12 kV 干燥空氣氣體絕緣開關(guān)柜熱分析及優(yōu)化

趙 婧，楊長洲 ，徐 敏，肖 松

(廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院，福建 廈門 361024)

中壓開關(guān)柜是配電系統(tǒng)的重要組成部分，隨著人們對環(huán)保問題的日益重視，干燥空氣氣體絕緣開關(guān)柜成為一種發(fā)展趨勢[1]。除環(huán)保性能外，中壓開關(guān)柜的熱性能關(guān)系到整個(gè)開關(guān)柜能否正常工作和長期使用。當(dāng)開關(guān)柜運(yùn)行電流過大、安裝工藝不完善或者設(shè)計(jì)存在一定缺陷時(shí)，容易造成開關(guān)柜的溫升超標(biāo)，進(jìn)而直接影響開關(guān)柜的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2-4]。目前，不少高校和企業(yè)研究人員對氣體絕緣開關(guān)柜做了相關(guān)的研究。張俊民等[5]對27.5 kV GIS開關(guān)柜母線室建立了傳導(dǎo)、對流和輻射換熱相互耦合的數(shù)學(xué)模型，得到了母線室內(nèi)的三維溫度場與氣流場的分布;程顯等[6-7]對SF6和N2混合氣體開關(guān)柜進(jìn)行仿真計(jì)算，當(dāng)通入1.1倍額定電流時(shí)開關(guān)柜溫升在國標(biāo)規(guī)定范圍內(nèi)，可知SF6混合氣體一定程度上可滿足開關(guān)柜散熱的需求。以上研究主要研究對象為SF6或SF6與環(huán)保氣體的混合氣體,以純環(huán)保氣體為充氣介質(zhì)的研究鮮見。鑒于此，本文研究以干燥空氣作為絕緣介質(zhì)，建立GIS開關(guān)柜耦合傳熱的數(shù)學(xué)建模，在同尺寸、同氣壓的條件下，對比開關(guān)柜內(nèi)充干燥空氣和SF6氣體時(shí)的三維穩(wěn)態(tài)溫度和流場分布，并通過溫升試驗(yàn)對關(guān)鍵部位測量點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，在不改變柜體尺寸的前提下，提出干燥空氣開關(guān)柜的優(yōu)化方法，為干燥空氣開關(guān)柜散熱研究提供有益借鑒。

1 開關(guān)柜建模及熱源計(jì)算

開關(guān)柜內(nèi)主要由母線室、斷路器室、電纜室組成。氣體絕緣開關(guān)柜在自然對流條件下以開關(guān)柜整柜和柜外空氣域?yàn)檠芯繉ο螅衲Ｐ褪褂肅omsol/Flow軟件計(jì)算，在通入交流電流有效值1 250 A條件下，仿真計(jì)算開關(guān)柜達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的溫度場和氣流場分布情況。開關(guān)柜的環(huán)境溫度為20 ℃，采用層流和湍流的流動類型，兩種氣體充氣壓力均為0.13 MPa。網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格劃分和局部加密的方法。開關(guān)柜材料的物理參數(shù)如表1所示。

表1 開關(guān)柜材料物理參數(shù)

傳熱方式可分為熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射，工程上又將熱傳遞稱為散熱。通常必須采用合適的散熱方式，確保開關(guān)柜的溫升不超過其最高允許溫升[8]。對功率值計(jì)算時(shí)須充分考慮集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、溫度對電阻率的影響等[9-12]各種因素對功率值的影響，使計(jì)算接近實(shí)際值。發(fā)熱功率計(jì)算公式為

PR=KfI2R。

(1)

式(1)中：PR為損耗功率，單位W；Kf為附加損耗系數(shù)，即交變電流集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)對電阻影響的系數(shù)；I為通過導(dǎo)體的電流，單位A；R為導(dǎo)體直流電阻，單位Ω。

導(dǎo)體直流電阻R計(jì)算公式為

R=ρl/S。

(2)

