(許繼(廈門)智能電力設(shè)備股份有限公司，廈門 361101)

1 引言

金屬封閉開關(guān)設(shè)備的發(fā)熱和散熱是產(chǎn)品研制時重點關(guān)注的問題，為保證開關(guān)電器可靠工作，必須保證各部件的發(fā)熱溫度滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫升小于65 K的要求[1]。作為變電站內(nèi)分配電能的重要設(shè)備[2-3]，開關(guān)柜內(nèi)部溫升通常由負(fù)荷電流、接觸不良等原因?qū)е拢L時間的高溫狀態(tài)會使開關(guān)柜部件過熱、材料絕緣性能下降，設(shè)備老化甚至引發(fā)故障[4-6]，同時其繼電保護配置薄弱，故障的發(fā)生可造成變電站母線停運，影響范圍較大[7]。

隨著電力系統(tǒng)安全要求的逐漸提高，開關(guān)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(guān)鍵。但目前針對開關(guān)柜發(fā)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(guān)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(guān)柜，采用計算流體力學(xué)(CFD)軟件對現(xiàn)有開關(guān)柜及其改進設(shè)計后的溫度場和氣流場進行了仿真計算，為開關(guān)柜實際運行以及降溫優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

2 開關(guān)柜基本構(gòu)造及有限元模型

KYN型開關(guān)柜的基本構(gòu)造如圖1所示，柜內(nèi)零部件較多，尺寸差異較大，使用實際結(jié)構(gòu)模型直接仿真計算難度較大，而本研究重點關(guān)注的對象主要是動靜觸頭、母排等發(fā)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(nèi)器件并忽略其產(chǎn)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(guān)柜頂部隔板上的通風(fēng)孔依照相應(yīng)的開孔區(qū)域及面積建立；省略柜內(nèi)加強筋、安裝固定件和其他不相關(guān)部件，同時省略倒角、小的溝槽以便后續(xù)網(wǎng)格劃分。

圖1 開關(guān)柜基本構(gòu)造示意圖

3 柜內(nèi)溫升分析及邊界條件設(shè)置

開關(guān)柜與外界熱交換的基本形式有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射，對于開關(guān)柜內(nèi)存在的散熱途徑進行分析，主要有：發(fā)熱部件與接觸部件的熱傳導(dǎo)，柜內(nèi)封閉條件下的自然對流，發(fā)熱部件的熱輻射，柜外周圍空氣的對流換熱等。開關(guān)柜工作過程中關(guān)鍵發(fā)熱部件的溫度能否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，與其散熱設(shè)計緊密相關(guān)。通過溫度場-流場耦合仿真，分析開關(guān)柜內(nèi)溫度場、流場的分布以及熱穩(wěn)定情況，有助于合理地設(shè)計結(jié)構(gòu)。在開關(guān)柜中，發(fā)熱區(qū)域主要由載流導(dǎo)體和接觸電阻產(chǎn)生，因此在仿真過程中，與實驗數(shù)據(jù)保持一致，取開關(guān)柜額定電流1250A的1.1倍，即1375A，同時考慮接觸電阻，設(shè)定單個觸頭的發(fā)熱功率為30W，單個真空斷路器發(fā)熱功率為30W，母線室A、B和C銅排的產(chǎn)熱功率分別為30W、29W、28W，下樁銅排A、B和C的產(chǎn)熱功率均為20W。導(dǎo)電產(chǎn)熱部件的材料為銅，開關(guān)柜箱體材料為敷鋁鋅板，絕緣材料為環(huán)氧樹脂，其相關(guān)的物性參數(shù)如表1所示。環(huán)境溫度為27℃，流體介質(zhì)為空氣，在設(shè)定的條件下進行自然對流換熱?；谝陨戏抡婺Ｐ鸵约斑吔鐥l件設(shè)置，采用計算流體力學(xué)(CFD)軟件進行數(shù)值計算，得出KYN型開關(guān)柜內(nèi)溫度場和流場的分布情況。

4 改進設(shè)計及仿真結(jié)果分析

(1)改進前開關(guān)柜結(jié)構(gòu)及仿真分析

改進前開關(guān)柜在溫升實驗電流為1375A時，在觸頭處發(fā)熱溫度為68.5K，超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不得高于65K。依據(jù)改進前開關(guān)柜實際通風(fēng)結(jié)構(gòu)進行仿真分析，其溫度場流場耦合仿真結(jié)果如圖2所示，其發(fā)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(dǎo)能力較差，且處于對流換熱效果較差的觸頭盒內(nèi)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(jié)果與實測值基本保持一致。

