5 500 A船用低壓主配電板散熱設(shè)計

郭 慶

應(yīng)用研究

5 500 A船用低壓主配電板散熱設(shè)計

郭 慶

（上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司，上海 200063）

基于熱傳導(dǎo)微分方程、流體運(yùn)動控制方程及輻射換熱方程，建立了低壓主配電板耦合傳熱的數(shù)學(xué)模型，數(shù)值計算了低壓主配電板穩(wěn)態(tài)工況下的三維溫度場和氣流場，指出了載流回路中溫升最高部位和內(nèi)部氣體流動規(guī)律，分析了低壓主配電板三維溫度場及氣流場分布，并在此基礎(chǔ)上對互感器安裝位置、百葉窗尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，為同類交流低壓大容量主配電板設(shè)計提供了參考。

低壓主配電板 溫度場 氣流場 湍流

0 引言

隨著船舶電氣化、自動化技術(shù)水平的不斷提高，大量半導(dǎo)體、大功率負(fù)載應(yīng)用于船舶電網(wǎng)[1]，使得船舶低壓主配電板容量不斷增加，電流不斷增大。低壓主配電板溫度升高過快過高會引起柜內(nèi)連接點(diǎn)、開關(guān)觸頭部分的機(jī)械材料變形、老化等問題，進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)體接觸部位接觸電阻增大、導(dǎo)體相鄰絕緣材料的絕緣性能降低，最終導(dǎo)致故障引起大面積停電等惡性事故[2]。目前，國內(nèi)外對交流低壓大容量主配電板自然散熱設(shè)計的研究較少。陸彪[3]采用有限元建立了低壓開關(guān)柜母線熱-流耦合模型，分析了母線錯位布置、間距大小、電流大小對母線散熱的影響，但未考慮母線間集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，結(jié)果具有一定的局限性；劉四軍[4]以KYN28A-12型4 000 A的架空進(jìn)線開關(guān)柜為研究對象建立三維溫度流體場耦合計算模型，分析了正常工況和風(fēng)機(jī)故障情況下開關(guān)柜內(nèi)溫度和流體分布，并通過加裝軸流風(fēng)機(jī)和散熱通道方式，改善了開關(guān)柜內(nèi)空氣對流的狀況。吳泳聰[5]針對開關(guān)柜溫度-流體場計算量大、精度低問題，從網(wǎng)格控制、邊界條件及熱源計算3個方面進(jìn)行優(yōu)化計算，并充分考慮了交流熱源、接觸熱源、渦流損耗對溫度場的影響，最終仿真與試驗(yàn)最大相對誤差達(dá)到了3.4%，為開關(guān)柜散熱分析與設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支持；李漢偉[6]采用Ansys軟件對中壓開關(guān)柜進(jìn)行了溫度場建模和熱分析，獲得了柜體和導(dǎo)電部件的溫升值，并與溫升試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，最大偏差為14%，造成偏差主要原因?yàn)槲词褂昧黧w力學(xué)參與溫度場耦合計算；付魯軍[7]采用多物理場耦合方法對充入干燥空氣的氣體絕緣開關(guān)柜進(jìn)行了溫度仿真，分析了內(nèi)部溫度分布特性，樣機(jī)進(jìn)行了溫升試驗(yàn)。湯清雙[8]利用FloEFD熱分析計算軟件計算了多種散熱方案下的中壓開關(guān)設(shè)備散熱效果，制作的樣機(jī)順利通過了溫升試驗(yàn)，為開關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化和散熱設(shè)計提供了理論支撐；王冬[9]對開關(guān)柜主母線銅排電磁場、熱流場及短路電動力進(jìn)行了多物理場耦合分析，對柜內(nèi)主母線截面形式、排列布置進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，同時仿真計算出自然散熱和強(qiáng)迫風(fēng)冷方案的散熱效果，對低壓開關(guān)柜主母線系統(tǒng)的分析具有普遍的參考意義；葉茂泉[10]采用Ansys熱仿真模塊對KYN44A-12型大電流開關(guān)柜內(nèi)部溫度場和空氣流場進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)仿真，提出了散熱和鍍銀觸頭溫升控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，控制了開關(guān)柜核心部件的溫升，保障了配電系統(tǒng)的安全。

