南瑞集團公司(國家電網(wǎng)電力研究院)、江蘇南瑞帕維爾電氣有限公司、上海新新電氣有限公司的研究員李杜、丁永勝、蔣福樹在2017年第11期《電氣技術(shù)》上撰文指出，溫升是衡量開關(guān)設(shè)備長期穩(wěn)定運行的重要因素之一。

以典型結(jié)構(gòu)KYN912出線柜為例，探討了高壓開關(guān)柜熱效應(yīng)的仿真分析方法。首先，對機柜進行有效簡化，生成合理的有限元模型。然后，利用電磁仿真軟件對開關(guān)柜的加熱功率進行仿真分析。最后，通過穩(wěn)態(tài)熱分析獲得了開關(guān)柜導(dǎo)體的溫度場數(shù)據(jù)。

實驗數(shù)據(jù)驗證了簡化開關(guān)柜模型的合理性和熱模擬分析方法的正確性。開關(guān)柜的模擬數(shù)據(jù)對其溫升的優(yōu)化設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

隨著我國人民生活水平的不斷提高，人們對供電質(zhì)量和可靠性的要求越來越高。然而，隨著城市配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，投入運行的高壓開關(guān)柜的數(shù)量也相應(yīng)增加，其運行對電網(wǎng)的可靠性有很大影響。

斷路器導(dǎo)體部分的梅花觸頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為了便于仿真計算，采用簡單的軸對稱零件代替梅花接觸模型。根據(jù)實際回路電阻、歐姆損耗分布、總體積、表面散熱面積等因素一致的原則，對軸對稱零件進行建模。

圖2和圖3分別示出了a相導(dǎo)體簡化前后歐姆損耗的分布云圖。

圖2簡化的正面歐姆損耗分布

圖3簡化的歐姆損耗分布

將實驗測量值與軟件模擬值進行比較后，簡化的開關(guān)柜導(dǎo)體模型的回路電阻值與實際測量值基本一致。模型中相互接觸的導(dǎo)體根據(jù)理想的光滑平面接觸進行簡化。表1中的數(shù)據(jù)表明，簡化的A相導(dǎo)體模型的回路電阻值與測量數(shù)據(jù)一致，誤差非常小。

表1相導(dǎo)線的電阻值

2.2開關(guān)柜殼模型簡化

裝配式結(jié)構(gòu)的開關(guān)柜殼更復(fù)雜。在建立殼體模型時，忽略了緊固件，以及幾乎不影響發(fā)熱和散熱的小零件，如電線捆綁板、電線保護板、導(dǎo)軌、保護板等。忽略鈑金零件的安裝孔和折邊；并將門板簡化成平板；將儀器室簡化為一個立方體外殼。

機柜尺寸為2240毫米×800毫米×1500毫米(高×寬×深)。根據(jù)實際結(jié)構(gòu)尺寸建立的開關(guān)柜殼模型如圖4所示。

圖4簡化殼體模型

3開關(guān)柜熱模擬分析

3.1 開關(guān)柜熱源計算

使用Infolytica磁場分析模塊磁鐵的時間諧波場計算開關(guān)柜模型的損耗。假設(shè)出線柜的額定電流為1250A，仿真時導(dǎo)體上施加的有效值電流為1.1×1250 A，頻率為50Hz，收斂誤差設(shè)置為1%。導(dǎo)體材料為銅，外殼材料為鋼，母線套管安裝板和電纜拼接板材料為鋁。

圖5和圖6分別是導(dǎo)體部分和殼體表面的歐姆損耗分布云圖。圖7是具有隱藏側(cè)板和頂板開關(guān)柜的整體的歐姆損耗分布云圖。

圖5示出導(dǎo)體中的最大歐姆損耗功率在開關(guān)柜的移動觸點處。圖6和7示出了外殼上的歐姆損耗功率的大小與導(dǎo)體的位置相關(guān)，并且遠(yuǎn)離導(dǎo)體的位置具有最小的損耗。由于渦流的影響，母線套管安裝板和觸頭盒安裝板在殼體中具有最大的歐姆損耗功率。

圖5導(dǎo)體上的歐姆損耗

圖6外殼上的歐姆損耗

圖7 開關(guān)柜總歐姆損耗

表2列出了通過電磁模擬分析獲得的開關(guān)柜導(dǎo)體的總功率和外殼上的歐姆損耗。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，導(dǎo)體部分的總歐姆損耗功率約為392瓦，外殼的總歐姆損耗功率約為109瓦..外殼上的歐姆損耗約占出線柜總歐姆損耗的22%。

表2 開關(guān)柜的歐姆損耗總功率

3.2 開關(guān)柜導(dǎo)體溫度場模擬

對開關(guān)柜導(dǎo)體模型進行電磁分析后，將獲得的損耗數(shù)據(jù)導(dǎo)入熱網(wǎng)熱分析模塊，計算導(dǎo)體部分的穩(wěn)態(tài)溫升。

由于散熱環(huán)境不同，分支、動、靜觸頭等部件的對流傳熱系數(shù)也不同。KYN 912出線柜無風(fēng)扇，內(nèi)部為自然對流換熱方式。其對流換熱系數(shù)可通過流體分析軟件計算。

環(huán)境溫度為22℃時三相傳導(dǎo)溫升模擬數(shù)據(jù)和溫度場測試數(shù)據(jù)見表3。表3中的數(shù)據(jù)表明，模擬數(shù)據(jù)與溫升試驗數(shù)據(jù)吻合良好。模擬數(shù)據(jù)的最大誤差為3℃，位于a相的上支路

表3 開關(guān)柜導(dǎo)體溫度

結(jié)論

1)介紹了通過簡化結(jié)構(gòu)建立有限元仿真模型的方法。仿真模型中導(dǎo)體部分的電阻值與回路電阻分析儀測量值基本一致。

2)描述了開關(guān)柜仿真模型的電磁場和溫度場間接耦合分析過程，給出了開關(guān)柜損耗(即熱源)的分布和導(dǎo)體零件的溫升分布。溫升試驗結(jié)果表明，模擬數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)基本一致。

3)流體分析軟件適用于局部構(gòu)件的精確流固耦合分析，以獲得各構(gòu)件的散熱系數(shù)。穩(wěn)態(tài)熱分析計算速度快，求解條件可根據(jù)各部件的散熱系數(shù)簡單設(shè)定，適用于開關(guān)柜等復(fù)雜組件整體溫度場的模擬分析。模擬分析得到的溫升結(jié)果對開關(guān)柜的溫升優(yōu)化設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器-開關(guān)電源的原理模擬和設(shè)計