杜 麗 丁永生 姜富修

（1. 南瑞集團(tuán)公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），南京 211000；2. 江蘇南瑞帕威爾電氣有限公司，南京 211000；3. 上海置信電氣股份有限公司，上海 200335）

一種高壓開關(guān)柜的熱效應(yīng)仿真方法

杜 麗1,2丁永生1,3姜富修1,2

（1. 南瑞集團(tuán)公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），南京 211000；2. 江蘇南瑞帕威爾電氣有限公司，南京 211000；3. 上海置信電氣股份有限公司，上海 200335）

溫升是衡量開關(guān)設(shè)備能否長期穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。本文以典型結(jié)構(gòu) KYN96-12的出線柜為例，探討了進(jìn)行高壓開關(guān)柜熱效應(yīng)仿真分析的方法。首先將柜體有效簡化，生成了合理的有限元模型；然后利用電磁仿真分析軟件，對開關(guān)柜的發(fā)熱功率進(jìn)行了仿真分析；最后通過穩(wěn)態(tài)熱分析得到了開關(guān)柜導(dǎo)體的溫度場數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了簡化的開關(guān)柜模型是合理的，熱仿真分析的方法是正確的。開關(guān)柜的仿真數(shù)據(jù)對其溫升優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

熱效應(yīng)；溫升；仿真；有限元；開關(guān)柜

隨著我國人民生活水平的不斷提高，人們對供電的質(zhì)量和可靠性要求越來越高。而隨著城區(qū)配電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，高壓開關(guān)柜投運(yùn)數(shù)量也相應(yīng)增加，其運(yùn)行情況對電網(wǎng)的可靠性影響巨大[1]。

溫升是衡量開關(guān)柜類產(chǎn)品在額定電流工作下能否長期穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。隨著開關(guān)柜小型化、模塊化發(fā)展趨勢，以及柜體設(shè)計(jì)緊湊且內(nèi)部間隔防護(hù)等級較高等原因，開關(guān)柜散熱環(huán)境較為惡劣[2]。在開關(guān)柜實(shí)際運(yùn)行中，由于局部過熱現(xiàn)象嚴(yán)重導(dǎo)致的安全故障很多。發(fā)熱問題解決得不好，會(huì)導(dǎo)致開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備提前老化，使主絕緣擊穿，造成設(shè)備損壞和用戶停電[3]。

目前，許多學(xué)者、同行對開關(guān)柜的生熱、傳熱及溫升情況進(jìn)行了模型構(gòu)建及分析研究。文獻(xiàn)[4]對開關(guān)柜溫升試驗(yàn)的方法進(jìn)行了研究，提出了一種采用單面開關(guān)柜等效測量溫升代替并柜測量的方法并驗(yàn)證了方法的可行性。文獻(xiàn)[5]在大量溫升數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，用最小二乘法對斷路器觸頭部位進(jìn)行曲線擬合，得到二次多項(xiàng)式表示的溫升模型。研究結(jié)果表明，該溫升模型可為不同負(fù)載下的溫升預(yù)測提供依據(jù)。更多的學(xué)者通過仿真分析軟件或建立微積分方程的數(shù)學(xué)模型對一次設(shè)備的觸頭、斷路器、母線及電纜進(jìn)行了傳熱、溫升的數(shù)值仿真分析[6-12]。然而，大多研究對象都是針對局部組件的，而對開關(guān)柜整體的熱損耗、溫升等綜合效應(yīng)分析較少，因此，有必要開展對開關(guān)設(shè)備整體熱效應(yīng)仿真分析方法的研究。

1 開關(guān)柜發(fā)熱機(jī)理

高壓電器的熱源主要來自三方面：①電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的電阻損耗；②鐵磁體內(nèi)產(chǎn)生的渦流、磁滯損耗；③交流電器絕緣體內(nèi)產(chǎn)生的介質(zhì)損耗[13]。

通過導(dǎo)體的磁場隨時(shí)間變化，導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流。感應(yīng)電流在導(dǎo)體中形成閉合回路，這種感應(yīng)電流稱為渦流，它將產(chǎn)生損耗[14]。渦流對通電導(dǎo)體的影響表現(xiàn)為集膚效應(yīng)，開關(guān)柜殼體上的歐姆損耗也是由渦流引起的。電介質(zhì)損耗大小與電壓成正比，10kV開關(guān)柜主回路電壓產(chǎn)生的電介質(zhì)損耗很小。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明在中壓范圍內(nèi)，除電力電容器外，無需考慮介質(zhì)損耗[5]。

所有損耗產(chǎn)生的熱能一部分散失到周圍介質(zhì)中，一部分導(dǎo)致整個(gè)電器的溫度升高[16]。經(jīng)過很長時(shí)間，溫度升高趨于穩(wěn)定值，即“穩(wěn)定溫升”狀態(tài)。

2 開關(guān)柜有限元模型建立

研究開關(guān)柜的溫升仿真，首先應(yīng)合理的簡化模型，求解出開關(guān)柜的發(fā)熱功率，才能進(jìn)一步對溫度場進(jìn)行仿真計(jì)算。

