戶外箱式電容器的散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

張?jiān)? 王碩

(思源電氣股份有限公司, 上海 201108)

0 引言

箱式電容器全稱箱式高壓并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償成套裝置, 是在柜式高壓并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償裝置的基礎(chǔ)上采用預(yù)裝式箱變形式外殼以適應(yīng)戶外使用的新產(chǎn)品, 具有自動(dòng)調(diào)節(jié)母線電壓、 補(bǔ)償無功功率、 提高電壓合格率和功率因數(shù)的功能, 同時(shí)具有占地面積小、 現(xiàn)場施工周期短、 標(biāo)準(zhǔn)化程度高的特點(diǎn)[1]。 隨著碳中和的目標(biāo)在全球范圍內(nèi)成為共識(shí),電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迎來了較大發(fā)展, 箱式電容器因其獨(dú)特優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用, 且向著高電壓、 高容量的方向發(fā)展[2－3]。

影響風(fēng)冷冷卻性能的主要因素包括風(fēng)速、 環(huán)境溫度、 進(jìn)出風(fēng)口位置等。 國內(nèi)目前有使用箱體內(nèi)集中風(fēng)道進(jìn)行熱源冷卻的, 但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜； 有使用箱體內(nèi)吹風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻的, 但對(duì)箱體內(nèi)溫度均勻性有影響。 還有國外學(xué)者提出了一種利用超薄均溫板進(jìn)行風(fēng)冷冷卻的方法, 但風(fēng)壓偏大時(shí), 器件使用的可靠性可能會(huì)受到影響[4]。 本文設(shè)計(jì)一種箱體,散熱方式簡單, 方便供應(yīng)商生產(chǎn)與售后維護(hù), 對(duì)電容器裝置的穩(wěn)定運(yùn)行、 設(shè)備壽命顯得尤為重要。

1 戶外箱式電容器散熱設(shè)計(jì)

戶外箱式電容器是把進(jìn)線隔離開關(guān)、 斷路器、調(diào)容調(diào)抗開關(guān)、 電抗器、 電容器、 保護(hù)裝置等按一定的接線方式組裝成一體的預(yù)制、 緊湊式的戶外設(shè)備。

以某公司戶外箱式11 kV 6 000 kvar 箱式電容器為例, 箱體尺寸為5 600 mm×2 250 mm×2 450 mm,箱體內(nèi)布置三相共30 臺(tái)電容器和9 臺(tái)電抗器, 戶外箱式電容器布置示意如圖1 所示。

圖1 戶外箱式電容器布置示意

箱體為戶外安裝使用, 要求箱體滿足IP54 防護(hù)等級(jí)要求。 同時(shí)設(shè)備需在最高溫度為55 ℃時(shí)正常運(yùn)行, 因此箱體需配備風(fēng)機(jī), 以便對(duì)箱體內(nèi)設(shè)備通風(fēng)散熱[5]。 根據(jù)以上要求, 對(duì)箱體的散熱防塵設(shè)計(jì)如下方案:

1) 采用頂出風(fēng)方案, 頂蓋四周出檐加寬至150 mm, 頂蓋中間高度150 mm, 四周高度100 mm,同時(shí)在頂蓋內(nèi)按照擋水要求, 增加兩道各30 mm高的擋水板。

2) 出風(fēng)口采用雙層結(jié)構(gòu), 下層多孔板為單排長條孔, 孔尺寸為70 mm×5 mm, 間距5 mm； 上層為鋼絲網(wǎng), 建議孔徑為1 mm, 其中長度方向多孔板總長度5 000 mm, 深度方向多孔板總長度1 500 mm。

3) 在電容器上方布置5 臺(tái)風(fēng)機(jī), 每臺(tái)風(fēng)量800 m3/h, 建議型號(hào)為F2E－320B－230。

