基于SolidWorks對(duì)密集型母線槽本體的溫升分析

祝 敏

(鎮(zhèn)江西門子母線有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212200)

隨著現(xiàn)代化工程項(xiàng)目、建筑和設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，尤其是高層建筑和大型廠房的出現(xiàn)，對(duì)電力的需求也越來越大，作為一種新型配電導(dǎo)線的母線槽就應(yīng)運(yùn)而生了。母線槽是一種將銅、鋁銅排封裝在金屬外殼內(nèi)的配電產(chǎn)品，可為分散系統(tǒng)中各種大功率設(shè)備提供動(dòng)力。

母線槽依據(jù)絕緣類型進(jìn)行分類可分為密集型母線槽、澆注型母線槽和空氣型母線槽，而密集型母線槽以散熱能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、能耗小和動(dòng)熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為母線槽行業(yè)的主流產(chǎn)品。

1 研究內(nèi)容

母線槽[1]作為配電產(chǎn)品，應(yīng)保證電路運(yùn)行的安全，因此，國家對(duì)母線槽的溫升有明確要求，并對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制檢驗(yàn)。為研究母線槽在通電情況下熱場(chǎng)是如何分布的，并為后續(xù)產(chǎn)品改進(jìn)提供相應(yīng)的理論支撐，本文以鎮(zhèn)江西門子母線有限公司的XL-III密集型母線槽為模型對(duì)象，應(yīng)用SolidWorks軟件中的Flow Simulation[2]單元對(duì)其在特定工況下的溫度分布進(jìn)行分析。

2 仿真研究步驟

物體的熱量傳遞方式有3種：熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流[3]。母線槽本體內(nèi)部主要的熱傳遞方式為熱傳導(dǎo)，母線槽周圍空氣中熱傳遞為熱輻射和熱對(duì)流。母線槽的熱源是因?yàn)殡娏魍ㄟ^銅排而產(chǎn)生的焦耳熱(只考慮母線槽本體)，若電流過大，則有可能造成母線槽溫度過高，絕緣薄膜性能下降，使得母線槽發(fā)生短路燒毀等。

2.1 模型簡化與修正

為更好地進(jìn)行仿真分析，需要對(duì)模型中局部細(xì)節(jié)處進(jìn)行簡化[4](見圖1)，具體如下。

1)圖1中圈定的部分需進(jìn)行簡化，在仿真過程中，不考慮部件間的接觸熱阻。

2)圖1中使用箭頭標(biāo)記的螺栓需隱去，在仿真計(jì)算過程中，這些螺栓將不參與計(jì)算。

3)母線槽物理模型中每根母排之間都存在絕緣薄膜，但母排之間的絕緣薄膜厚度只有零點(diǎn)幾毫米，可將母排之間絕緣薄膜簡化為母排之間的接觸熱阻[5]進(jìn)行仿真。

4)母線槽物理模型為結(jié)構(gòu)對(duì)稱模型，因此，可簡化為1/2模型進(jìn)行分析，這樣可大大減少計(jì)算量，還可以進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格，從而獲得更高精度的計(jì)算結(jié)果。

圖1 模型需簡化區(qū)域

雖然母線槽物理模型的簡化和修正會(huì)對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生影響，但是上述簡化和修正情況只會(huì)對(duì)模型的局部造成影響，對(duì)于模型總體溫度影響并不大，同時(shí)可提高模型的求解速度；因此，這些模型簡化和修正工作是十分必要的。

2.2 模型邊界條件設(shè)定

因重力對(duì)溫度分布的影響較大，因此，母線槽溫度仿真需增加重力；同時(shí)還需在母線槽母排之間添加接觸熱阻來仿真母排之間的絕緣薄膜。此外，還需設(shè)定母線槽周圍的環(huán)境溫度，其他條件可按實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件進(jìn)行設(shè)定。在相關(guān)邊界條件設(shè)定完成之后，還應(yīng)對(duì)母線槽兩端進(jìn)行局部細(xì)化，以提高端部仿真精度。

