基于自然對流作用的開關柜熱仿真及改進設計

(許繼(廈門)智能電力設備股份有限公司，廈門 361101)

1 引言

金屬封閉開關設備的發熱和散熱是產品研制時重點關注的問題，為保證開關電器可靠工作，必須保證各部件的發熱溫度滿足國家標準規定的溫升小于65 K的要求[1]。作為變電站內分配電能的重要設備[2-3]，開關柜內部溫升通常由負荷電流、接觸不良等原因導致，長時間的高溫狀態會使開關柜部件過熱、材料絕緣性能下降，設備老化甚至引發故障[4-6]，同時其繼電保護配置薄弱，故障的發生可造成變電站母線停運，影響范圍較大[7]。

隨著電力系統安全要求的逐漸提高，開關柜的溫升問題亦備受重視，為減少溫升實驗的成本，仿真計算尤為關鍵。但目前針對開關柜發熱的仿真研究大多集中在強制對流方面，對于自然對流作用下的開關柜溫度場、流場耦合仿真分析還很少。因此，本文針對KYN型小電流開關柜，采用計算流體力學(CFD)軟件對現有開關柜及其改進設計后的溫度場和氣流場進行了仿真計算，為開關柜實際運行以及降溫優化設計提供依據。

2 開關柜基本構造及有限元模型

KYN型開關柜的基本構造如圖1所示，柜內零部件較多，尺寸差異較大，使用實際結構模型直接仿真計算難度較大，而本研究重點關注的對象主要是動靜觸頭、母排等發熱部件，因此仿真模型將做以下簡化：觸頭盒簡化為圓筒形空殼體；省略儀表室內器件并忽略其產熱影響，保留儀表室的隔板；斷路器室下隔板、母線室下隔板及開關柜頂部隔板上的通風孔依照相應的開孔區域及面積建立；省略柜內加強筋、安裝固定件和其他不相關部件，同時省略倒角、小的溝槽以便后續網格劃分。

圖1 開關柜基本構造示意圖

3 柜內溫升分析及邊界條件設置

開關柜與外界熱交換的基本形式有熱傳導、熱對流和熱輻射，對于開關柜內存在的散熱途徑進行分析，主要有：發熱部件與接觸部件的熱傳導，柜內封閉條件下的自然對流，發熱部件的熱輻射，柜外周圍空氣的對流換熱等。開關柜工作過程中關鍵發熱部件的溫度能否滿足國家標準，與其散熱設計緊密相關。通過溫度場-流場耦合仿真，分析開關柜內溫度場、流場的分布以及熱穩定情況，有助于合理地設計結構。在開關柜中，發熱區域主要由載流導體和接觸電阻產生，因此在仿真過程中，與實驗數據保持一致，取開關柜額定電流1250A的1.1倍，即1375A，同時考慮接觸電阻，設定單個觸頭的發熱功率為30W，單個真空斷路器發熱功率為30W，母線室A、B和C銅排的產熱功率分別為30W、29W、28W，下樁銅排A、B和C的產熱功率均為20W。導電產熱部件的材料為銅，開關柜箱體材料為敷鋁鋅板，絕緣材料為環氧樹脂，其相關的物性參數如表1所示。環境溫度為27℃，流體介質為空氣，在設定的條件下進行自然對流換熱。基于以上仿真模型以及邊界條件設置，采用計算流體力學(CFD)軟件進行數值計算，得出KYN型開關柜內溫度場和流場的分布情況。

4 改進設計及仿真結果分析

(1)改進前開關柜結構及仿真分析

改進前開關柜在溫升實驗電流為1375A時，在觸頭處發熱溫度為68.5K，超過國家標準規定的不得高于65K。依據改進前開關柜實際通風結構進行仿真分析，其溫度場流場耦合仿真結果如圖2所示，其發熱點主要集中在斷路器、觸頭、母線及其連接處。由于觸頭外包覆的絕緣套管熱傳導能力較差，且處于對流換熱效果較差的觸頭盒內部，故其溫度最高，其中母線室A相觸頭溫度為93.5K，B相觸頭溫度為94.5K，C相觸頭溫度為95.6K；電纜室A相觸頭溫度為92.2K，B相觸頭溫度為92.7K，C相觸頭溫度為92.4K。如表2所示，仿真計算結果與實測值基本保持一致。

表1 各材料物性參數

改進前開關柜內流場分布如圖2(b)所示，工作過程中，導電部件發熱，高溫氣體向上流動，而改進前通風結構造成低溫空氣不易快速向上流通，未能形成良好的對流換熱效果，至使發熱溫度超標。開關柜現有通風結構有：開關柜前門底部開有少量通風孔，斷路器室下隔板中部、母線室下隔板、柜體頂部均有適量的通風孔，同時在前門及頂部開孔處安裝滿足防護等級要求的鐵絲網等。