式(2)中：ρ為導(dǎo)體電阻率，單位m·Ω；l為導(dǎo)體長度，單位m；S為導(dǎo)體截面積，單位m2。

2 開關(guān)柜熱分析

2.1 自然對流條件下的溫度場和流場分析

圖1 不同氣體開關(guān)柜溫度分布圖

充氣不同的開關(guān)柜溫度場分布如圖1所示。由圖1可知，在同等條件下(柜體尺寸、充氣壓力相同)，充有干燥空氣的氣室溫度比SF6氣體高12 ℃，溫度較高部分主要集中在三工位刀器組件和真空斷路器處，溫度為100 ℃左右，溫升可達(dá)80 K，超過了國家規(guī)定的允許標(biāo)準(zhǔn)溫升，開關(guān)柜內(nèi)滑動連接處最高溫升不超過65 K，螺栓連接處最高溫升不超過75 K[13]。相比干燥空氣，雖然SF6的熱導(dǎo)率不高，發(fā)熱體一部分熱量通過與相鄰絕緣件熱傳導(dǎo)傳熱，但大部分熱量通過對流換熱與柜內(nèi)氣體進(jìn)行熱量交換，氣體流動攜帶熱量轉(zhuǎn)移，SF6分子重量大、直徑大，比熱大，對流傳熱優(yōu)于干燥空氣，易于帶走柜內(nèi)的熱量，這樣使得SF6充氣柜溫度分布更均勻，且溫度梯度小， SF6充氣室內(nèi)最高溫度差為22 ℃，綜合考慮熱傳導(dǎo)和熱對流的影響，SF6氣體的傳熱能力優(yōu)于干燥空氣，因此干燥空氣的溫度比SF6高，整體溫度高12 K左右。

圖2 不同氣體開關(guān)柜流場分布圖

不同氣體在開關(guān)柜內(nèi)部流場分布如圖2所示。由圖2可以看出，流場在不同位置的分布不同。圖2(a)和(b)的對比可以看出，載流回路發(fā)熱使氣體升溫，靠近載流回路處氣體溫度最高，溫度高的氣體不斷上升流向溫度低的區(qū)域，氣體到達(dá)上壁面后，氣體與壁面的溫差使氣體在靠近壁面的兩側(cè)沿著壁面向下流動，到達(dá)底部再一次形成回流向上流動，而部分被開關(guān)柜和氣室壁面阻塞的氣流形成短距離的回流流動。圖2(a)中，開關(guān)柜流場顏色分布更深、流速箭頭更密更集中。對于氣體來說，傳熱效應(yīng)主要體現(xiàn)在對流傳熱，分子的擴(kuò)散運(yùn)動攜帶熱量產(chǎn)生的自然對流傳熱作用更加明顯，SF6氣體依靠與相鄰固體表面的氣體局部溫度升高而膨脹向外擴(kuò)散或流動。對流傳熱能力與分子比熱有關(guān)，即氣體分子升高1 K所需要的熱量的能力，氣體分子溫度升高時(shí)吸收的熱量隨著分子運(yùn)動擴(kuò)散到別處。在相同充氣壓力下，SF6分子的比熱容大于干燥空氣，因此對流散熱能力遠(yuǎn)大于干燥空氣。

2.2 溫升試驗(yàn)

圖3 溫升試驗(yàn)裝置

圖4 測量點(diǎn)位置

溫升試驗(yàn)[14-15]的目的是驗(yàn)證開關(guān)柜具有的載流能力，考核開關(guān)柜帶電運(yùn)行的實(shí)際溫升。溫升試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 11022-2011 高壓開關(guān)柜和控制柜標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求。溫升試驗(yàn)裝置圖如圖3所示，其中開關(guān)柜的頂面、底面、左右面與外界空氣直接接觸，前后面柜子裝有厚度為30 mm的泡沫模擬開關(guān)柜的實(shí)際并柜運(yùn)行情況。溫升測量一般使用性能優(yōu)異的T型熱電偶，測量柜內(nèi)10個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫升，開關(guān)柜內(nèi)10個(gè)點(diǎn)位置如圖4所示。隨著通電時(shí)間的增加，各測試點(diǎn)溫度增大，當(dāng)所有測試點(diǎn)的溫升變化不超過1 K時(shí)，認(rèn)為試驗(yàn)完成。各點(diǎn)溫升值為測量點(diǎn)的溫度減去環(huán)境溫度數(shù)值。

圖5 SF6與干燥空氣開關(guān)柜關(guān)鍵點(diǎn)溫度的仿真結(jié)果

SF6氣體與干燥空氣開關(guān)柜關(guān)鍵點(diǎn)仿真溫度對比如圖5所示，仿真溫度根據(jù)圖1的仿真結(jié)果及圖4關(guān)鍵點(diǎn)位置綜合得到，選取關(guān)鍵點(diǎn)溫度與試驗(yàn)值對比。由圖5可以看出，充氣介質(zhì)為干燥空氣時(shí)柜內(nèi)平均溫度高出SF6氣體12 K左右。試驗(yàn)結(jié)果為12.3 K，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。干燥空氣開關(guān)柜溫升超出了國標(biāo)允許溫升，因此，干燥空氣的開關(guān)柜在滿足環(huán)保的要求時(shí)，須進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)從而滿足散熱要求。