高壓開關(guān)柜元器件眾多，殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。如何將模型合理簡化，使得導(dǎo)入仿真軟件的模型便于仿真計(jì)算，又能夠正確反映整體結(jié)構(gòu)的發(fā)熱情況，是開關(guān)柜發(fā)熱仿真分析的難點(diǎn)。下面以市場應(yīng)用較多的典型結(jié)構(gòu)KYN96-12出線柜為例，探討模型簡化并進(jìn)行熱仿真分析。

2.1 柜內(nèi)元器件模型簡化

KYN96-12出線柜內(nèi)元器件主要有斷路器、電流互感器、接地開關(guān)、銅排等。柜內(nèi)電流互感器均采用澆注絕緣式結(jié)構(gòu)，裝有絕緣外殼，且溫升要求已有明確規(guī)定，其有限的發(fā)熱量對于整體溫度場分布影響較小，可不作考慮。接地開關(guān)在通常情況不投運(yùn)，故也忽略[1]。

開關(guān)柜通電導(dǎo)體由主母排、分支排、靜觸頭、斷路器導(dǎo)體構(gòu)成，由于裝配、優(yōu)化電場分布需要，導(dǎo)體零件上面包含圓孔、腰圓孔、圓角等設(shè)計(jì)。通過電磁仿真軟件計(jì)算分析，圓角銅排與同規(guī)格矩形銅排的歐姆損耗誤差在2%左右，為方便高效地進(jìn)行仿真分析，采用矩形銅排結(jié)構(gòu)建立銅排的仿真模型；螺栓對銅排歐姆損耗的影響誤差不大于2%，為減小計(jì)算量在此也將螺栓忽略。簡化后的開關(guān)柜導(dǎo)體模型如圖1所示。

圖1 簡化的導(dǎo)體模型

斷路器導(dǎo)體部分的梅花觸頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為便于進(jìn)行仿真計(jì)算，采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(shí)際回路電阻、歐姆損耗分布、總體體積、表面散熱面積等因素相一致的原則進(jìn)行建模。圖2、圖3分別給出了A相導(dǎo)體簡化前后的歐姆損耗分布云圖。

圖2 簡化前歐姆損耗分布

經(jīng)試驗(yàn)測量與軟件仿真對比，簡化后建立的開關(guān)柜導(dǎo)體模型，其回路電阻值與實(shí)際測量值基本一致。模型中互相接觸的導(dǎo)體，按照理想光滑平面相接觸簡化處理。表1數(shù)據(jù)表明，A相導(dǎo)體簡化模型的回路電阻值與實(shí)測數(shù)據(jù)一致，誤差非常小。

圖3 簡化后歐姆損耗分布

表1 A相導(dǎo)體的電阻值

2.2 開關(guān)柜殼體模型簡化

裝配式結(jié)構(gòu)的開關(guān)柜殼體更加復(fù)雜。建立殼體模型時(shí)忽略緊固件、幾乎不影響生熱散熱的小零部件如扎線板、護(hù)線板、導(dǎo)軌、防護(hù)板等。忽略鈑金件的安裝孔、折邊。并將門板簡化為平板，將儀表室簡化為立方體外殼。

柜體的尺寸為 2240mm×800mm×1500mm（高×寬×深），按照實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建立的開關(guān)柜殼體模型如圖4所示。

圖4 簡化的殼體模型

3 開關(guān)柜熱仿真分析

3.1 開關(guān)柜熱源計(jì)算

使用Infolytica磁場分析模塊MagNet的時(shí)諧場對開關(guān)柜模型進(jìn)行損耗計(jì)算。假設(shè)出線柜的額定電流為1250A，仿真時(shí)給導(dǎo)體施加1.1×1250A的有效值電流，頻率為50Hz，計(jì)算收斂誤差設(shè)置為1%。導(dǎo)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(dǎo)體部分和外殼表面的歐姆損耗分布云圖。圖7為隱藏側(cè)板、頂板后開關(guān)柜總體的歐姆損耗分布云圖。

圖5表明，導(dǎo)體中歐姆損耗功率最大處為開關(guān)柜的動(dòng)觸頭處。圖 6、圖 7表明，外殼上的歐姆損耗功率大小與導(dǎo)體的位置有關(guān)，遠(yuǎn)離導(dǎo)體的位置損耗最??；受渦流的影響，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(dǎo)體上的歐姆損耗

圖6 殼體上的歐姆損耗

圖7 開關(guān)柜總體的歐姆損耗

電磁仿真分析得到的開關(guān)柜導(dǎo)體與殼體上的歐姆損耗總功率列于表 2。從表 2數(shù)據(jù)可以看出，導(dǎo)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

表3 開關(guān)柜導(dǎo)體的溫度

圖8 導(dǎo)體的溫升仿真

3.2 開關(guān)柜導(dǎo)體溫度場仿真

對開關(guān)柜導(dǎo)體模型進(jìn)行電磁分析后，將得到的損耗數(shù)據(jù)導(dǎo)入ThermNet熱分析模塊，進(jìn)行導(dǎo)體部分的穩(wěn)態(tài)溫升計(jì)算。

