一種高壓開關櫃的熱效應模擬方法探討

南瑞集團公司（國網電力科學研究院）、江蘇南瑞帕威爾電氣有限公司、上海置信電氣股份有限公司的研究人員杜麗、丁永生、姜富修，在2017年第11期《電氣技術》雜誌上撰文指出，溫升是衡量開關設備能否長期穩定運行的重要因素之一。

以典型結構KYN96-12的出線櫃為例，探討了進行高壓開關櫃熱效應模擬分析的方法。首先將櫃體有效簡化，生成了合理的有限元模型；然後利用電磁模擬分析軟體，對開關櫃的發熱功率進行了模擬分析；最後通過穩態熱分析得到了開關櫃導體的溫度場數據。

試驗數據驗證了簡化的開關櫃模型是合理的，熱模擬分析的方法是正確的。開關櫃的模擬數據對其溫升優化設計具有指導意義。

隨著我國人民生活水平的不斷提高，人們對供電的質量和可靠性要求越來越高。而隨著城區配電網規模不斷擴大，高壓開關櫃投運數量也相應增加，其運行情況對電網的可靠性影響巨大[1]。

溫升是衡量開關櫃類產品在額定電流工作下能否長期穩定運行的重要因素。隨著開關櫃小型化、模塊化發展趨勢，以及櫃體設計緊湊且內部間隔防護等級較高等原因，開關櫃散熱環境較為惡劣[2]。

在開關櫃實際運行中，由於局部過熱現象嚴重導致的安全故障很多。發熱問題解決得不好，會導致開關櫃內設備提前老化，以致出現主絕緣擊穿、造成設備損壞和用戶停電[3]。

目前，許多學者、同行對開關櫃的生熱、傳熱及溫升情況進行了模型構建及分析研究。文[4]對開關櫃溫升試驗的方法進行了研究，提出了一種採用單面開關櫃等效測量溫升代替並櫃測量的方法並驗證了方法的可行性。

文[5]在大量溫升數據的基礎上，用最小二乘法對斷路器觸頭部位進行曲線擬合，得到二次多項式表示的溫升模型。研究結果表明，該溫升模型可為不同負載下的溫升預測提供依據。

更多的學者通過模擬分析軟體或建立微積分方程的數學模型對一次設備的觸頭、斷路器、母線及電纜進行了傳熱、溫升的數值模擬分析[6-12]。然而，大多研究對象都是針對局部組件，而對開關櫃整體的熱損耗、溫升等綜合效應分析較少，因此，有必要開展開關設備整體熱效應模擬分析方法的研究。

1 開關櫃發熱機理

高壓電器的熱源主要來自三方面：一是電流通過導體產生的電阻損耗；二是鐵磁體內產生的渦流、磁滯損耗；三是交流電器絕緣體內產生的介質損耗[13]。

通過導體的磁場隨時間變化，導體中會產生感應電動勢和感應電流。感應電流在導體中形成閉合迴路，這種感應電流稱為渦流，它將產生損耗[14]。渦流對通電導體的影響表現為集膚效應，開關櫃殼體上的歐姆損耗也是由渦流引起的。

電介質損耗大小與電壓成正比，10kV開關櫃主迴路電壓產生的電介質損耗很小。計算和實驗證明在中壓範圍內，除電力電容器外，無需考慮介質損耗[5]。

所有損耗產生的熱能一部分散失到周圍介質中 ,一部分導致整個電器的溫度升高[16]。經過很長時間，溫度升高趨於穩定值，即「穩定溫升」狀態。

2 開關櫃有限元模型建立

研究開關櫃的溫升模擬 , 首先應合理的簡化模型,求解出開關櫃的發熱功率，才能進一步對溫度場進行模擬計算。

高壓開關櫃元器件眾多，殼體結構複雜。如何將模型合理簡化，使得導入模擬軟體的模型便於模擬計算，又能夠正確反映整體結構的發熱情況，是開關櫃發熱模擬分析的難點。下面以市場應用較多的典型結構KYN96-12出線櫃為例，探討模型簡化並進行熱模擬分析。

2.1 櫃內元器件模型簡化

KYN96-12出線櫃內元器件主要有斷路器、電流互感器、接地開關、銅排等。由於櫃內電流互感器均採用澆注絕緣式結構，裝有絕緣外殼，且溫升要求已有明確規定，其有限的發熱量對於整體溫度場分佈影響較小，可不作考慮。接地開關在通常情況不投運，故也忽略[1]。

開關櫃通電導體由主母排、分支排、靜觸頭、斷路器導體構成，由於裝配、優化電場分佈需要，導體零件上面包含圓孔、腰圓孔、圓角等設計。

通過電磁模擬軟體計算分析，圓角銅排與同規格矩形銅排的歐姆損耗誤差在2%左右，為方便高效的進行模擬分析，採用矩形銅排結構建立銅排的模擬模型；螺栓對銅排歐姆損耗的影響誤差不大於2%，為減小計算量在此也將螺栓忽略。簡化后的開關櫃導體模型如圖1。