本文從電器學(xué)、數(shù)值傳熱學(xué)和流體力學(xué)的基礎(chǔ)理論出發(fā)，對低壓主配電板系統(tǒng)地進(jìn)行數(shù)值模擬和計算，分析低壓主配電板三維溫度場及氣流場分布，預(yù)測了載流回路的最高溫升位置并在此基礎(chǔ)上對互感器安裝位置、百葉窗尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

1 低壓主配電板模型

低壓主配電板主要集發(fā)電機(jī)、逆變器等電源輸出的電能，將其配送至各用電負(fù)載，并具備對相連的電力設(shè)備提供參數(shù)和狀態(tài)顯示、保護(hù)、控制和管理等功能。低壓主配電板主要由框架斷路器、中間繼電器、電流互感器、電壓互感器、按鈕指示燈、柜體、監(jiān)測儀器儀表等部分組成。用于控制的元器件如中間繼電器等常安裝在低壓主配電板的隔室內(nèi)，避免主回路部分對控制部分的輻射干擾。其中，大功率低壓主配電板為避免渦流影響外殼常采用2～3 mm優(yōu)質(zhì)不銹鋼板焊接而成，母排采用多根矩形銅排組合來承載電流。這樣雖然降低了單根母排的電流密度，但是由于拼排間隙較小，相鄰銅排間的鄰近效應(yīng)增大了電阻損耗，并且受低壓配電屏外形尺寸限制，母線排布過密，阻礙了柜內(nèi)氣流的流通，進(jìn)而影響了匯流排的散熱。若增大銅排間隙，銅排間的鄰近效應(yīng)影響弱，影響配電板小型化設(shè)計。因此需要對大電流低壓主配電板母線系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，才能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)溫升要求。圖1為低壓主配電板三維模型，其中，低壓主配電板主母線銅排選用160x10 mm銅排，母線結(jié)構(gòu)為A、B、C、A、B、C分散分布；低壓主配電板正前方門板底部和后門板開進(jìn)風(fēng)口百葉窗，后門板上部開出風(fēng)口百葉窗，由于母排主要集中在母聯(lián)屏中后側(cè)，所以后門板進(jìn)風(fēng)通道寬度設(shè)置為前門板的兩倍。前門板底部通風(fēng)百葉窗高度設(shè)置為200 mm，通風(fēng)百葉窗長度為980 mm，側(cè)面及背部、頂部均開通風(fēng)百葉窗，通風(fēng)率為50%；

圖1 低壓主配電板三維模型

2 低壓主配電板散熱設(shè)計

2.1 數(shù)值模擬計算

電器中的熱量傳遞形式有熱傳導(dǎo)、對流換熱、熱輻射三種基本形式。通常情況下，電器必須采用合適的散熱方式，以便確保電器的溫升不超過其最高允許溫升。分析低壓主配電板主要散熱途徑如下：

1）載流導(dǎo)體及與之直接接觸的絕緣支撐件之間的熱傳導(dǎo)；

2）低壓主配電板內(nèi)空氣的自然對流；

3）低壓主配電板柜體外表面的熱輻射；

4）低壓主配電板內(nèi)載流導(dǎo)體的熱輻射；

5）低壓主配電板外圍空氣的對流換熱[11-12]。

低壓主配電板溫度場數(shù)學(xué)計算模型就是基于熱傳導(dǎo)微分方程、流體運(yùn)動控制方程及輻射換熱方程，建立的集熱傳導(dǎo)、對流換熱和熱輻射相互耦合的微分方程。根據(jù)數(shù)值傳熱學(xué)原理，三種傳熱方式的傳熱控制方程[13-14]如下所示。

