童星星，俞春林，代廷振，杭仁蘋

(南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211153)

0 引言

二次設(shè)備就地化保護(hù)具有節(jié)省電纜、簡化二次回路、運(yùn)維便捷等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為智能變電站建設(shè)發(fā)展的主要方向之一[1-2]。同時，無防護(hù)安裝的就地化裝置無須配置戶外柜防護(hù)，安裝更加簡便[3]，成為了二次設(shè)備智能保護(hù)的最新亮點(diǎn)。

伴隨著就地化裝置的以上優(yōu)點(diǎn)，一系列的設(shè)計(jì)難題同樣困擾著設(shè)計(jì)人員，其中就地化裝置的熱設(shè)計(jì)便是其中之一。由于就地化裝置的結(jié)構(gòu)尺寸較傳統(tǒng)機(jī)箱結(jié)構(gòu)尺寸更小，其熱流密度較傳統(tǒng)機(jī)箱結(jié)構(gòu)更高。因此如何處理功耗與空間的平衡，是設(shè)計(jì)人員急需解決的難題。

1 熱設(shè)計(jì)

熱傳遞有三種形式：熱傳導(dǎo)、熱對流(一般見于氣體和液體)以及熱輻射。熱傳遞的前提條件是物體間必須有溫度差。對于現(xiàn)代電子設(shè)備，其常用的冷卻方法有自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷、液體冷卻、蒸發(fā)冷卻、汽水雙相流冷卻、半導(dǎo)體制冷、熱管散熱等。相較于傳統(tǒng)裝置，就地化裝置無人機(jī)交流模塊，熱源主要集中在CPU板與電源板。其中CPU的熱源主要為SFP(Small Form-factor Pluggable)光模塊及各種芯片，電源的熱源主要集中在開關(guān)部件。

本文以某就地化裝置為例，其PCB電路板的設(shè)計(jì)功率統(tǒng)計(jì)見表1。

電子設(shè)備只要通電就有發(fā)熱，其產(chǎn)生的熱量等于功率的耗散。耗散功率是熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但是一般都增加安全系數(shù)，保守取值。本文直接采用PCB電路板的電功率代替裝置的耗散功率。由表1可知，該就地化裝置的總功耗為17.3 W。散熱面積估算為箱體的總表面積，該地化裝置箱體的長、寬、高為27 cm×18 cm×10 cm。

根據(jù)公式得，該就地化裝置的熱流密度φ約為0.009 W/cm2。

18×10)]=0.009 (W/cm2) ，

(1)

式中：P為總功率，W；A為總表面積，cm2。

自然冷卻可以是導(dǎo)熱、空氣自然對流和輻射換熱的單獨(dú)作用或兩種以上換熱形式的組合。其優(yōu)點(diǎn)為可靠性高、成本低。由圖1知，熱流密度在0.02 W/cm2以下的表面，采用空氣自然冷卻的方式進(jìn)行散熱，其溫升在10～40 ℃之間。就地化裝置的熱流密度為0.009 W/cm2，因此在滿足裝置正常運(yùn)行的條件下，使用自然冷卻是最簡單、最經(jīng)濟(jì)的熱設(shè)計(jì)方法。

在確定自然冷卻的設(shè)計(jì)方案以后還需要進(jìn)一步降低局部溫升，盡量減小局部熱耗高的元器件(芯片、光模塊、電源等)的熱阻。電子設(shè)備導(dǎo)熱熱阻為：

(2)

式中：R為導(dǎo)熱熱阻，℃/W；L為導(dǎo)熱通路長度，m；A為導(dǎo)熱面積，m2；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

就地化裝置的熱阻模型如圖2所示，芯片熱阻R芯片由選型決定無法調(diào)節(jié)，所以為了減小熱阻R總，應(yīng)減少R與R外殼。

圖1 表面熱流密度-溫升關(guān)系圖[4]

圖2 就地化保護(hù)裝置熱阻模型

為了降低機(jī)箱殼體與芯片之間的熱阻R，在PCB板與機(jī)殼之間加入導(dǎo)熱襯墊以增大其導(dǎo)熱系數(shù)，其局部散熱圖3所示。選用導(dǎo)熱系數(shù)為3 W/(m·℃)的導(dǎo)熱襯墊，熱量從整個PCB傳導(dǎo)到金屬外殼或擴(kuò)散板上，降低芯片的工作溫度，防止溫度過高，從而能提高發(fā)熱電子組件的效率和使用壽命。

圖3 局部散熱示意圖

對于外殼熱阻R外殼，其導(dǎo)熱通路長度(機(jī)殼厚度)關(guān)系到裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，無法進(jìn)行大范圍調(diào)節(jié)，但可適當(dāng)調(diào)節(jié)其散熱面積。為了增大導(dǎo)熱面積，在保證就地化裝置美觀的前提下，采用“機(jī)箱一體式”散熱結(jié)構(gòu)，在機(jī)殼表面增加凹槽，以增加散熱面積。

2 熱仿真

本文采用有限元分析軟件ICPEAK進(jìn)行就地化裝置的熱仿真。ICEPAK軟件是由全球優(yōu)秀的大型通用有限元軟件提供商ANSYS公司專門為電子產(chǎn)品工程師定制開發(fā)的專業(yè)電子熱分析軟件[5]。熱仿真以ANSYS Workbench為平臺，將三維模型導(dǎo)入到ICEPAK中，大大減少了建模的難度，同時對就地化裝置所用的材料參數(shù)進(jìn)行定義及簡化，見表2。