圖1 簡化的導體模型

斷路器導體部分的梅花觸頭結構複雜。為便於進行模擬計算，採用簡單的軸對稱零件替代梅花觸頭模型。軸對稱零件按照實際迴路電阻、歐姆損耗分佈、總體體積、表面散熱面積等因素相一致的原則進行建模。

圖2、圖3分別給出了A相導體簡化前後的歐姆損耗分佈雲圖。

圖2簡化前歐姆損耗分佈

圖3簡化后歐姆損耗分佈

經試驗測量與軟體模擬對比，簡化后建立的開關櫃導體模型，其迴路電阻值與實際測量值基本一致。模型中互相接觸的導體，按照理想光滑平面相接觸簡化處理。表1數據表明，A相導體簡化模型的迴路電阻值與實測數據一致，誤差非常小。

表1 A相導體的電阻值

2.2開關櫃殼體模型簡化

裝配式結構的開關櫃殼體更加複雜。建立殼體模型時忽略緊固件、幾乎不影響生熱散熱的小零部件如扎線板、護線板、導軌、防護板等；忽略鈑金件的安裝孔、折邊；並將門板簡化為平板；將儀錶室簡化為立方體外殼。

櫃體的尺寸為2240mm×800mm×1500mm（高×寬×深），按照實際結構尺寸建立的開關櫃殼體模型如圖4。

圖4 簡化的殼體模型

3開關櫃熱模擬分析

3.1 開關櫃熱源計算

使用Infolytica磁場分析模塊MagNet的時諧場對開關櫃模型進行損耗計算。假設出線櫃的額定電流為1250A，模擬時給導體施加1.1×1250A的有效值電流，頻率為50Hz，計算收斂誤差設置為1%。導體材料為銅，殼體材料為鋼，母線套管安裝板及電纜拼板材料為鋁。

圖5、圖6分別為導體部分和外殼表面的歐姆損耗分佈雲圖。圖7為隱藏側板、頂板后開關櫃總體的歐姆損耗分佈雲圖。

圖5表明，導體中歐姆損耗功率最大處為開關櫃的動觸頭處。圖6、圖7表明，外殼上的歐姆損耗功率大小與導體的位置有關，遠離導體的位置損耗最小；由於渦流的影響，母線套管安裝板與觸頭盒安裝板是殼體中歐姆損耗功率最大的。

圖5 導體上的歐姆損耗

圖6 殼體上的歐姆損耗

圖7 開關櫃總體的歐姆損耗

電磁模擬分析得到的開關櫃導體與殼體上的歐姆損耗總功率列於表2。從表2數據可以看出，導體部分的歐姆損耗總功率約為392W，殼體上的歐姆損耗總功率約為109W。殼體上的歐姆損耗約佔出線櫃總歐姆損耗的22%。

表2 開關櫃的歐姆損耗總功率

3.2 開關櫃導體溫度場模擬

對開關櫃導體模型進行電磁分析后，將得到的損耗數據導入ThermNet熱分析模塊，進行導體部分的穩態溫升計算。

由於散熱環境不同，分支排、動靜觸頭等部位的的對流換熱係數各不相同。KYN96－12的出線櫃無風機，內部為自然對流換熱方式，其對流換熱係數可由流體分析軟體計算得出[16-19]，也可結合穩態熱分析和自然對流換熱實驗關聯式經過迭代計算得出[20]。

根據文[20]提出的迭代計算方法得到上分支排的對流換熱係數為3，下分支排的對流換熱係數為6，觸頭盒內的動靜觸頭對流換熱係數為2。並設置導體輻射散熱係數為0.2；環境溫度為22℃（後述溫升試驗環境溫度）。

熱模擬分析得到的溫升分佈如圖8。分佈雲圖表明，斷路器極柱溫升最高，母排外端溫升最低。觸頭處A相溫升最大，B相次之，C相最小；上觸頭處的溫升大於下觸頭處溫升。模擬分析得到的溫升分佈趨勢符合實際情況。

圖8 導體的溫升模擬

三相導體溫升模擬數據及22℃環境溫度下的溫度場試驗數據見表3。表3數據表明，模擬數據與溫升試驗數據具有較好的一致性。模擬數據的最大誤差為3℃，位於A相上分支處。

表3 開關櫃導體的溫度

4結論

1）介紹了通過簡化結構而建立有限元模擬模型的方法，經迴路電阻分析儀測量，模擬模型中的導體各部分電阻值都與實測值基本一致。

2）闡述了對開關櫃模擬模型進行電磁－溫度場間接耦合分析的過程，給出了開關櫃損耗（即熱源）分佈以及導體部分的溫升分佈。溫升試驗結果表明，模擬數據與試驗數據基本吻合。

3）流體分析軟體適合對局部零部件進行精確的流-固耦合分析，從而得到各部件的散熱係數。穩態熱分析計算快捷，根據各部件的散熱係數可簡便的設置求解條件，適合進行開關櫃等複雜裝配體的整體溫度場模擬分析。模擬分析得到的溫升結果對開關櫃的溫升優化設計具有指導意義。