基于智能控制柜結(jié)構(gòu)優(yōu)化的散熱仿真分析

許昌市許繼德理施爾電氣有限公司，河南許昌 461000

一、引言

智能變電站是國(guó)家建設(shè)智能電網(wǎng)的重要支撐，隨著智能變電站的發(fā)展，對(duì)電氣控制的保護(hù)、檢測(cè)、監(jiān)控和信息交換功能均提出了較高的要求。

智能控制柜是適應(yīng)這一要求的新型電氣控制柜，其關(guān)鍵部件為智能控制終端。智能終端結(jié)合了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、信息技術(shù)等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)。隨著智能終端功能越來(lái)越集中、體積越來(lái)越小，其單位面積上散熱需求也隨之增大，智能控制柜面臨著嚴(yán)峻的散熱問(wèn)題。

隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，利用CFD仿真技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行仿真分析這一手段，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)起著重要作用。通過(guò)對(duì)比分析不同方案對(duì)柜體散熱情況的影響，可以優(yōu)化產(chǎn)品內(nèi)部散熱條件，提高生產(chǎn)效率。

本文結(jié)合戶內(nèi)智能控制柜產(chǎn)品情況，分析和優(yōu)化智能終端在柜內(nèi)分布以及柜體開(kāi)孔結(jié)構(gòu)情況，在不改變柜內(nèi)溫控附件和發(fā)熱元件的前提下，降低柜內(nèi)平均溫度和最高溫度，優(yōu)化柜內(nèi)溫度分布，對(duì)提高柜內(nèi)元件穩(wěn)定性和延長(zhǎng)柜內(nèi)元件壽命有重要意義，對(duì)機(jī)柜類產(chǎn)品的環(huán)境控制有指導(dǎo)作用。

二、實(shí)驗(yàn)

通過(guò)CFD軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真，通過(guò)模擬流體在計(jì)算域中的流動(dòng)，計(jì)算柜內(nèi)溫度場(chǎng)分布，可以大大減少因試驗(yàn)產(chǎn)生的人力、物力和財(cái)力的花費(fèi)。

智能控制柜如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為2260mm(H)×600mm(W)×800mm(D)，采用單層側(cè)壁結(jié)構(gòu)。柜體采用并柜排列方式，柜體左右兩側(cè)無(wú)法設(shè)置進(jìn)風(fēng)口，因此采用柜后門(mén)進(jìn)風(fēng)方案。頂部設(shè)置風(fēng)機(jī)，排風(fēng)方式為從內(nèi)向外抽風(fēng)，規(guī)格為4臺(tái)EMB公司生產(chǎn)的4656N型風(fēng)機(jī)。

柜內(nèi)包含5個(gè)智能終端，智能終端尺寸為 133.4mm(H)×482mm(W)×396mm(D)， 另有光纖盒、端子排、線槽等元?dú)饧挪季o密。智能終端發(fā)熱量為60W，繼電控制箱發(fā)熱量約10W，線槽等部位發(fā)熱量假設(shè)為40W，柜內(nèi)總發(fā)熱量為350W。柜內(nèi)元?dú)饧挪己桶l(fā)熱量如圖1所示。其中，1U=44.45mm，因此該機(jī)箱也可稱為3U機(jī)箱。

本文中研究的智能控制柜放置在室內(nèi)，仿真時(shí)柜外環(huán)境溫度設(shè)置為30℃，無(wú)太陽(yáng)輻射的影響。

三、仿真和分析

仿真流程主要為：模型建立→單位標(biāo)定→參數(shù)設(shè)置→劃分網(wǎng)格→仿真計(jì)算→后處理→結(jié)論。其中仿真主要參數(shù)按上文所述執(zhí)行，后處理中主要關(guān)注柜內(nèi)溫度場(chǎng)分布和流體軌跡情況。