2.1.1 導(dǎo)熱微分方程：

2.1.2對流換熱

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：、、-速度矢量在、、三個方向的分量(m/s)；-壓強(qiáng)(Pa)；

、、-質(zhì)量力在、、三個方向的分量(N)；

2.1.3 熱輻射

由于低壓配電屏載流回路的發(fā)熱和散熱是在自然散熱條件下進(jìn)行的集傳導(dǎo)、對流、輻射等傳熱方式耦合的復(fù)雜物理過程，需要從多物理場的角度出發(fā)，綜合考慮電磁場、流場及溫度場進(jìn)行分析和計算。計算機(jī)輔助軟件剖分網(wǎng)格過多，需求的硬件內(nèi)存較大，收斂條件易發(fā)散，導(dǎo)致求解難度變大[13]。所以本次采用間接耦合方式，先計算載流回路的磁熱損耗，然后再耦合到溫度場、氣流場中進(jìn)行計算。主母線銅排電流密度在集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)影響下的分布見圖2。

采用有限元仿真軟件可以得到低壓配電屏的三維溫度場及氣流場。其中初始邊界條件如下：

a）將載流回路各部分功率值作為體積熱源的方式加載到各個零部件中；

b）接觸電阻產(chǎn)生的熱損耗以功耗方式施加在各個接觸面上；

c）流體流動方式采用湍流Zero equation 模型；

d）輻射模型采用DO 模型；

e）環(huán)境溫度設(shè)置為30℃。

圖2 銅排電流密度分布

圖3 銅排表面溫度場

2.2 計算結(jié)果及分析

低壓主配電板內(nèi)斷路器及銅排為主要發(fā)熱源，由于柜體開通風(fēng)百葉孔，使得柜體整體溫度較完全封閉散熱條件變好，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量依靠柜體底部進(jìn)風(fēng)口、柜體上部及頂部的出風(fēng)口進(jìn)行自然對流散熱，使得匯流排最高溫升穩(wěn)定在32.5 K，可滿足國家標(biāo)準(zhǔn)溫升要求。

1）載流回路導(dǎo)體溫度最高部分主要集中在斷路器內(nèi)。其內(nèi)部零部件表面溫度總體比斷路器外部導(dǎo)體表面溫度要高20 K左右，這主要是因?yàn)閿嗦菲鲀?nèi)部導(dǎo)體受外殼影響散熱條件較差。

2）上層母排拼接采用上、下拼接，相序依次為A、B、C、A、B、C，底部采用水平雙拼結(jié)構(gòu)，分散銅排結(jié)構(gòu)，增大了有效散熱表面積，同時未導(dǎo)流的延伸段銅排可當(dāng)散熱翅片使用，使得匯流排溫升較其它部位低。

三相載流母排中，B相載流母排散熱條件最差，溫度最高。截取B相載流母排截面，其溫度場及氣流場分布見圖4。由圖可知：

a)母聯(lián)屏底部三個百葉窗進(jìn)風(fēng)，其中前門底部和后門底部上部分百葉窗為主要進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)量滿足內(nèi)部散熱需求。

b)低壓主配電板內(nèi)，由于載流回路不斷散發(fā)熱量，使其周圍氣體溫度升高，溫度較高的氣體不斷上升，氣體流速較大，隨后氣體流向溫度較低的區(qū)域，流速不斷降低。低壓主配電板頂部進(jìn)、出風(fēng)口處溫度較低，與內(nèi)部氣體溫差較大造成內(nèi)部空氣形成散熱路徑，并以此為規(guī)律不斷的循環(huán)流動。

2.2.1 互感器安裝位置影響

穿心式電流互感器安裝在斷路器進(jìn)、出口側(cè)，如圖5所示。為了查看互感器安裝位置對銅排溫升的影響，采用控制變量法，保證其他邊界條件不變，對電流互感器上、下安裝位置進(jìn)行熱仿真，查看不同安裝位置對斷路器進(jìn)、出口銅排溫升的影響。

