環網柜溫度場仿真分析與試驗研究

楊芳

摘 要：針對某型SF6環網柜的溫升問題，首先對開關柜溫升過程進行了理論分析，然后通過建立三維模型，采用計算流體力學（CFD）軟件Icepak/Fluent對環網柜的溫度場和氣流場進行了仿真計算，仿真結果表明該環網柜滿足國家標準對溫升限值的要求。最后按照GB11022的要求，對該環網柜樣機進行了溫升試驗，試驗與仿真結果誤差在15%以內，驗證了仿真方法的準確性，對開關柜類產品的設計具有一定指導作用。

關鍵詞：SF6環網柜；溫度場；氣流場；仿真

引言：金屬封閉開關設備發熱和散熱問題是產品研制過程中必須考慮的問題之一，為了保證開關電器能在工作年限內可靠工作，必須限制各種材料的發熱溫度，使其不超過一定數值，這個溫度為最高允許發熱溫度，如果產品運行溫度持續超過允許溫度，則會造成電阻增大—溫升繼續升高的惡性循環，甚至導致絕緣破壞，設備起火等嚴重后果。

隨著對電力系統安全性要求的逐步提高，開關柜的溫升問題越來越得到重視，但目前針對開關柜發熱的研究大部分集中在測溫設備的開發上[1]，對產品設計過程中溫升仿真等技術應用還較少，且主要針對大電流的開關設備[2]，對于二次配電環網柜的溫度場研究還很少。

本文針對某型SF6環網柜，首先對開關柜溫升過程及影響因素進行了理論分析，然后通過建立三維模型，采用計算流體力學（CFD）軟件Icepak/Fluent對環網柜的溫度場和氣流場進行了仿真計算，得到了環網柜的溫度場分布，并與試驗結果進行了對比，得出了有益的結論。

一、產品結構

氣體環網金屬封閉開關設備（以下簡稱：環網柜）系戶內三相交流50 Hz輸配電設備，用于系統電壓為10 kV的電力系統中，可分、合空載、負載及故障電流，實現對輸配電線路的隔離、控制與保護。該產品額定電壓為12kV，額定電流為630A，為箱式結構，氣箱采用不銹鋼板激光焊接成型，箱體變形量小，精度高，強度大，密封性能優越。 一次導電回路內部充以低壓力的SF6氣體作為絕緣介質，使整個高壓系統處于完全封閉的狀態，因而不受外界環境條件如凝露、污穢、高海拔等因素的影響，從而大大的提高了運行可靠性，實現免維護，氣箱結構示意圖如圖1所示。

環網柜載流回路所有接觸電阻的分布如圖2所示（接觸電阻用數字標出）。圖中數字對應接觸電阻分別為：1-套管嵌件與連接板；2-連接板與出線導電桿；3-出線導電桿與銅板；4-銅板與隔離觸頭；5-隔離觸頭與觸頭；6-觸頭與螺母；7-導電桿與真空泡靜觸頭；8-真空泡靜觸頭與真空泡動觸頭；9-真空泡動觸頭與軟連接；10-軟連接與負荷開關連接處；11-負荷開關與導體；12-導體與新設并柜套管中心導體。

二、溫升過程分析及電阻計算

（一）發熱與散熱過程分析。環網柜工作過程的溫升能否滿足運行要求，與散熱設計密切相關。對仿真開關柜運行中溫升過程進行仿真，分析其溫度場、氣流場的分布以及熱穩定情況，主要是為了深入研究其發熱和散熱過程，更合理地設計其結構。在環網柜中，發熱量來自載流導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體電阻和接觸電阻產生的。環網柜在正常工作時，發熱經歷一定的時間達到穩定狀態，溫度達到穩定溫度，這時發熱體產生的熱能與向外傳出的熱量達到平衡，其熱量向外傳遞由三種基本方式構成：熱傳導、對流換熱和熱輻射。

