楊芳

摘 要：針對(duì)某型SF6環(huán)網(wǎng)柜的溫升問題，首先對(duì)開關(guān)柜溫升過程進(jìn)行了理論分析，然后通過建立三維模型，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件Icepak/Fluent對(duì)環(huán)網(wǎng)柜的溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，仿真結(jié)果表明該環(huán)網(wǎng)柜滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)溫升限值的要求。最后按照GB11022的要求，對(duì)該環(huán)網(wǎng)柜樣機(jī)進(jìn)行了溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)與仿真結(jié)果誤差在15%以內(nèi)，驗(yàn)證了仿真方法的準(zhǔn)確性，對(duì)開關(guān)柜類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：SF6環(huán)網(wǎng)柜；溫度場(chǎng)；氣流場(chǎng)；仿真

引言：金屬封閉開關(guān)設(shè)備發(fā)熱和散熱問題是產(chǎn)品研制過程中必須考慮的問題之一，為了保證開關(guān)電器能在工作年限內(nèi)可靠工作，必須限制各種材料的發(fā)熱溫度，使其不超過一定數(shù)值，這個(gè)溫度為最高允許發(fā)熱溫度，如果產(chǎn)品運(yùn)行溫度持續(xù)超過允許溫度，則會(huì)造成電阻增大—溫升繼續(xù)升高的惡性循環(huán)，甚至導(dǎo)致絕緣破壞，設(shè)備起火等嚴(yán)重后果。

隨著對(duì)電力系統(tǒng)安全性要求的逐步提高，開關(guān)柜的溫升問題越來越得到重視，但目前針對(duì)開關(guān)柜發(fā)熱的研究大部分集中在測(cè)溫設(shè)備的開發(fā)上[1]，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中溫升仿真等技術(shù)應(yīng)用還較少，且主要針對(duì)大電流的開關(guān)設(shè)備[2]，對(duì)于二次配電環(huán)網(wǎng)柜的溫度場(chǎng)研究還很少。

本文針對(duì)某型SF6環(huán)網(wǎng)柜，首先對(duì)開關(guān)柜溫升過程及影響因素進(jìn)行了理論分析，然后通過建立三維模型，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件Icepak/Fluent對(duì)環(huán)網(wǎng)柜的溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到了環(huán)網(wǎng)柜的溫度場(chǎng)分布，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得出了有益的結(jié)論。

一、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

氣體環(huán)網(wǎng)金屬封閉開關(guān)設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱：環(huán)網(wǎng)柜）系戶內(nèi)三相交流50 Hz輸配電設(shè)備，用于系統(tǒng)電壓為10 kV的電力系統(tǒng)中，可分、合空載、負(fù)載及故障電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸配電線路的隔離、控制與保護(hù)。該產(chǎn)品額定電壓為12kV，額定電流為630A，為箱式結(jié)構(gòu)，氣箱采用不銹鋼板激光焊接成型，箱體變形量小，精度高，強(qiáng)度大，密封性能優(yōu)越。 一次導(dǎo)電回路內(nèi)部充以低壓力的SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，使整個(gè)高壓系統(tǒng)處于完全封閉的狀態(tài)，因而不受外界環(huán)境條件如凝露、污穢、高海拔等因素的影響，從而大大的提高了運(yùn)行可靠性，實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，氣箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

環(huán)網(wǎng)柜載流回路所有接觸電阻的分布如圖2所示（接觸電阻用數(shù)字標(biāo)出）。圖中數(shù)字對(duì)應(yīng)接觸電阻分別為：1-套管嵌件與連接板；2-連接板與出線導(dǎo)電桿；3-出線導(dǎo)電桿與銅板；4-銅板與隔離觸頭；5-隔離觸頭與觸頭；6-觸頭與螺母；7-導(dǎo)電桿與真空泡靜觸頭；8-真空泡靜觸頭與真空泡動(dòng)觸頭；9-真空泡動(dòng)觸頭與軟連接；10-軟連接與負(fù)荷開關(guān)連接處；11-負(fù)荷開關(guān)與導(dǎo)體；12-導(dǎo)體與新設(shè)并柜套管中心導(dǎo)體。

二、溫升過程分析及電阻計(jì)算

（一）發(fā)熱與散熱過程分析。環(huán)網(wǎng)柜工作過程的溫升能否滿足運(yùn)行要求，與散熱設(shè)計(jì)密切相關(guān)。對(duì)仿真開關(guān)柜運(yùn)行中溫升過程進(jìn)行仿真，分析其溫度場(chǎng)、氣流場(chǎng)的分布以及熱穩(wěn)定情況，主要是為了深入研究其發(fā)熱和散熱過程，更合理地設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)。在環(huán)網(wǎng)柜中，發(fā)熱量來自載流導(dǎo)體和電接觸的焦耳損耗（稱之為熱源），該損耗主要是由載流回路的導(dǎo)體電阻和接觸電阻產(chǎn)生的。環(huán)網(wǎng)柜在正常工作時(shí)，發(fā)熱經(jīng)歷一定的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，溫度達(dá)到穩(wěn)定溫度，這時(shí)發(fā)熱體產(chǎn)生的熱能與向外傳出的熱量達(dá)到平衡，其熱量向外傳遞由三種基本方式構(gòu)成：熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和熱輻射。

通過對(duì)該環(huán)網(wǎng)柜散熱進(jìn)行分析，主要涉及到如下傳熱途徑：①載流導(dǎo)體及與其接觸的支持件的熱傳導(dǎo)；②開關(guān)柜內(nèi)在封閉條件下的自然對(duì)流；③開關(guān)柜內(nèi)載流導(dǎo)體的熱輻射；④開關(guān)柜外表面的熱輻射；⑤開關(guān)柜外周圍空氣的對(duì)流換熱。