圖4 B相截面溫度場及氣流場分布

重新計算可得主匯流排最高溫升基本不變，斷路器進(jìn)出口銅排溫升降低約0.5K，斷路器進(jìn)、出口銅排溫度分布見圖6。由仿真結(jié)果可知，斷路器上側(cè)銅排溫度普遍比下側(cè)銅排溫度高，內(nèi)側(cè)銅排溫度比外側(cè)高。在互感器安裝位置不受限情況下，優(yōu)先采用互感器下側(cè)安裝方式。

圖5 穿心式電流互感器安裝位置

圖6 斷路器進(jìn)、出口銅排溫度分布

2.2.2 百葉窗尺寸影響

圖4.a中A區(qū)域，頂部熱空氣通過柜頂兩個散熱通風(fēng)孔和后門板的百葉窗流出，但熱空氣在柜頂依舊有聚集，且聚集區(qū)域?qū)挾燃s為后門板通風(fēng)孔高度的兩倍。建議后門板增大通風(fēng)孔高度，以增強(qiáng)柜內(nèi)內(nèi)部對流換熱。將后門板頂部百葉窗高度向下擴(kuò)展一倍，其他通風(fēng)百葉窗位置不變，重新進(jìn)行熱仿真計算。截取B相載流母排溫度場及氣流場，其仿真結(jié)果如圖7所示。由圖可知：

1) 后門板百葉窗高度擴(kuò)展一倍后，母聯(lián)屏內(nèi)內(nèi)部對流換熱增強(qiáng)，熱空氣聚集區(qū)域減少，散熱效果增強(qiáng)且屏內(nèi)主母排最高溫升由32.5 K降低到30 K，降低約2.5 K。

2) 由氣流場分布可知，后門板頂部百葉窗下部近壁面區(qū)域氣體流速近似為0，即繼續(xù)增加百葉窗高度，對內(nèi)部載流母排溫度影響不大。

圖7 B相截面溫度場及氣流場分布

3 結(jié)論

本文旨在通過對低壓主配電板的自然散熱設(shè)計，使得內(nèi)部載流導(dǎo)體散熱效率得到提高，為此以低壓主配電板穩(wěn)態(tài)工況為基礎(chǔ)，對互感器安裝位置、百葉窗尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，得出以下結(jié)論：

1）建立了低壓主配電板耦合傳熱的數(shù)學(xué)模型，在熱源計算中綜合考慮了空氣的物理參數(shù)隨溫度變化的特性、集膚效應(yīng)及鄰近效應(yīng)、接觸電阻等多種因素對溫升的影響，仿真計算了低壓配電板穩(wěn)態(tài)工況下的三維溫度場及氣流場；

2）通過對低壓主配電板的溫度場仿真計算，預(yù)測了載流回路的最高溫升位置，計算結(jié)果表明低壓主配電板主母線采用A、B、C、A、B、C上下分層結(jié)構(gòu)，底部采用雙拼結(jié)構(gòu)，柜內(nèi)匯流排溫升可滿足國家標(biāo)準(zhǔn)溫升要求；

3）通過分析低壓主配電板穩(wěn)態(tài)下的溫度場及氣流場，對阻礙空氣流動的互感器及百葉窗尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，降低了內(nèi)部的溫升，提高了設(shè)備的運(yùn)行可靠性，為同類交流低壓大容量主配電板自然散熱設(shè)計提供了參考。

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Heat dissipation design of 5 500 A marine low-voltage main switch board

Guo Qing

(Shanghai Electrical Apparatus Research Institute(group) Co., Ltd, Shanghai 200063, China)

U665.14

A

1003-4862（2022）05-0014-05

2021-09-17

郭慶（1993-），男，工程師。主要研究方向：船用低壓電器。E-mail: guoqingee@163.com