通過對該環網柜散熱進行分析，主要涉及到如下傳熱途徑：①載流導體及與其接觸的支持件的熱傳導；②開關柜內在封閉條件下的自然對流；③開關柜內載流導體的熱輻射；④開關柜外表面的熱輻射；⑤開關柜外周圍空氣的對流換熱。

數學模型中直接對各種傳熱方式建立了耦合的微分方程，熱傳導通常由依據能量守恒定律與傅里葉定律的導熱微分方程來描述；對流換熱則用流體力學的N-S方程來描述，它包括了質量守恒方程、動量守恒方程、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）主回路電阻計算方法。銅導體電阻的計算公式如下：

式中，R為電阻，Ω；ρ為電阻率，Ω·m；l為導體長度，m；S為導體的橫截面積，m2。

載流回路模型中，導體的接觸點較多，接觸電阻是影響開關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、表面狀況、接觸形式、壓力范圍、接觸點數目等因素有關，要精確計算接觸電阻比較困難，工程上計算接觸電阻的經驗公式具體如下：

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

（三）溫度場和氣流場仿真?；谏鲜霭l熱與散熱過程的分析，借助軟件Icepak/Fluent對環網柜進行了分析仿真計算，

Icepak/Fluent 是強大的 CAE 仿真軟件工具，它能夠對電器產品的傳熱，流動進行模擬，從而在產品設計時對結構進行改進，大大縮短產品的研發周期。

模型中以整個開關柜為研究對象，首先計算了各段導體和接觸電阻，綜合考慮集膚效應和鄰近效應的影響，根據額定電流值630×1.1A下計算了各段導體正常運行時的發熱功率，將發熱功率加載到計算模型中，仿真中采用了六面體網格剖分，通過有限容積法對傳熱過程中的各個方程進行離散求解，仿真計算為充入0.03Mpa的SF6氣體條件下達到穩定狀態下，得到了母線室內的三維溫度場與氣流場的分布。溫升值（模型實際溫度減去環境溫度）分布如圖3和圖4所示。

由仿真結果可以看出，開關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。動靜觸頭處的最高溫升可達41.98℃。分析其主要原因是該處環境較密閉，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，開關柜內的氣體也呈現不均勻的溫升分布。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。

環網柜內氣流速度場分布如圖5所示。

從仿真結果可以看出，在不同的區域內流體都呈現出不同的分布。從主視圖可以明顯的看出，流體均向柜頂上方流動，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其它位置的氣體，并且流動方向多為向上。載流回路零部件通電發熱，產生的熱量通過對流換熱的方式傳導給周圍氣體，氣體受熱上升，是一種自然對流的散熱。

四、溫升試驗及結果分析

根據GB/T11022-2011[4]的要求，對該產品的樣機在國家認可的試驗室做了溫升試驗，試驗電流為630A，測得了如圖2所示的各個接觸點的溫升值，試驗結果與仿真結果的對比如表

1所示，其中仿真的數值在圖4所示的主導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一相為例）。

從表1中可以看出，仿真結果與試驗溫升值誤差在15%以內，驗證了仿真方法的準確性，說明該仿真方法可以有效地指導開關柜的設計。另外溫升值最大約為48℃，與標準要求限制

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

結語：通過建立三維模型，采用計算流體力學（CFD）軟件

Icepak/Fluent對某型環網柜的溫度場和氣流場進行了仿真計算，并參考國家標準對該環網柜樣機進行了溫升試驗，仿真結果與試驗結果比較接近，驗證了仿真方法的準確性，基于本文的工作可以探索出一條計算開關柜產品發熱和散熱問題研究的基本方法，對新產品設計具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1] 田毅，黃新波.高壓開關柜溫升在線監測系統[J].高壓電器，2010，46（3）：64—71.

[2] 王秉政，江健武，趙靈等. 高壓開關柜接觸發熱溫度場數值計算[J]. 高壓電器，2013，49（12）：42—48.