由于散熱環(huán)境不同，分支排、動(dòng)靜觸頭等部位的對流換熱系數(shù)各不相同。KYN96-12的出線柜無風(fēng)機(jī)，內(nèi)部為自然對流換熱方式，其對流換熱系數(shù)可由流體分析軟件計(jì)算得出[16-19]，也可結(jié)合穩(wěn)態(tài)熱分析和自然對流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式經(jīng)過迭代計(jì)算得出[20]。根據(jù)文獻(xiàn)[20]提出的迭代計(jì)算方法得到上分支排的對流換熱系數(shù)為3，下分支排的對流換熱系數(shù)為6，觸頭盒內(nèi)的動(dòng)靜觸頭對流換熱系數(shù)為 2。并設(shè)置導(dǎo)體輻射散熱系數(shù)為 0.2，環(huán)境溫度為 22℃（后述溫升試驗(yàn)環(huán)境溫度）。

熱仿真分析得到的溫升分布如圖8所示。分布云圖表明，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；上觸頭處的溫升大于下觸頭處溫升。仿真分析得到的溫升分布趨勢符合實(shí)際情況。

三相導(dǎo)體溫升仿真數(shù)據(jù)及22℃環(huán)境溫度下的溫度場試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 3。表 3數(shù)據(jù)表明，仿真數(shù)據(jù)與溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的一致性。仿真數(shù)據(jù)的最大誤差為3℃，位于A相上分支處。

4 結(jié)論

1）介紹了通過簡化結(jié)構(gòu)而建立有限元仿真模型的方法，經(jīng)回路電阻分析儀測量，仿真模型中的導(dǎo)體各部分電阻值都與實(shí)測值基本一致。

2）闡述了對開關(guān)柜仿真模型進(jìn)行電磁－溫度場間接耦合分析的過程，給出了開關(guān)柜損耗（即熱源）分布以及導(dǎo)體部分的溫升分布。溫升試驗(yàn)結(jié)果表明，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。

3）流體分析軟件適合對局部零部件進(jìn)行精確的流-固耦合分析，從而得到各部件的散熱系數(shù)。穩(wěn)態(tài)熱分析計(jì)算快捷，根據(jù)各部件的散熱系數(shù)可簡便的設(shè)置求解條件，適合進(jìn)行開關(guān)柜等復(fù)雜裝配體的整體溫度場仿真分析。仿真分析得到的溫升結(jié)果對開關(guān)柜的溫升優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

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杜 麗（1987-），女，山東泰安人，碩士，工程師，主要從事開關(guān)柜結(jié)構(gòu)研發(fā)與設(shè)計(jì)工作。

一種基于虛擬仿真技術(shù)的3D變電站全景實(shí)時(shí)調(diào)控系統(tǒng)

近日，國家知識產(chǎn)權(quán)局公布專利“一種基于虛擬仿真技術(shù)的 3D變電站全景實(shí)時(shí)調(diào)控系統(tǒng)”，申請人為江蘇省電力公司泰州供電公司。

本發(fā)明公開了一種基于虛擬仿真技術(shù)的3D變電站全景實(shí)時(shí)調(diào)控系統(tǒng)，若干現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集裝置分別安裝若干實(shí)際變電站上，若干現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集裝置的輸出端與調(diào)控系統(tǒng)的輸入端連接，調(diào)控系統(tǒng)的輸出端與計(jì)算機(jī)3D建模系統(tǒng)的輸入端相連接。

計(jì)算機(jī)3D建模系統(tǒng)的輸出端與調(diào)度大廳中的3D全景顯示器相連接，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集裝置用于對變電站現(xiàn)場進(jìn)行測繪，采集變電站內(nèi)所有設(shè)備的相對位置、偏向角和實(shí)際大小。

調(diào)控系統(tǒng)用于對相對位置、偏向角和實(shí)際大小的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并將調(diào)整后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)3D建模系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)3D建模系統(tǒng)根據(jù)采集和處理后的數(shù)據(jù)對設(shè)備原件進(jìn)行三維建模，并將建模后的設(shè)備模型進(jìn)行360°全景顯示。

Discussion of Thermal Simulation Method about High-voltage Switchgear

Du Li1,2Ding Yongsheng1,3Jiang Fuxiu1,2
(1. Nari Group Corporation State Grid Electronic Power Research Institute, Nanjing 211000;2. Jiangsu Nari Power Electric Co., Ltd, Nanjing 211000;3. Shanghai Zhixin Electric Co., Ltd, Shanghai 200335)

To measure if the switchgear can run steady long-term, temperature rise is an important factor. Based on the example ofoutlet cabinetwith typical structure KYN96-12, method of thermal simulation about high-voltage switchgear was discussed. First, the switchgear was simplified effectively and reasonable finite element model was generated. Then heating power of the switchgear was simulated through an electromagnetic simulation software. At last, temperature field data was obtained after the steady state thermal analysis. Test results have verified that simplified switchgear model is reasonable and method of heating effect simulation proper. Simulation data of switchgear can guide the optimization design of its temperature rise.

heating effect; temperature rise; simulation; finite element; switchgear