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0 引言

12 kV 高壓開關(guān)柜是變電站站內(nèi)的重要設(shè)備，它直接聯(lián)系著主變及10 kV 配電線路，起著分配電能、控制負(fù)荷、開斷故障電流的作用[1-2]。目前在網(wǎng)運(yùn)行的主要有XGN 型開關(guān)柜及KYN 型開關(guān)柜。XGN 型高壓開關(guān)柜因其操作方便、載流量大、結(jié)構(gòu)完善，已經(jīng)成為10 kV 高壓開關(guān)柜的主流產(chǎn)品[3-4]。但當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷較大時(shí)，開關(guān)柜因內(nèi)部溫度過高極易造成短路故障，極大影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行[5-6]。尤其是在炎熱的夏季[7]，居民生活用電峰值和工業(yè)用電峰值相互疊加，觸頭溫度可達(dá)上百攝氏度[8]，給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來了極大的挑戰(zhàn)，不得不通過降低容量來保證柜內(nèi)關(guān)鍵零部件溫升不超過國標(biāo)溫升上限，造成維護(hù)成本增加。

現(xiàn)場測溫表明，采用強(qiáng)制對流冷卻可有效降低高壓開關(guān)柜內(nèi)部溫度。但風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速大小、進(jìn)風(fēng)口位置、通風(fēng)口數(shù)目對開關(guān)柜內(nèi)部溫度的影響并不明確。針對以上問題，本文采用COMSOL 多物理場有限元仿真軟件，建立了大電流開關(guān)柜三維有限元計(jì)算模型，計(jì)算了進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速、進(jìn)風(fēng)口位置、通風(fēng)口數(shù)目對開關(guān)柜內(nèi)部溫度、氣流速度的影響，為運(yùn)維人員加裝風(fēng)機(jī)工作提供運(yùn)維指導(dǎo)。

1 真空斷路器散熱有限元計(jì)算模型

本文采用三維熱流固耦合模型對真空斷路器柜內(nèi)溫度、流場進(jìn)行仿真模擬，計(jì)算涉及柜內(nèi)空氣的流動及傳熱過程、柜內(nèi)導(dǎo)體等固體元器件的傳熱過程、流固交界面的耦合傳熱過程以及柜體外壁向周圍空氣的對流散熱等。通過改變模型進(jìn)風(fēng)口的位置與風(fēng)速，得到開關(guān)柜內(nèi)的過熱點(diǎn)最大值溫度、空氣溫度、速度、壓強(qiáng)分布等特性。其物理過程采用以下計(jì)算模型進(jìn)行描述。

1.1 渦流場

真空斷路器通過交流電流時(shí)將產(chǎn)生變化的磁場，其通過的電流也受到磁場變化的影響。根據(jù)麥克斯韋方程描述，其過程包括安培定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、高斯電通量定律和高斯磁通定律4 個(gè)定律，其微分方程可表示為[9]：

1.2 溫度場

真空斷路器正常工作時(shí)，其產(chǎn)生電磁損耗大部分將轉(zhuǎn)換成熱量。由于內(nèi)部導(dǎo)體與冷卻空氣之間的溫差，組件和冷卻介質(zhì)之間產(chǎn)生溫差。在其熱分析過程中，包含熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3 種主要傳熱方式。在穩(wěn)態(tài)熱情況下設(shè)備的三維熱傳導(dǎo)方程表示為[10-11]：

式中：T 為溫度；λ 為熱導(dǎo)率；Q 為熱源。

1.3 空氣對流和傳熱數(shù)學(xué)模型

當(dāng)真空斷路器內(nèi)存在過熱故障時(shí)，按文獻(xiàn)[12]計(jì)算，過熱點(diǎn)溫度一定，其氣室內(nèi)空氣對流和傳熱計(jì)算公式為：

式中：ρ 為氣體密度；Cp為氣體熱容量；T 為絕對溫度；k 為氣體導(dǎo)熱系數(shù)；u 為氣流速度。

1.4 空氣流動數(shù)學(xué)模型

斷路器柜內(nèi)空氣流的連續(xù)性方程和動量方程為[13-14]：

式中：η 為氣體粘度；p 為氣體壓強(qiáng)；g 為重力矢量；I 為單位矩陣?？紤]到溫度對氣體密度的影響，其密度計(jì)算公式為：

式中：M 為氣體摩爾質(zhì)量；R 為通用氣體常數(shù)；T為氣體局部溫度。

使用k-ε 方程來描述空氣湍流：

式中：k 為湍流動能；μT為湍流粘度；ε 為湍流渦旋耗散；Pk為湍流產(chǎn)生項(xiàng)；Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.3，σk=1.0。

1.5 真空斷路器輻射數(shù)學(xué)模型

物體輻射傳熱是一種非接觸式傳熱，對于真空斷路器與外部空氣傳熱，其計(jì)算方法為：

真空斷路器的輻射傳熱，采用以下方程進(jìn)行計(jì)算。

空氣與導(dǎo)體、氣室內(nèi)壁，其溫度與熱流的連續(xù)條件為：

式中：Ts，Tf分別為固體（導(dǎo)體、開關(guān)柜柜體）和柜內(nèi)空氣的溫度；λs，λf分別為固體（導(dǎo)體、開關(guān)柜柜體）和柜內(nèi)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)；n 為界面法向量。

柜外壁與空氣產(chǎn)生的對流換熱邊界條件為：

式中：h 為氣室表面對流換熱系數(shù)；Tair為空氣溫度。

2 開關(guān)柜多物理場有限元模型

XGN 型開關(guān)柜通常由柜體、母線、隔離開關(guān)、斷路器、電流互感器等主設(shè)備組成，開關(guān)柜采用內(nèi)部貫通設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，對計(jì)算模型進(jìn)行簡化，忽略母線、電流互感器、連接導(dǎo)體等部件對計(jì)算結(jié)果的影響。