4) 進(jìn)風(fēng)口過濾器選用LK3327.300 (滿足IP54 防護(hù)等級(jí)), 過濾器內(nèi)側(cè)尺寸為289 mm×289 mm。 每兩列電容器的長邊兩側(cè)各安裝1 個(gè)進(jìn)風(fēng)口過濾器進(jìn)風(fēng), 共安裝10 個(gè), 如圖2 所示。 過濾器離地距離約250 mm, 如圖3 所示。 進(jìn)風(fēng)口外側(cè)防護(hù)罩按照深度150 mm 設(shè)置, 進(jìn)風(fēng)口濾網(wǎng)按照12 mm 厚度25PPI 防塵海綿設(shè)置, 內(nèi)側(cè)導(dǎo)風(fēng)板設(shè)置為深度100 mm、 高度150 mm 的斜板。

圖2 箱式電容器散熱結(jié)構(gòu)

圖3 過濾器照片及尺寸

箱頂安裝風(fēng)機(jī), 型號(hào)為F2E－320B－230, 滾珠軸承, 布置位置對(duì)應(yīng)電容器位置, 風(fēng)機(jī)參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)機(jī)參數(shù)

頂部風(fēng)機(jī)的安裝方式為箱體內(nèi)部由下向上固定, 進(jìn)風(fēng)口過濾器防塵海綿可以從門內(nèi)進(jìn)行拆卸清洗更換, 出風(fēng)口處網(wǎng)板為分段式鋼絲網(wǎng)板框, 可以在箱體外部進(jìn)行拆卸, 如圖4 所示[6]。

圖4 可拆卸的出風(fēng)口網(wǎng)板

2 散熱仿真計(jì)算

在該箱體散熱過程中, 熱量從電容器、 電抗器表面由冷卻風(fēng)從箱體頂部傳遞到外界。 在整個(gè)熱量傳遞的過程中流體遵循質(zhì)量守恒、 熱量守恒及能量守恒的定律。

求解時(shí), 首先將連續(xù)空間割裂成一個(gè)個(gè)小塊,每一個(gè)小塊相當(dāng)于一個(gè)控制體(這個(gè)過程在仿真軟件中就是生成網(wǎng)格的過程)。 在一個(gè)控制體內(nèi),凈流入的物質(zhì)質(zhì)量將導(dǎo)致物體密度的變化, 而凈流入的能量則導(dǎo)致物體溫度的變化, 即每個(gè)控制體都必須滿足質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律。 流速的變化, 則是依據(jù)動(dòng)量定理得出的, 即物體在單位時(shí)間內(nèi)某方向上動(dòng)量的變化與受到的沖量值相同。 通過有限元法求解這些守恒方程來實(shí)現(xiàn)對(duì)傳熱過程的數(shù)值分析, 過程中需要求解幾個(gè)公式[7－10]。

傳熱過程中熱流量可表示為:

式中,Φ表示傳遞的熱流量；A表示傳熱面積； Δt表示熱流體和冷流體之間的傳熱溫差；K表示傳熱系數(shù)。

1) 連續(xù)性方程

連續(xù)性方程由質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)得出, 即單位時(shí)間內(nèi)流體控制體中的質(zhì)量增量等于流入控制體的凈質(zhì)量。

式中,ρ為密度；u、v、w分別為速度在x、y、z方向上的分量。 假設(shè)該流動(dòng)為理想狀況下的穩(wěn)態(tài)流動(dòng), 流體物性參數(shù)不隨時(shí)間改變, 且密度為常數(shù),上述方程可轉(zhuǎn)化為:

2) 動(dòng)量方程

動(dòng)量方程由牛頓第二定律(F＝ma) 推導(dǎo)而出, 即控制體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該控制體上的各種力之和。

對(duì)于黏性為常數(shù)的不可壓縮流體, 動(dòng)量方程為:

式中,ν為流體的運(yùn)動(dòng)粘度；p為控制體上的壓力；U為速度。

3) 能量方程

控制體中能量的增加率等于進(jìn)入控制體的凈熱流量加上體力與面力對(duì)控制體所做的功, 即熱力學(xué)第一定律。 流體的能量E通常由內(nèi)能i、 動(dòng)能EK＝(u2＋v2＋w2)/2 和勢能EP組成, 且i＝cpT, 溫度T為變量時(shí), 可得:

式中,λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；ST為流體內(nèi)熱源與因流體黏性作用而使機(jī)械能轉(zhuǎn)為熱能的部分。

在電子產(chǎn)品熱仿真中, 發(fā)熱元器件一般是固體, 產(chǎn)熱速率值就表示了單位體積內(nèi)發(fā)熱元件產(chǎn)生的功耗。 由此可見, 電子產(chǎn)品產(chǎn)熱速率值的準(zhǔn)確性直接影響求解結(jié)果的精度。 電子產(chǎn)品熱仿真中, 絕大多數(shù)都是關(guān)注設(shè)備達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的溫度表現(xiàn),這時(shí), 溫度已不再隨時(shí)間變化而變化[11]。

在這些前提下, 固體內(nèi)部的溫度方程中不再包含密度和比熱容這兩個(gè)物性參數(shù), 因此可以不予賦值。 而即便是穩(wěn)態(tài)的情景, 流體的溫度方程中也會(huì)包含密度和比熱容(流體流動(dòng)項(xiàng)無法忽略), 因此所有的情景中流體的這兩個(gè)物性參數(shù)都要設(shè)定。

計(jì)算之前, 先將整個(gè)產(chǎn)品的求解區(qū)域裂解成許多個(gè)控制體, 控制體與相鄰控制體之間就可以根據(jù)上述定律構(gòu)建耦合關(guān)系。 求解時(shí), 先根據(jù)初始化時(shí)的數(shù)值進(jìn)行耦合計(jì)算, 物理量在滿足上述定律的前提下逐個(gè)傳遞。 當(dāng)傳遞至邊界時(shí), 由于邊界上的條件是已知的, 就可以校驗(yàn)傳遞過來的數(shù)值與已知邊界條件之間的誤差[12－15]。

2.1 計(jì)算模型

對(duì)直通風(fēng)散熱箱體建立如圖5 所示模型, 箱體頂蓋出風(fēng), 箱頂5 臺(tái)風(fēng)機(jī)向外抽風(fēng), 箱體長邊的10 個(gè)進(jìn)風(fēng)口向柜內(nèi)進(jìn)風(fēng)為電容器散熱。

電容器和電抗器的數(shù)量和功耗見表2。 由于電抗器自然散熱可滿足要求, 因此電抗器簡化為方形結(jié)構(gòu), 只考慮其對(duì)箱體的加熱效應(yīng)。 電容器簡化為均勻熱源, 導(dǎo)熱系數(shù)按照實(shí)際電容器導(dǎo)熱特性, 設(shè)置為各向異性導(dǎo)熱材料。

表2 電容器和電抗器功耗

2.2 邊界條件

電容器箱體為多層結(jié)構(gòu), 內(nèi)部安裝有保溫棉,按照保溫棉物性參數(shù)設(shè)置。 電容器本身按照不銹鋼設(shè)置, 考慮到自然散熱需要進(jìn)行輻射散熱計(jì)算, 且電容器和箱體表面均做噴漆等處理, 兩種材料輻射系數(shù)均設(shè)置為0.9。 兩種材料屬性見表3[16]。

表3 材料特性

電容器安裝在箱體內(nèi), 由于箱體內(nèi)為強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱, 因此計(jì)算區(qū)域設(shè)置與箱體基本一致, 計(jì)算區(qū)域模型如圖6 所示。 環(huán)境溫度為55 ℃, 大氣壓強(qiáng)為101 325 Pa。 最大網(wǎng)格尺寸50 mm, 最小網(wǎng)格尺寸0.68 mm, 最大細(xì)長比22, 網(wǎng)格數(shù)量844 萬個(gè)。

