農(nóng)用電氣柜溫度仿真研究

馬文婧，陳澤雄，姜明凱，彭靈利，繆新招

(廣州供電局有限公司，廣東 廣州 511400)

隨著農(nóng)村現(xiàn)代化步伐的加快，農(nóng)用電氣設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，用電總功率也逐年遞增。然而農(nóng)用電氣柜量大面廣，設(shè)備維護(hù)周期長，存在一定的安全隱患；另外農(nóng)用電氣柜的配套設(shè)施不全，尤其是防火防災(zāi)設(shè)施欠缺，影響其安全運(yùn)行。柜體運(yùn)行時的母排溫升是目前高功率用配電柜的重要設(shè)計指標(biāo)之一，通過分析電力設(shè)備和系統(tǒng)的發(fā)熱量，從電氣線路設(shè)計、電氣元件散熱預(yù)估以及整機(jī)通風(fēng)與散熱設(shè)計方面著手，選用適宜的冷卻方式，優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)，控制設(shè)備內(nèi)發(fā)熱體或系統(tǒng)的溫升速率，可有效確保設(shè)備或系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。

為了優(yōu)化散熱條件，近年來研究人員從減小材料電阻、增加機(jī)柜散熱面積、優(yōu)化機(jī)柜發(fā)熱元件布局等方面進(jìn)行研究。廖明、Huang等[1-2]利用ANSYS Fluent軟件對封閉機(jī)柜腔體在自然對流條件下的散熱情況進(jìn)行研究分析，得到了機(jī)柜溫度場和流場分布規(guī)律以及截面平均溫度的變化趨勢，確定了發(fā)熱件表面最高溫度的位置，并通過增加風(fēng)量和改進(jìn)通風(fēng)方案來降低其表面溫度；劉林鐸[3]采用六西格瑪設(shè)計方法，結(jié)合某電子產(chǎn)品熱設(shè)計特點，辨別影響熱設(shè)計可靠性的關(guān)鍵因素，并搭建熱設(shè)計測量臺架，逐一對元器件和整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模、設(shè)計和優(yōu)化，達(dá)到預(yù)期的可靠性設(shè)計要求；李江濤等[4]從負(fù)荷電流、環(huán)境溫度和接觸電阻等方面對大電流開關(guān)柜溫升的原因進(jìn)行分析，利用Comsol對大電流開關(guān)柜進(jìn)行電磁-傳熱-對流多物理場耦合仿真計算，得到其內(nèi)部溫度分布規(guī)律，分析了負(fù)荷電流、環(huán)境溫度以及開關(guān)柜各部位的接觸電阻對于母線和梅花觸頭溫升的影響，并指出如果電流互感器存在接觸問題，則會產(chǎn)生異常溫升進(jìn)而影響整體母線溫度分布；葉茂泉等[5]采用ANSYS Icepak對KYN44A-12型大電流開關(guān)柜內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)溫度場和流場進(jìn)行分析，提出了優(yōu)化散熱和采用鍍銀觸頭來控制核心部件溫升的方法，保證了其使用壽命；朱漢東等[6]采用基于51單片機(jī)的遠(yuǎn)紅外測溫法，以溫度傳感器為測溫元件，監(jiān)測中壓開關(guān)柜帶電工作狀態(tài)下母線和電器元件連接處的發(fā)熱情況，達(dá)到了對溫升在線監(jiān)測的效果；胡方等[7]通過分析電力連接器的瞬態(tài)溫度場，研究了接觸電阻變化和電流波動對連接器觸頭溫升的影響情況，得到了連接器觸頭溫度和其接線端部溫度之間的定量關(guān)系，實現(xiàn)連接器觸頭溫升的間接測量；Li、李正睿等[8-9]利用ANSYS Icepak對PCB板的溫升情況進(jìn)行分析，計算了功能模塊的熱功耗和熱穩(wěn)定狀態(tài)下熱失控表面的熱通量密度，找出其內(nèi)部溫度最高部位，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)布局，增加負(fù)載器散熱孔，節(jié)約了開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期，并提高了其可靠性。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用ANSYS Fluent對農(nóng)用電氣柜的散熱情況進(jìn)行研究，對比了其在自然對流和強(qiáng)制對流下的散熱情況，找出了在自然對流情況下散熱較差的可能因素，總結(jié)了冷卻風(fēng)速與母線表面溫度之間的關(guān)系，對電氣柜熱設(shè)計有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 模型控制方程

電流通過導(dǎo)線產(chǎn)生歐姆熱，使得導(dǎo)線附近的熱空氣與周圍環(huán)境中的冷空氣之間存在密度差，在局部微環(huán)境中形成對流換熱的驅(qū)動力。大環(huán)境中的空氣以一定速度強(qiáng)制流過電氣線路表面時，可吸收熱源熱量，這個過程需要遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，其連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程[10]如下。