表1 各材料物性參數(shù)

改進前開關(guān)柜內(nèi)流場分布如圖2(b)所示，工作過程中，導(dǎo)電部件發(fā)熱，高溫氣體向上流動，而改進前通風(fēng)結(jié)構(gòu)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(fā)熱溫度超標(biāo)。開關(guān)柜現(xiàn)有通風(fēng)結(jié)構(gòu)有：開關(guān)柜前門底部開有少量通風(fēng)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(fēng)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(wǎng)等。

分析溫升超標(biāo)的原因有：① 電纜室受沒有通風(fēng)孔道，導(dǎo)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(yuǎn)，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(nèi)空氣流通性不足，流場形成旋渦；④開關(guān)柜內(nèi)上下空氣流通不足，母排鄰近區(qū)域受熱壓、風(fēng)壓影響，流場形成區(qū)域小旋渦。由圖2(c)開關(guān)柜內(nèi)溫度場分布可知，發(fā)熱部件加熱了周圍空氣，開關(guān)柜內(nèi)上下空氣流通不足阻礙發(fā)熱部件與低溫空氣的對流換熱，低溫空氣大多處于柜內(nèi)底部，中上部高溫區(qū)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(guān)柜結(jié)構(gòu)及仿真分析

在不改變材料及現(xiàn)有部件結(jié)構(gòu)的前提下，為降低發(fā)熱部件溫度、解決開關(guān)柜內(nèi)上下空氣流通不足的問題，經(jīng)過大量分析計算，選取改動最少的風(fēng)道設(shè)計方案，如圖3(a)所示。在斷路器室下隔板下側(cè)添加導(dǎo)流板及相應(yīng)前門側(cè)的開孔，同時將前門板底部開孔移至后門板底部。該改進設(shè)計在自然對流情況下，依靠開關(guān)柜內(nèi)熱壓及風(fēng)壓的作用，柜外低溫環(huán)境空氣通過前門側(cè)的開孔進入，在導(dǎo)流板的作用下快速流動至隔板遠(yuǎn)端開孔處并進入斷路器室、觸頭盒內(nèi)部，以實現(xiàn)低溫空氣與斷路器、觸頭等高溫發(fā)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(guān)柜溫度場流場耦合仿真結(jié)果

圖2 改進后開關(guān)柜溫度場流場耦合仿真結(jié)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(chǔ)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(guān)柜溫度場-流場耦合仿真結(jié)果如圖3所示，各發(fā)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(guān)柜經(jīng)過溫升實驗實測，結(jié)果基本一致，且各部件溫升值均滿足要求。改進后開關(guān)柜流場分布如圖3(b)所示，在熱壓與風(fēng)壓的作用下，低溫空氣由前門通風(fēng)孔進入，途徑導(dǎo)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(fā)熱溫度，控制了溫升。開關(guān)柜后門板底部開具的通風(fēng)孔，使得電纜室至母線室及開關(guān)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(guān)柜中部的高溫發(fā)熱區(qū)域，形成良好的對流換熱效果。改進后的開關(guān)柜內(nèi)上下空氣流通順暢，流場漩渦的現(xiàn)象消失，利于發(fā)熱部件的散熱，形成了有效的降溫風(fēng)道設(shè)計。

圖4 改進后開關(guān)柜內(nèi)風(fēng)向流動示意圖

5 結(jié)論

改進后開關(guān)柜在自然對流時，借助于熱壓及風(fēng)壓作用，形成良好的風(fēng)道設(shè)計，利于柜內(nèi)發(fā)熱部件溫升過高問題的改善，改進后開關(guān)柜內(nèi)風(fēng)向流動如圖4所示。在不更改柜內(nèi)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，導(dǎo)流板與通風(fēng)孔配合使用，減短風(fēng)道路徑，減少流動阻力，確保了氣密性、定向?qū)Я鳌⒖煽啃约鞍踩?。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(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求[S].

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

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

[4] 錢家驪，袁大陸，楊麗華，等.高壓開關(guān)柜-結(jié)構(gòu)計算運行發(fā)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(guān)柜內(nèi)接頭發(fā)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(guān)柜觸頭溫度監(jiān)測中的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2006，32(2):122.

[7] 王秉政.高壓開關(guān)柜接觸發(fā)熱溫度場數(shù)值計算[J].高壓電器，2013，49(12)：42-48