1、通風(fēng)孔方案的選擇

開(kāi)孔位置位于柜體后側(cè)，采取對(duì)比方案，圖2(a)為下部開(kāi)孔，圖2(b)為全開(kāi)孔，全開(kāi)孔的開(kāi)孔面積為下部開(kāi)孔的2倍。

圖3為下開(kāi)孔效果圖，圖4為全開(kāi)孔效果圖。可知，當(dāng)開(kāi)孔在下方時(shí)，柜內(nèi)最高溫度為43.98℃，而當(dāng)開(kāi)孔增加為全開(kāi)孔時(shí)，柜內(nèi)溫度反而升高到55.02℃，下部開(kāi)孔方案比全開(kāi)孔方案的最高溫度低約11℃。一般來(lái)講增加開(kāi)孔會(huì)增加通風(fēng)側(cè)面積，進(jìn)風(fēng)量相應(yīng)增多，柜內(nèi)溫度會(huì)下降，但通過(guò)圖3、圖4的對(duì)比我們可以看到，多開(kāi)孔方案柜內(nèi)溫度反而上升。

分析其原因在于：

（1）當(dāng)開(kāi)孔從上到下排列時(shí)，由于風(fēng)阻的存在，氣流更容易從上部的開(kāi)孔流經(jīng)至風(fēng)扇，下部的開(kāi)孔幾乎不起散熱作用，圖5(b)所示。此時(shí)柜內(nèi)的溫度分布為“上冷下熱”的特殊現(xiàn)象，即下部智能終端的熱量不易被帶走；

（2）當(dāng)只在背面下部開(kāi)孔時(shí)，氣流從下向上流動(dòng)，可以均勻帶動(dòng)柜內(nèi)空氣流通，因此其溫度分布較為均勻，由于熱氣自然上升，所以上部平均溫度比下部高。

2、終端設(shè)備間隔的選擇

柜內(nèi)智能終端排布方式為：柜體內(nèi)共有5個(gè)智能終端，1個(gè)繼電器控制箱以及線槽若干。優(yōu)化前柜內(nèi)智能終端排布間距從上至下分別為3U→2U→3U→ 2U→3U，如圖5(a)。圖5(b)所示結(jié)果為調(diào)整智能終端散熱分析結(jié)果（采用下開(kāi)孔模型）。環(huán)境溫度為30℃，智能終端最高溫度為43.98℃，出現(xiàn)在第二個(gè)和第三個(gè)智能終端之間，其原因在于智能終端發(fā)熱量較大，必須保證其間的間距，因此考慮通過(guò)調(diào)整智能終端之間的距離解決散熱問(wèn)題。

現(xiàn)將第二個(gè)和第三個(gè)智能終端之間間距由2U調(diào)整至3U，同時(shí)將最后一個(gè)智能終端和10W發(fā)熱量元件之間距離由3U調(diào)整至2U，優(yōu)化后排布間距從上至下分別為3U→3U→ 3U→ 2U→ 2U，如圖6(a)所示。這樣整體元件占用空間不變化，不影響其他電氣元件的排布，仿真結(jié)果如圖6(b)所示。智能終端間距調(diào)整前最高溫度為38.32℃，下降了約5.66℃。

四、結(jié)論

調(diào)整機(jī)柜后門(mén)開(kāi)孔位置和智能終端間距，對(duì)比優(yōu)化前后的散熱方案仿真結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）開(kāi)孔方案優(yōu)化后，柜內(nèi)最高溫度低約11℃。開(kāi)孔面積并不是越大越好，需要針對(duì)柜內(nèi)發(fā)熱量排布進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置的原則為盡量引導(dǎo)風(fēng)道流通至各個(gè)發(fā)熱元件；

（2）智能終端間距調(diào)整優(yōu)化后，柜內(nèi)最高溫度下降了約5.66℃。智能終端的排布需要充分考慮散熱需求，發(fā)熱量比較大的兩終端間距盡量增大，發(fā)熱量小的兩終端間距可適當(dāng)減小。