連續(xù)性方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

2 電氣柜仿真計算

2.1 物理模型

基于模型的研究主要針對的是農(nóng)用電氣柜內(nèi)部散熱情況，為了計算方便，對散熱影響較小的圓角、裝配間隙、孔洞、螺栓、鉚釘?shù)雀駯沤Y(jié)構(gòu)進(jìn)行刪除和簡化，簡化后的電氣柜結(jié)構(gòu)如圖1所示。電氣柜母線采用銅芯，其他采用鋁合金和陶瓷材料制作。

在模擬過程中，本文采用不可壓縮理想氣體來分析封閉機(jī)柜在自然對流條件下的散熱情況，在強(qiáng)制對流工況下給出不同冷卻風(fēng)速下的母線表面散熱情況，其邊界條件分別見表1和表2。

2.2 模型驗證

在模擬計算中，需要對流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。三相母線是柜體內(nèi)發(fā)熱量最大的部分，按照經(jīng)驗選取網(wǎng)格尺寸因子分別為0.5,0.8和1，利用軟件求面均值函數(shù)獲得柜體內(nèi)三相母線表面平均溫度分別為364,366和363 K，可見溫度分布基本一致，說明更小的網(wǎng)格并不能帶來更高的計算精度。以網(wǎng)格尺寸因子為1時的網(wǎng)格方案為例，該方案結(jié)構(gòu)離散后的網(wǎng)格數(shù)為61.8萬，經(jīng)模擬計算得到三相母線溫度分布如圖2所示。

圖1 電氣柜結(jié)構(gòu)圖

表1 流體初始計算參數(shù)表

表2 材料參數(shù)

圖2 母線表面溫度場

由圖2可知，A相母線(圖2中最左側(cè))表面溫度較高，通過流場分析可以發(fā)現(xiàn)，其表面存在微小的渦流，影響散熱。

3 結(jié)果分析

3.1 電氣柜溫度及流場計算結(jié)果

母線是電氣柜中的主要熱源，其表面高溫區(qū)為歐姆熱較高的區(qū)域，自然對流條件下，A相母線表面溫度較高，對比速度場可發(fā)現(xiàn)A相附近渦流較多，影響其散熱。隨著強(qiáng)制冷卻風(fēng)速增加，冷卻強(qiáng)度增大，A相母線表面溫度逐漸下降，采用2 m/s的風(fēng)速進(jìn)行強(qiáng)制冷卻后，三相母線表面平均溫度由363.75 K下降到350.75 K，風(fēng)速增加到4 m/s時，A相表面平均溫度降低到339.15 K，如圖3所示。

圖3 母線表面溫度場圖

通過Fluent分析得到A相母線附近的氣流流動情況，可以發(fā)現(xiàn)由于電氣柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點，母線表面的散熱速度取決于其表面空氣的流動情況。由于存在較小的渦流，如圖4所示，因此采用風(fēng)扇強(qiáng)制散熱，會使漩渦消失，空氣流動更加順暢，母線表面溫度下降得較快。

圖4 豎直截面流場

3.2 冷卻風(fēng)速對母線溫度的影響分析

本節(jié)采用增加冷卻風(fēng)速的方法來研究母線表面溫度的變化情況，如圖5所示，不斷增加冷卻風(fēng)速，目標(biāo)表面平均溫度逐漸下降，但是下降幅度逐漸減小。因此，從節(jié)能的角度出發(fā)，不宜選擇大風(fēng)量風(fēng)扇，維持其入口風(fēng)速為4 m/s，既能滿足溫度要求，又能降低能耗。

圖5 目標(biāo)表面平均溫度隨冷卻風(fēng)速的變化曲線

4 結(jié)論

本文根據(jù)農(nóng)用電氣柜的結(jié)構(gòu)特點，分析了其在自然對流和強(qiáng)制對流工況下的散熱效果，總結(jié)了冷卻風(fēng)速對母線表面溫度的影響，得出如下結(jié)論：

1)在自然對流條件下，母線表面存在較小的渦流，影響散熱，平均溫度高達(dá)363.75 K。

2)采用2 m/s的風(fēng)速進(jìn)行強(qiáng)制冷卻后，改變了母線表面附近空氣的流動方向，增加了散熱量，其表面平均溫度為350.75 K；采用4 m/s的風(fēng)速進(jìn)行強(qiáng)制冷卻后，其表面平均溫度為339.15 K，符合母線安全工作溫度。

3)若采用更高風(fēng)速進(jìn)行降溫，盡管運(yùn)行溫度有所降低，但風(fēng)扇本身耗能較大，不符合低碳環(huán)保的運(yùn)行要求。