷開關與導體；12-導體與新設并柜套管中心導體。

二、溫升過程分析及電阻計算

（一）發(fā)熱與散熱過程分析。環(huán)網(wǎng)柜工作過程的溫升能否滿足運行要求，與散熱設計密切相關。對仿真開關柜運行中溫升過程進行仿真，分析其溫度場、氣流場的分布以及熱穩(wěn)定情況，主要是為了深入研究其發(fā)熱和散熱過程，更合理地設計其結構。在環(huán)網(wǎng)柜中，發(fā)熱量來自載流導體和電接觸的焦耳損耗（稱之為熱源），該損耗主要是由載流回路的導體電阻和接觸電阻產(chǎn)生的。環(huán)網(wǎng)柜在正常工作時，發(fā)熱經(jīng)歷一定的時間達到穩(wěn)定狀態(tài)，溫度達到穩(wěn)定溫度，這時發(fā)熱體產(chǎn)生的熱能與向外傳出的熱量達到平衡，其熱量向外傳遞由三種基本方式構成：熱傳導、對流換熱和熱輻射。

通過對該環(huán)網(wǎng)柜散熱進行分析，主要涉及到如下傳熱途徑：①載流導體及與其接觸的支持件的熱傳導；②開關柜內在封閉條件下的自然對流；③開關柜內載流導體的熱輻射；④開關柜外表面的熱輻射；⑤開關柜外周圍空氣的對流換熱。

數(shù)學模型中直接對各種傳熱方式建立了耦合的微分方程，熱傳導通常由依據(jù)能量守恒定律與傅里葉定律的導熱微分方程來描述；對流換熱則用流體力學的N-S方程來描述，它包括了質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程；輻射換熱則用斯蒂芬-玻爾茲曼公式來描述。

（二）主回路電阻計算方法。銅導體電阻的計算公式如下：

式中，R為電阻，Ω；ρ為電阻率，Ω·m；l為導體長度，m；S為導體的橫截面積，m2。

載流回路模型中，導體的接觸點較多，接觸電阻是影響開關柜中溫度上升主要因素之一。影響接觸電阻的因素很多，與接觸壓力、接觸材料性質、表面狀況、接觸形式、壓力范圍、接觸點數(shù)目等因素有關，要精確計算接觸電阻比較困難，工程上計算接觸電阻的經(jīng)驗公式具體如下：

式中，F(xiàn)為接觸壓力，N；m為與接觸形式有關的系數(shù)；KC與接觸材料、表面情況、接觸方式等有關的系數(shù)。

（三）溫度場和氣流場仿真。基于上述發(fā)熱與散熱過程的分析，借助軟件Icepak/Fluent對環(huán)網(wǎng)柜進行了分析仿真計算，

Icepak/Fluent 是強大的 CAE 仿真軟件工具，它能夠對電器產(chǎn)品的傳熱，流動進行模擬，從而在產(chǎn)品設計時對結構進行改進，大大縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。

模型中以整個開關柜為研究對象，首先計算了各段導體和接觸電阻，綜合考慮集膚效應和鄰近效應的影響，根據(jù)額定電流值630×1.1A下計算了各段導體正常運行時的發(fā)熱功率，將發(fā)熱功率加載到計算模型中，仿真中采用了六面體網(wǎng)格剖分，通過有限容積法對傳熱過程中的各個方程進行離散求解，仿真計算為充入0.03Mpa的SF6氣體條件下達到穩(wěn)定狀態(tài)下，得到了母線室內的三維溫度場與氣流場的分布。溫升值（模型實際溫度減去環(huán)境溫度）分布如圖3和圖4所示。

由仿真結果可以看出，開關柜整體的溫升分布大概為20.0℃～44.9℃。載流回路的溫升分布大概為36.0℃～44.9℃。絕緣子的溫升分布大概為21.4℃～32.6℃。外殼的溫升大概為20℃左右。高溫部分主要集中在隔離觸頭處，溫升約為44.85℃。分析其主要原因是該處功率比較大。動靜觸頭處的最高溫升可達41.98℃。分析其主要原因是該處環(huán)境較密閉，氣流較差。載流回路其它部分溫升大多在37.78℃～44.47℃之間。

由于受熱源和散熱狀況的影響不同，開關柜內的氣體也呈現(xiàn)不均勻的溫升分布。由上圖可以明顯的看出，距離載流回路零件越近部位的空氣溫升越高，基本都在26.2℃左右。并且由于氣體受熱上升，頂部的氣溫要略高于底部的氣溫。

環(huán)網(wǎng)柜內氣流速度場分布如圖5所示。

從仿真結果可以看出，在不同的區(qū)域內流體都呈現(xiàn)出不同的分布。從主視圖可以明顯的看出，流體均向柜頂上方流動，越接近柜頂流速越大。載流回路周圍的氣體流速也快于柜體內其它位置的氣體，并且流動方向多為向上。載流回路零部件通電發(fā)熱，產(chǎn)生的熱量通過對流換熱的方式傳導給周圍氣體，氣體受熱上升，是一種自然對流的散熱。

四、溫升試驗及結果分析

根據(jù)GB/T11022-2011[4]的要求，對該產(chǎn)品的樣機在國家認可的試驗室做了溫升試驗，試驗電流為630A，測得了如圖2所示的各個接觸點的溫升值，試驗結果與仿真結果的對比如表

1所示，其中仿真的數(shù)值在圖4所示的主導電回路溫升圖中由軟件在不同位置讀取，（以溫升最高的圖示左側一相為例）。

從表1中可以看出，仿真結果與試驗溫升值誤差在15%以內，驗證了仿真方法的準確性，說明該仿真方法可以有效地指導開關柜的設計。另外溫升值最大約為48℃，與標準要求限制

75℃尚有較大裕度，說明二次配電產(chǎn)品由于額定電流較小，在滿足其它要求的前提下，導體的尺寸尚有較大的優(yōu)化空間，可以成為節(jié)約成本的途徑之一。

結語：通過建立三維模型，采用計算流體力學（CFD）軟件

Icepak/Fluent對某型環(huán)網(wǎng)柜的溫度場和氣流場進行了仿真計算，并參考國家標準對該環(huán)網(wǎng)柜樣機進行了溫升試驗，仿真結果與試驗結果比較接近，驗證了仿真方法的準確性，基于本文的工作可以探索出一條計算開關柜產(chǎn)品發(fā)熱和散熱問題研究的基本方法，對新產(chǎn)品設計具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1] 田毅，黃新波.高壓開關柜溫升在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].高壓電器，2010，46（3）：64—71.

[2] 王秉政，江健武，趙靈等. 高壓開關柜接觸發(fā)熱溫度場數(shù)值計算[J]. 高壓電器，2013，49（12）：42—48.