各點(diǎn)溫升實(shí)測值和仿真值對比如圖6所示。圖6(a)除了斷路器出線端測量誤差在3.2 K，其他測量點(diǎn)誤差在3 K以內(nèi)，圖6(b)各測量點(diǎn)誤差都在3 K以內(nèi)，誤差符合工程實(shí)際需求，溫度高的點(diǎn)主要集中在三工位開關(guān)和斷路器處，說明仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，也證實(shí)了從系統(tǒng)角度分析開關(guān)柜整柜熱性能的可行性。

圖6 2種不同氣體開關(guān)柜關(guān)鍵點(diǎn)溫升實(shí)測值和仿真值

3 干燥空氣氣體絕緣開關(guān)柜的優(yōu)化

在殼體、導(dǎo)體表面噴涂黑漆，發(fā)射系數(shù)提高至0.95，開關(guān)柜整柜溫度降低了8 K，但溫升還是超過國標(biāo)溫升，進(jìn)一步添加主回路散熱器和增大導(dǎo)體截面積改變柜體結(jié)構(gòu)。具體措施為： 1)增大導(dǎo)體截面積，三工位刀器、斷路器上端母排、斷路器下端母排、電纜出線截面積均增大5 mm；2)添加主回路散熱器，三工位組件、斷路器上端母排部分地方添加散熱器。

開關(guān)柜結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的溫度仿真對比結(jié)果如圖7所示。開關(guān)柜的柜體大小保持不變，通過添加散熱器等改變結(jié)構(gòu)后整柜溫度降低了13 K，改變結(jié)構(gòu)后三工位組件和母排溫度顯著降低，斷路器上端母排、三工位刀器、三工位旋轉(zhuǎn)件連接處從最高溫度97 ℃降低到74 ℃。開關(guān)柜最高溫度在真空斷路器處，因?yàn)檎婵諗嗦菲髟谡婵窄h(huán)境下不能通過對流散熱，斷路器內(nèi)真空泡的接觸電阻最大，導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重。總的來說，開關(guān)柜斷路器室和電纜室溫度大幅降低，斷路器室三工位和上端母排處裝設(shè)的散熱器由于加快對流散熱使得附近導(dǎo)體溫度降低，容易帶走載流主回路導(dǎo)體上端產(chǎn)生的熱量，圖7(c)(d)中，下端電纜增加了截面積致使發(fā)熱量減小，導(dǎo)致電纜室溫度降低。干燥空氣開關(guān)柜改變結(jié)構(gòu)后關(guān)鍵部位溫度明顯降低，各關(guān)鍵點(diǎn)溫升在國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)溫升范圍內(nèi)，同時(shí)溫升和絕緣試驗(yàn)通過了驗(yàn)證，由此可知，改變結(jié)構(gòu)對于干燥空氣開關(guān)柜的優(yōu)化是合理有效的。

圖7 改變結(jié)構(gòu)前后溫度仿真對比

圖8 改變結(jié)構(gòu)前后流場仿真對比

開關(guān)柜構(gòu)優(yōu)化前后的流場對比如圖8所示。對比圖8(a)、(b)可知，加裝散熱器后的流速明顯大于原始載流導(dǎo)體，各個(gè)氣室的流速情況各不相同，氣室最高流速可達(dá)0.71 m/s，斷路器室的流速迅速增大，在嚴(yán)重發(fā)熱的斷路器上端母排和三工位組件處裝設(shè)散熱器，載流導(dǎo)體與周圍的流體發(fā)生熱對流，散熱器同時(shí)帶動流體吸收的熱量向溫度較低的柜體上方流動，冷熱流體的交替最終使得氣體溫度趨于均勻。裝設(shè)散熱器后，流體流速增大，散熱能力大幅提高，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的開關(guān)柜對降低溫升效果顯著。

4 結(jié)論

1)在同尺寸、同氣壓且自然對流的條件下，開關(guān)柜內(nèi)充氣分別為SF6氣體和干燥空氣時(shí)，溫升試驗(yàn)均與仿真結(jié)果相吻合，干燥空氣開關(guān)柜整體溫度比SF6氣體開關(guān)柜高大約12 K。

2)為保證干燥空氣開關(guān)柜滿足溫升試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，通過溫度仿真，在不改變柜體大小的前提下，采取提高主回路導(dǎo)體和殼體表面的發(fā)射系數(shù)，添加主回路散熱器等結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施對開關(guān)柜進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的干燥空氣開關(guān)柜滿足了國家標(biāo)準(zhǔn)要求。這些改進(jìn)措施可為優(yōu)化干燥空氣開關(guān)柜提供有益借鑒。