分析溫升超標的原因有：① 電纜室受沒有通風孔道，導致低溫空氣不流通；② 前門開孔與斷路器室下隔板開孔距離過遠，且斷路器室下隔板開孔位置不佳；③ 斷路器室下方的檢修通道室內空氣流通性不足，流場形成旋渦；④開關柜內上下空氣流通不足，母排鄰近區域受熱壓、風壓影響，流場形成區域小旋渦。由圖2(c)開關柜內溫度場分布可知，發熱部件加熱了周圍空氣，開關柜內上下空氣流通不足阻礙發熱部件與低溫空氣的對流換熱，低溫空氣大多處于柜內底部，中上部高溫區域與低溫空氣卻未能形成良好的對流換熱效果。

(2)改進后開關柜結構及仿真分析

在不改變材料及現有部件結構的前提下，為降低發熱部件溫度、解決開關柜內上下空氣流通不足的問題，經過大量分析計算，選取改動最少的風道設計方案，如圖3(a)所示。在斷路器室下隔板下側添加導流板及相應前門側的開孔，同時將前門板底部開孔移至后門板底部。該改進設計在自然對流情況下，依靠開關柜內熱壓及風壓的作用，柜外低溫環境空氣通過前門側的開孔進入，在導流板的作用下快速流動至隔板遠端開孔處并進入斷路器室、觸頭盒內部，以實現低溫空氣與斷路器、觸頭等高溫發熱部件的對流換熱，有效降低其溫度，達到控制溫升的效果。

圖2 原始開關柜溫度場流場耦合仿真結果

圖2 改進后開關柜溫度場流場耦合仿真結果

母線室改進前實測值改進前計算值改進后計算值改進后實測值電纜室改進前實測值改進前計算值改進后計算值改進后實測值A相67.266.561.762.2A相67.366.260.660.9B相67.467.562.262.5B相67.266.761.161.3C相68.568.663.964.1C相67.466.460.761.1

改進后開關柜溫度場-流場耦合仿真結果如圖3所示，各發熱部件的溫度均降低5K左右，其中母線室A相觸頭溫度為88.7K，B相觸頭溫度為89.2K，C相觸頭溫度為90.9K；電纜室A相觸頭溫度為87.6K，B相觸頭溫度為88.1K，C相觸頭溫度為87.7K，如表2所示，改進后開關柜經過溫升實驗實測，結果基本一致，且各部件溫升值均滿足要求。改進后開關柜流場分布如圖3(b)所示，在熱壓與風壓的作用下，低溫空氣由前門通風孔進入，途徑導流板快速進入斷路器室，低溫空氣與斷路器及觸頭的對流換熱有效降低了其發熱溫度，控制了溫升。開關柜后門板底部開具的通風孔，使得電纜室至母線室及開關柜頂部的空氣更加流通。由圖3(c)溫度場分布同樣可以看出，低溫空氣相對于改進前大幅度上升至開關柜中部的高溫發熱區域，形成良好的對流換熱效果。改進后的開關柜內上下空氣流通順暢，流場漩渦的現象消失，利于發熱部件的散熱，形成了有效的降溫風道設計。

圖4 改進后開關柜內風向流動示意圖

5 結論

改進后開關柜在自然對流時，借助于熱壓及風壓作用，形成良好的風道設計，利于柜內發熱部件溫升過高問題的改善，改進后開關柜內風向流動如圖4所示。在不更改柜內現有結構的基礎上，導流板與通風孔配合使用，減短風道路徑，減少流動阻力，確保了氣密性、定向導流、可靠性及安全性。整體裝置簡易，操作方便，降溫效果明顯。

[1] GB/T 11022-2011高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求[S].

[2] 任明，董明，任重.地電波方法在金屬封閉式開關柜放電故障診斷中的應用[J].高電壓技術，2011，37(11)：2672-2679.

[3] 王有元，李寅偉，陸國俊.開關柜局部放電暫態對地電壓傳播特性的仿真分析[J].高電壓技術，2011，37(7)：1683-1688.

[4] 錢家驪，袁大陸，楊麗華，等.高壓開關柜-結構計算運行發展[M].北京：中國電力出版社，2007:74-76，85-89.

[5] 馬保軍，吳傳紅.高壓開關柜內接頭發熱事故的分析及解決[J].河南科技，2010(10)：77-78.

[6] 鄔鋼，李進.光纖在開關柜觸頭溫度監測中的應用[J].高電壓技術，2006，32(2):122.

[7] 王秉政.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