在激勵(lì)源中，按母線槽滿載運(yùn)行情況進(jìn)行設(shè)定，即在母線槽母排兩端添加滿載運(yùn)行時(shí)的電流量。

2.3 模型網(wǎng)格設(shè)定

因模型中包括母線槽模型和其附近的計(jì)算域[6]，在進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)定時(shí)，需對(duì)不同模型和區(qū)域分別進(jìn)行設(shè)定，在相關(guān)模型接觸面設(shè)定等級(jí)6的細(xì)小固體特征細(xì)化級(jí)別。網(wǎng)格設(shè)定時(shí)應(yīng)遵循母線槽模型網(wǎng)格較密，接觸部分次之，計(jì)算域較粗的總體原則進(jìn)行劃分。

2.4 模型計(jì)算

完成上述設(shè)定之后，按設(shè)定條件對(duì)模型進(jìn)行分析和計(jì)算，需設(shè)定模型的迭代次數(shù)、CPU核心數(shù)和內(nèi)存用量等計(jì)算條件，在能有效保證計(jì)算精度的情況下，縮短模型的計(jì)算時(shí)間，同時(shí)在模型計(jì)算過程中應(yīng)注意目標(biāo)收斂的程度，因目標(biāo)收斂才能完成模型的計(jì)算。

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

得到模型的計(jì)算結(jié)果之后，通過母線槽模型的溫升切面圖[7](見圖2)來查看母線槽在滿載運(yùn)行情況下的溫升情況。由圖2可知，母線槽中間母排的溫度最高，其溫度值為79.03 ℃；兩側(cè)的母排溫度逐漸降低，其溫度值約為74.6 ℃；因母線槽外殼直接與附近空氣進(jìn)行熱量交換，其散熱條件是最好的，因此，母線槽的外殼溫度是母線槽模型中溫度最低的，其溫度值約為73 ℃。

圖2 模型溫升切面圖

根據(jù)模型的計(jì)算結(jié)果查看，雖然可判斷仿真情況與母線槽實(shí)際溫升情況的趨勢(shì)是一致的，但是母線槽模型的實(shí)際溫升與仿真情況是否相符合還需通過相關(guān)溫升試驗(yàn)來驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為對(duì)上述仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)仿真模型制作實(shí)際電流等級(jí)的母線槽，同時(shí)試驗(yàn)過程中的環(huán)境溫度和相關(guān)環(huán)境條件盡可能與仿真情況相同，通過消除這些干擾項(xiàng)來降低試驗(yàn)的偏差。溫升驗(yàn)證試驗(yàn)如圖3所示。

圖3 溫升驗(yàn)證試驗(yàn)

待母線槽溫升穩(wěn)定之后，每隔0.5 h記錄一次母線槽各相母排和兩側(cè)殼體的溫度。因溫升驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)已將溫度測(cè)量點(diǎn)布置在母線槽各相母排和兩側(cè)殼體中，因此，可避免因測(cè)量點(diǎn)位置不同而帶來的誤差。將3次記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表1)。

表1 驗(yàn)證樣品測(cè)試結(jié)果 (℃)

4 結(jié)語

根據(jù)上述仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果可以得出如下結(jié)論。

1)母線槽各相銅排之間的驗(yàn)證試驗(yàn)與仿真情況基本吻合[8]，這說明在母線槽母排仿真過程中的接觸熱阻設(shè)定比較準(zhǔn)確，能較好地反映母線槽各相之間的溫升情況和熱場(chǎng)分布情況。

2)母線槽殼體的驗(yàn)證試驗(yàn)與仿真情況存在一些差異，試驗(yàn)的溫升結(jié)果較仿真模型分別小5.66%和4.14%，這些誤差一方面是因?yàn)榉抡婺Ｐ徒⑦^程中未考慮母線槽殼體表面噴塑情況；另一方面是因?yàn)轵?yàn)證試驗(yàn)中的母線槽周圍并非靜止，而仿真模型中空氣對(duì)流[9]是按靜止情況進(jìn)行設(shè)定的。因此，在今后工作中應(yīng)結(jié)合上述情況對(duì)母線槽仿真模型的殼體和邊界條件進(jìn)行優(yōu)化[10]。

3)依據(jù)建立的母線槽仿真模型，可迅速得到不同工況、不同電流等級(jí)情況下的母線槽溫升結(jié)果，對(duì)母線槽的溫升情況進(jìn)行定性分析，并能對(duì)母線槽的散熱情況[11]進(jìn)行及時(shí)改進(jìn)，從而可大大縮短母線槽研發(fā)的周期和相關(guān)試驗(yàn)費(fèi)用。