南瑞集團公司(國家電網(wǎng)電力研究院)、江蘇南瑞帕維爾電氣有限公司、上海新新電氣有限公司的研究員李杜、丁永勝、蔣福樹在2017年第11期《電氣技術》上撰文指出，溫升是衡量開關設備長期穩(wěn)定運行的重要因素之一。

以典型結構KYN912出線柜為例，探討了高壓開關柜熱效應的仿真分析方法。首先，對機柜進行有效簡化，生成合理的有限元模型。然后，利用電磁仿真軟件對開關柜的加熱功率進行仿真分析。最后，通過穩(wěn)態(tài)熱分析獲得了開關柜導體的溫度場數(shù)據(jù)。

實驗數(shù)據(jù)驗證了簡化開關柜模型的合理性和熱模擬分析方法的正確性。開關柜的模擬數(shù)據(jù)對其溫升的優(yōu)化設計具有指導意義。

隨著我國人民生活水平的不斷提高，人們對供電質量和可靠性的要求越來越高。然而，隨著城市配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，投入運行的高壓開關柜的數(shù)量也相應增加，其運行對電網(wǎng)的可靠性有很大影響。

斷路器導體部分的梅花觸頭結構復雜。為了便于仿真計算，采用簡單的軸對稱零件代替梅花接觸模型。根據(jù)實際回路電阻、歐姆損耗分布、總體積、表面散熱面積等因素一致的原則，對軸對稱零件進行建模。

圖2和圖3分別示出了a相導體簡化前后歐姆損耗的分布云圖。

圖2簡化的正面歐姆損耗分布

圖3簡化的歐姆損耗分布

將實驗測量值與軟件模擬值進行比較后，簡化的開關柜導體模型的回路電阻值與實際測量值基本一致。模型中相互接觸的導體根據(jù)理想的光滑平面接觸進行簡化。表1中的數(shù)據(jù)表明，簡化的A相導體模型的回路電阻值與測量數(shù)據(jù)一致，誤差非常小。

表1相導線的電阻值

2.2開關柜殼模型簡化

裝配式結構的開關柜殼更復雜。在建立殼體模型時，忽略了緊固件，以及幾乎不影響發(fā)熱和散熱的小零件，如電線捆綁板、電線保護板、導軌、保護板等。忽略鈑金零件的安裝孔和折邊；并將門板簡化成平板；將儀器室簡化為一個立方體外殼。

機柜尺寸為2240毫米×800毫米×1500毫米(高×寬×深)。根據(jù)實際結構尺寸建立的開關柜殼模型如圖4所示。

圖4簡化殼體模型

3開關柜熱模擬分析

3.1 開關柜熱源計算

使用Infolytica磁場分析模塊磁鐵的時間諧波場計算開關柜模型的損耗。假設出線柜的額定電流為1250A，仿真時導體上施加的有效值電流為1.1×1250 A，頻率為50Hz，收斂誤差設置為1%。導體材料為銅，外殼材料為鋼，母線套管安裝板和電纜拼接板材料為鋁。

圖5和圖6分別是導體部分和殼體表面的歐姆損耗分布云圖。圖7是具有隱藏側板和頂板開關柜的整體的歐姆損耗分布云圖。

圖5示出導體中的最大歐姆損耗功率在開關柜的移動觸點處。圖6和7示出了外殼上的歐姆損耗功率的大小與導體的位置相關，并且遠離導體的位置具有最小的損耗。由于渦流的影響，母線套管安裝板和觸頭盒安裝板在殼體中具有最大的歐姆損耗功率。

圖5導體上的歐姆損耗

圖6外殼上的歐姆損耗

圖7 開關柜總歐姆損耗

表2列出了通過電磁模擬分析獲得的開關柜導體的總功率和外殼上的歐姆損耗。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，導體部分的總歐姆損耗功率約為392瓦，外殼的總歐姆損耗功率約為109瓦..外殼上的歐姆損耗約占出線柜總歐姆損耗的22%。

表2 開關柜的歐姆損耗總功率

3.2 開關柜導體溫度場模擬

對開關柜導體模型進行電磁分析后，將獲得的損耗數(shù)據(jù)導入熱網(wǎng)熱分析模塊，計算導體部分的穩(wěn)態(tài)溫升。

由于散熱環(huán)境不同，分支、動、靜觸頭等部件的對流傳熱系數(shù)也不同。KYN 912出線柜無風扇，內部為自然對流換熱方式。其對流換熱系數(shù)可通過流體分析軟件計算。

環(huán)境溫度為22℃時三相傳導溫升模擬數(shù)據(jù)和溫度場測試數(shù)據(jù)見表3。表3中的數(shù)據(jù)表明，模擬數(shù)據(jù)與溫升試驗數(shù)據(jù)吻合良好。模擬數(shù)據(jù)的最大誤差為3℃，位于a相的上支路

表3 開關柜導體溫度

結論

1)介紹了通過簡化結構建立有限元仿真模型的方法。仿真模型中導體部分的電阻值與回路電阻分析儀測量值基本一致。

2)描述了開關柜仿真模型的電磁場和溫度場間接耦合分析過程，給出了開關柜損耗(即熱源)的分布和導體零件的溫升分布。溫升試驗結果表明，模擬數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)基本一致。

3)流體分析軟件適用于局部構件的精確流固耦合分析，以獲得各構件的散熱系數(shù)。穩(wěn)態(tài)熱分析計算速度快，求解條件可根據(jù)各部件的散熱系數(shù)簡單設定，適用于開關柜等復雜組件整體溫度場的模擬分析。模擬分析得到的溫升結果對開關柜的溫升優(yōu)化設計具有指導意義。

開關電源轉換器-開關電源的原理模擬和設計