圖1 大電流XGN 型開關(guān)柜結(jié)構(gòu)

3 仿真計(jì)算與結(jié)果分析

真空斷路器中回路材質(zhì)為純銅，外殼為鑄鐵，各材料物理參數(shù)見文獻(xiàn)[15]。不同溫度下，涉及的熱力學(xué)參數(shù)熱導(dǎo)率、粘度、比熱容以及模型各換熱邊界條件的具體參數(shù)值變化均采用仿真軟件COMSOL 自帶數(shù)值。計(jì)算初始溫度為27℃，為了防止灰塵進(jìn)入開關(guān)柜內(nèi)，根據(jù)廠家設(shè)計(jì)，進(jìn)風(fēng)口為1.2 m×0.2 m 的網(wǎng)狀面板，孔隙率為50%，根據(jù)開關(guān)柜銘牌數(shù)據(jù)得知額定電流為3 150 A，再結(jié)合開關(guān)柜不同部位回路電阻測量，測得XGN型大電流開關(guān)柜真空斷路器部位電阻為34.3 μΩ，其發(fā)熱功率為340 W，母線室每相回路電阻為18.14 μΩ，發(fā)熱功率為180 W，因此，開關(guān)柜總產(chǎn)熱功率為A，B，C 三相發(fā)熱功率之和，共1 560 W。

3.1 進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速對開關(guān)柜內(nèi)部溫度的影響

進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速0.4 m/s，進(jìn)風(fēng)口在開關(guān)柜底部，由于開柜內(nèi)觸頭連接部位為線接觸，電阻較大，因此，柜內(nèi)最大值溫度位于開關(guān)柜內(nèi)觸頭連接部位，如圖2（a）所示。開關(guān)柜內(nèi)氣流分布如圖2（b）所示。

圖2 溫度場與流場計(jì)算結(jié)果（進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速0.4 m/s）

如圖3 所示，隨著底部進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速的增大，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速在0.4～1.2 m/s 時(shí)，開關(guān)柜頂部氣體流出速度緩慢上升，開關(guān)柜內(nèi)最高溫度緩慢下降。然而，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速大于1.2 m/s 時(shí)，開關(guān)柜內(nèi)部最高溫度點(diǎn)氣流速度線性增加，并且開關(guān)柜內(nèi)的最高溫度急劇下降。很明顯，在強(qiáng)制對流下，通過增加開關(guān)柜底部進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速，可有效改善開關(guān)柜內(nèi)氣流場，降低柜內(nèi)最高溫度。

圖3 進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速對開關(guān)柜內(nèi)部溫度、風(fēng)速的影響

3.2 風(fēng)扇安裝位置對開關(guān)柜內(nèi)部溫度的影響

在仿真時(shí)，設(shè)置風(fēng)扇安裝位置在開關(guān)柜底部、頂部、前后門，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速均設(shè)置為1.6 m/s，其計(jì)算溫度如圖4 所示，其中，最高溫度出現(xiàn)在開關(guān)柜頂部強(qiáng)制對流，溫度為115.81 ℃，且B 相溫度的顯著高于其他兩相。最低溫度出現(xiàn)在前后門風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制對流，溫度僅73.23℃。

圖4 風(fēng)扇安裝位置對開關(guān)柜內(nèi)部溫度的影響

圖5 風(fēng)扇安裝位置對開關(guān)柜內(nèi)部流場的影響

出風(fēng)口在前后門位置時(shí)，開關(guān)柜內(nèi)溫度最高位置氣流速度約為3.22 m/s，進(jìn)風(fēng)口在頂部時(shí)，開關(guān)柜內(nèi)溫度最高位置氣流速度約為1.18 m/s，進(jìn)風(fēng)口在底部時(shí)，開關(guān)柜內(nèi)溫度最高位置氣流速度約為1.69 m/s。同時(shí)，由式（5）可知，由于氣體密度與柜內(nèi)氣體溫度成反比，發(fā)熱部位氣流密度大、風(fēng)速高，單位時(shí)間內(nèi)帶走的熱量也多，是造成進(jìn)風(fēng)口在前后門位置時(shí)柜內(nèi)最高溫度較低的主要原因。

3.3 通風(fēng)口數(shù)目對開關(guān)柜內(nèi)部溫度的影響

在開關(guān)柜運(yùn)行過程中，開關(guān)柜前后均安裝了通風(fēng)口進(jìn)行對流降溫。本文計(jì)算了1 排、2 排通風(fēng)口對柜內(nèi)溫度與氣流速度的影響，計(jì)算結(jié)果如圖6 所示，隨著通風(fēng)口數(shù)目的增加，柜內(nèi)最高溫度降低但不明顯，僅2.84 K。開關(guān)柜溫度最高點(diǎn)氣體速度也隨通風(fēng)口數(shù)目的增加而略有增大。

圖6 通風(fēng)口數(shù)目對開關(guān)柜內(nèi)部溫度場與流場的影響

4 結(jié)論

本文采用COMSOL 有限元仿真軟件，在大電流開關(guān)柜額定電流的前提下，計(jì)算了開關(guān)柜不同部位安裝風(fēng)扇對柜內(nèi)最高溫度的影響，取得結(jié)論如下：

（1）隨進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速的增大，開關(guān)柜內(nèi)最高溫度降低，柜內(nèi)氣體流速增大。

（2）風(fēng)機(jī)入口在前后門位置對開關(guān)柜內(nèi)降溫效果最優(yōu)，底部次之，頂部降溫效果最差。

（3）通風(fēng)孔的數(shù)量對溫度和氣體流場影響不明顯。