數(shù)學(xué)模型中直接對(duì)各種傳熱方式建立了耦合的微分方程，熱傳導(dǎo)通常由依據(jù)能量守恒定律與傅里葉定律的導(dǎo)熱微分方程來描述；對(duì)流換熱則用流體力學(xué)的N-S方程來描述，它包括了質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程；輻射換熱則用斯蒂芬-玻爾茲曼公式來描述。

（二）主回路電阻計(jì)算方法。銅導(dǎo)體電阻的計(jì)算公式如下：

式中，R為電阻，Ω；ρ為電阻率，Ω·m；l為導(dǎo)體長(zhǎng)度，m；S為導(dǎo)體的橫截面積，m2。

載流回路模型中，導(dǎo)體的接觸點(diǎn)較多，接觸電阻是影響開關(guān)柜中溫度上升主要因素之一。影響接觸電阻的因素很多，與接觸壓力、接觸材料性質(zhì)、表面狀況、接觸形式、壓力范圍、接觸點(diǎn)數(shù)目等因素有關(guān)，要精確計(jì)算接觸電阻比較困難，工程上計(jì)算接觸電阻的經(jīng)驗(yàn)公式具體如下：

式中，F(xiàn)為接觸壓力，N；m為與接觸形式有關(guān)的系數(shù)；KC與接觸材料、表面情況、接觸方式等有關(guān)的系數(shù)。

（三）溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)仿真?；谏鲜霭l(fā)熱與散熱過程的分析，借助軟件Icepak/Fluent對(duì)環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行了分析仿真計(jì)算，

Icepak/Fluent 是強(qiáng)大的 CAE 仿真軟件工具，它能夠?qū)﹄娖鳟a(chǎn)品的傳熱，流動(dòng)進(jìn)行模擬，從而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，大大縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。

模型中以整個(gè)開關(guān)柜為研究對(duì)象，首先計(jì)算了各段導(dǎo)體和接觸電阻，綜合考慮集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響，根據(jù)額定電流值630×1.1A下計(jì)算了各段導(dǎo)體正常運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱功率，將發(fā)熱功率加載到計(jì)算模型中，仿真中采用了六面體網(wǎng)格剖分，通過有限容積法對(duì)傳熱過程中的各個(gè)方程進(jìn)行離散求解，仿真計(jì)算為充入0.03Mpa的SF6氣體條件下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下，得到了母線室內(nèi)的三維溫度場(chǎng)與氣流場(chǎng)的分布。溫升值（模型實(shí)際溫度減去環(huán)境溫度）分布如圖3和圖4所示。

由仿真結(jié)果可以看出，開關(guān)柜整體的溫升分布大概為20.0℃～44.9℃。載流回路的溫升分布大概為36.0℃～44.9℃。絕緣子的溫升分布大概為21.4℃～32.6℃。外殼的溫升大概為20℃左右。高溫部分主要集中在隔離觸頭處，溫升約為44.85℃。分析其主要原因是該處功率比較大。動(dòng)靜觸頭處的最高溫升可達(dá)41.98℃。分析其主要原因是該處環(huán)境較密閉，氣流較差。載流回路其它部分溫升大多在37.78℃～44.47℃之間。

由于受熱源和散熱狀況的影響不同，開關(guān)柜內(nèi)的氣體也呈現(xiàn)不均勻的溫升分布。由上圖可以明顯的看出，距離載流回路零件越近部位的空氣溫升越高，基本都在26.2℃左右。并且由于氣體受熱上升，頂部的氣溫要略高于底部的氣溫。

環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)氣流速度場(chǎng)分布如圖5所示。

從仿真結(jié)果可以看出，在不同的區(qū)域內(nèi)流體都呈現(xiàn)出不同的分布。從主視圖可以明顯的看出，流體均向柜頂上方流動(dòng)，越接近柜頂流速越大。載流回路周圍的氣體流速也快于柜體內(nèi)其它位置的氣體，并且流動(dòng)方向多為向上。載流回路零部件通電發(fā)熱，產(chǎn)生的熱量通過對(duì)流換熱的方式傳導(dǎo)給周圍氣體，氣體受熱上升，是一種自然對(duì)流的散熱。

四、溫升試驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)GB/T11022-2011[4]的要求，對(duì)該產(chǎn)品的樣機(jī)在國(guó)家認(rèn)可的試驗(yàn)室做了溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)電流為630A，測(cè)得了如圖2所示的各個(gè)接觸點(diǎn)的溫升值，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比如表

1所示，其中仿真的數(shù)值在圖4所示的主導(dǎo)電回路溫升圖中由軟件在不同位置讀取，（以溫升最高的圖示左側(cè)一相為例）。

從表1中可以看出，仿真結(jié)果與試驗(yàn)溫升值誤差在15%以內(nèi)，驗(yàn)證了仿真方法的準(zhǔn)確性，說明該仿真方法可以有效地指導(dǎo)開關(guān)柜的設(shè)計(jì)。另外溫升值最大約為48℃，與標(biāo)準(zhǔn)要求限制

75℃尚有較大裕度，說明二次配電產(chǎn)品由于額定電流較小，在滿足其它要求的前提下，導(dǎo)體的尺寸尚有較大的優(yōu)化空間，可以成為節(jié)約成本的途徑之一。

結(jié)語：通過建立三維模型，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件

Icepak/Fluent對(duì)某型環(huán)網(wǎng)柜的溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，并參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該環(huán)網(wǎng)柜樣機(jī)進(jìn)行了溫升試驗(yàn)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，驗(yàn)證了仿真方法的準(zhǔn)確性，基于本文的工作可以探索出一條計(jì)算開關(guān)柜產(chǎn)品發(fā)熱和散熱問題研究的基本方法，對(duì)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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