為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，對模型內(nèi)不同部件分別建立了Assembly，并采用非連續(xù)性網(wǎng)格及多級網(wǎng)格劃分。最終如圖4所示，網(wǎng)格可反映出就地化保護(hù)裝置最復(fù)雜的部件——機(jī)殼的基本特征。根據(jù)ICE-PAK的網(wǎng)格質(zhì)量評估系統(tǒng)的規(guī)定：網(wǎng)格最小面對齊率>0.15時，其網(wǎng)格質(zhì)量良好。本文中就地化裝置的面對齊率最小為0.3，其中大部分集中在0.9～1之間，所以就地化裝置散熱模型的網(wǎng)格質(zhì)量是符合要求的。

表2 材料相關(guān)參數(shù)

圖4 ICEPAK劃分的網(wǎng)格情況

在自然冷卻中，熱輻射的換熱量可占總熱量的30%左右，因此不可忽略[6]。在ICEPAK中，熱輻射適合Discrete Ordinates(DO)輻射模型、Surface to Surface(S2S)輻射模型、光線追蹤法輻射模型。但是考慮到S2S輻射模型及光線追蹤法輻射模型需要計(jì)算角系數(shù)，將花費(fèi)較大的內(nèi)存及較長的計(jì)算時間，同時S2S模型不適合導(dǎo)入的CAD模型，因此本文選用Discrete Ordinates(DO)輻射模型進(jìn)行熱輻射計(jì)算。

根據(jù)裝置的功耗統(tǒng)計(jì)，將各個PCB板的元器件的功耗輸入到ICEPAK對應(yīng)的模型中。在輸入表2參數(shù)之后，設(shè)置初始溫度為20 ℃，并設(shè)置仿真收斂標(biāo)準(zhǔn)。收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為流動殘差值1E-3，能量殘差值1E-7。最終經(jīng)過計(jì)算其仿真結(jié)果如圖5～7所示。

圖5 就地化裝置仿真結(jié)果——機(jī)殼溫度

圖6 就地化裝置仿真結(jié)果——截面溫度

圖7 就地化裝置仿真結(jié)果——CPU板溫度

由圖5可知，在室溫20 ℃時，就地化裝置的外殼溫度在33～35 ℃左右，其中溫度最高點(diǎn)在CPU芯片附件，同時具有裝置中間及左上角溫度較高的特點(diǎn)；由圖6可知，截面溫度一般在36 ℃左右，PCB板附近溫度最高約為44 ℃；圖7為CPU板溫度分布情況， 圖中A芯片安裝了導(dǎo)熱襯墊，其溫度在35 ℃左右，與外殼溫度一致。B、C芯片未安裝導(dǎo)熱襯墊，其溫度在45 ℃以上，與外殼溫度相差10 ℃以上。通過側(cè)面比較可得知安裝導(dǎo)熱襯墊對于降低局部溫升是一種有效的方法。

為了驗(yàn)證就地化裝置仿真的正確性，本文采用紅外測溫儀對就地化裝置機(jī)殼進(jìn)行了溫度測量。就地化裝置在環(huán)境溫度22 ℃的情況下，裝置機(jī)殼正面的溫度約為33～34.5 ℃之間，具體采樣溫度見表3，其溫度分布與仿真結(jié)果一致。其最大溫差約為12.5 ℃，而仿真最大溫差約為15 ℃，結(jié)果存在約2.5 ℃左右的誤差。但是其機(jī)殼溫度分布，均在機(jī)殼的中上部溫度較高，右下部溫度較低，與仿真結(jié)果一致，具有一定的參考價(jià)值。對于實(shí)測溫度與仿真溫度的差異的原因是由于采用電功率代替耗散功率，會導(dǎo)致功耗偏大，進(jìn)而導(dǎo)致仿真結(jié)果較實(shí)際結(jié)果偏大。

表3 采樣溫度表 ℃

3 結(jié)束語

本文根據(jù)就地化裝置的結(jié)構(gòu)及功耗特點(diǎn)采用了自然冷卻的散熱方式，同時采用“機(jī)箱一體化”散熱結(jié)構(gòu)增大散熱面積，并對CPU芯片等局部功耗大的元件采用導(dǎo)熱襯墊進(jìn)一步減小其溫升。最終根據(jù)仿真與實(shí)際應(yīng)用相比較，證明實(shí)際溫度分布與仿真一致，因保守設(shè)計(jì)仿真溫度比實(shí)際高2.5 ℃，但是本文為就地化裝置的熱仿真提供了一定的參考、指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]牛強(qiáng)，鐘加勇，陶永健，等.智能變電站二次設(shè)備就地化防護(hù)技術(shù)[J].電力建設(shè)，2014,35(9):76-81.

[2]柳國良，張新育，胡兆明.變電站模塊化建設(shè)研究綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2008,32(14):36-38.

[3]陳萍，張繼軍，郭文鐘，等.數(shù)字化變電站中保護(hù)下放問題探討[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(1):98-100.

[4]趙惇殳.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社，2009.

[5]莫世佳.基于Icepak的單板熱設(shè)計(jì)方法研究[D].杭州電子科技大學(xué),2013.

[6]王永康.ANSYS ICEPAK電子散熱基礎(chǔ)教程[M].國防工業(yè)出版社,2015.