圖6 計(jì)算區(qū)域模型

2.3 計(jì)算判據(jù)

電容器芯子溫度需低于80 ℃, 按照型式試驗(yàn)測試結(jié)果和大容量油浸式電容器的計(jì)算結(jié)果, 電容器表殼最高溫度與芯子溫度差不超過10 ℃, 因此表殼溫度低于70 ℃可以滿足散熱要求。

3 仿真結(jié)果及分析

采用仿真軟件進(jìn)行箱體的溫升仿真分析, 采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型進(jìn)行流場計(jì)算, 傳熱計(jì)算考慮輻射換熱影響。

電容器表面最高溫度為64.4 ℃, 可以滿足電容器散熱要求, 電容器組表面溫度分布如圖7所示。

圖7 電容器組表面溫度分布

箱體頂部5 臺(tái)風(fēng)機(jī)總風(fēng)量為4 000 m3/h, 正常工作時(shí)的箱體平均流動(dòng)阻力為44 Pa。 此時(shí)箱體側(cè)面每個(gè)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速分布均勻, 最大風(fēng)速1.59 m/s,通過進(jìn)風(fēng)口過濾網(wǎng)的最大風(fēng)速盡量控制在1.70 m/s以內(nèi), 以延長防塵網(wǎng)的維護(hù)周期。

不同因素影響下的仿真結(jié)果表明: 1) 在一定的條件下, 風(fēng)速的提高可以明顯提升箱體內(nèi)器件的冷卻效果； 2) 進(jìn)風(fēng)口過濾器選擇12 mm 厚度的25PPI 防塵海綿, 進(jìn)風(fēng)口過濾網(wǎng)的最大風(fēng)速為1.59 m/s, 可以延長防塵網(wǎng)的維護(hù)周期； 3) 在進(jìn)風(fēng)口設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板, 對(duì)箱體內(nèi)部溫度均勻性效果好。

箱式電容器在55 ℃環(huán)境溫度下的電容散熱要求: 電容表面最高溫度不超過65 ℃； 如最高環(huán)境溫度升至60 ℃, 此時(shí)電容表面最高溫度不超過70 ℃, 仍可滿足散熱要求。 進(jìn)風(fēng)口過濾器安裝在箱體長邊兩側(cè), 安裝位置如圖8 所示, 每個(gè)過濾器正對(duì)電容器列[17－19]。

圖8 進(jìn)風(fēng)口位置示意

4 結(jié)語

本文根據(jù)主要元器件發(fā)熱量對(duì)戶外箱式11 kV 6 000 kvar 箱式電容器分析, 選擇頂出風(fēng)散熱方式,通過理論計(jì)算得出散熱風(fēng)扇所需風(fēng)量, 進(jìn)行進(jìn)出風(fēng)口、 主要發(fā)熱元器件電容器和電抗器、 風(fēng)機(jī)的合理布置, 在進(jìn)風(fēng)口設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板； 按照實(shí)際情況建立仿真計(jì)算模型, 控制進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速, 以增大防塵網(wǎng)的維護(hù)周期。 根據(jù)仿真結(jié)果, 箱體內(nèi)部的氣流流向與設(shè)計(jì)一致, 在高溫下能滿足設(shè)備工作溫度的要求, 可以判定箱體的散熱設(shè)計(jì)合理, 從工程應(yīng)用現(xiàn)場狀況來看運(yùn)行情況良好。

本文探討的整套箱體散熱設(shè)計(jì)流程, 主要包括理論計(jì)算與仿真驗(yàn)證兩部分, 仿真計(jì)算能夠?qū)碚撚?jì)算的結(jié)果進(jìn)行有效地校核, 同時(shí)能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)意見。 散熱設(shè)計(jì)方案考慮箱體IP54 防護(hù)性能, 且方便現(xiàn)場進(jìn)出風(fēng)口濾網(wǎng)維護(hù), 能夠有效保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。