馬文婧，陳澤雄，姜明凱，彭靈利，繆新招

(廣州供電局有限公司，廣東 廣州 511400)

隨著農(nóng)村現(xiàn)代化步伐的加快，農(nóng)用電氣設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，用電總功率也逐年遞增。然而農(nóng)用電氣柜量大面廣，設(shè)備維護周期長，存在一定的安全隱患；另外農(nóng)用電氣柜的配套設(shè)施不全，尤其是防火防災(zāi)設(shè)施欠缺，影響其安全運行。柜體運行時的母排溫升是目前高功率用配電柜的重要設(shè)計指標(biāo)之一，通過分析電力設(shè)備和系統(tǒng)的發(fā)熱量，從電氣線路設(shè)計、電氣元件散熱預(yù)估以及整機通風(fēng)與散熱設(shè)計方面著手，選用適宜的冷卻方式，優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)，控制設(shè)備內(nèi)發(fā)熱體或系統(tǒng)的溫升速率，可有效確保設(shè)備或系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。

為了優(yōu)化散熱條件，近年來研究人員從減小材料電阻、增加機柜散熱面積、優(yōu)化機柜發(fā)熱元件布局等方面進行研究。廖明、Huang等[1-2]利用ANSYS Fluent軟件對封閉機柜腔體在自然對流條件下的散熱情況進行研究分析，得到了機柜溫度場和流場分布規(guī)律以及截面平均溫度的變化趨勢，確定了發(fā)熱件表面最高溫度的位置，并通過增加風(fēng)量和改進通風(fēng)方案來降低其表面溫度；劉林鐸[3]采用六西格瑪設(shè)計方法，結(jié)合某電子產(chǎn)品熱設(shè)計特點，辨別影響熱設(shè)計可靠性的關(guān)鍵因素，并搭建熱設(shè)計測量臺架，逐一對元器件和整機系統(tǒng)進行建模、設(shè)計和優(yōu)化，達到預(yù)期的可靠性設(shè)計要求；李江濤等[4]從負荷電流、環(huán)境溫度和接觸電阻等方面對大電流開關(guān)柜溫升的原因進行分析，利用Comsol對大電流開關(guān)柜進行電磁-傳熱-對流多物理場耦合仿真計算，得到其內(nèi)部溫度分布規(guī)律，分析了負荷電流、環(huán)境溫度以及開關(guān)柜各部位的接觸電阻對于母線和梅花觸頭溫升的影響，并指出如果電流互感器存在接觸問題，則會產(chǎn)生異常溫升進而影響整體母線溫度分布；葉茂泉等[5]采用ANSYS Icepak對KYN44A-12型大電流開關(guān)柜內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)溫度場和流場進行分析，提出了優(yōu)化散熱和采用鍍銀觸頭來控制核心部件溫升的方法，保證了其使用壽命；朱漢東等[6]采用基于51單片機的遠紅外測溫法，以溫度傳感器為測溫元件，監(jiān)測中壓開關(guān)柜帶電工作狀態(tài)下母線和電器元件連接處的發(fā)熱情況，達到了對溫升在線監(jiān)測的效果；胡方等[7]通過分析電力連接器的瞬態(tài)溫度場，研究了接觸電阻變化和電流波動對連接器觸頭溫升的影響情況，得到了連接器觸頭溫度和其接線端部溫度之間的定量關(guān)系，實現(xiàn)連接器觸頭溫升的間接測量；Li、李正睿等[8-9]利用ANSYS Icepak對PCB板的溫升情況進行分析，計算了功能模塊的熱功耗和熱穩(wěn)定狀態(tài)下熱失控表面的熱通量密度，找出其內(nèi)部溫度最高部位，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)布局，增加負載器散熱孔，節(jié)約了開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期，并提高了其可靠性。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用ANSYS Fluent對農(nóng)用電氣柜的散熱情況進行研究，對比了其在自然對流和強制對流下的散熱情況，找出了在自然對流情況下散熱較差的可能因素，總結(jié)了冷卻風(fēng)速與母線表面溫度之間的關(guān)系，對電氣柜熱設(shè)計有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 模型控制方程

電流通過導(dǎo)線產(chǎn)生歐姆熱，使得導(dǎo)線附近的熱空氣與周圍環(huán)境中的冷空氣之間存在密度差，在局部微環(huán)境中形成對流換熱的驅(qū)動力。大環(huán)境中的空氣以一定速度強制流過電氣線路表面時，可吸收熱源熱量，這個過程需要遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，其連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程[10]如下。

連續(xù)性方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

2 電氣柜仿真計算

2.1 物理模型

基于模型的研究主要針對的是農(nóng)用電氣柜內(nèi)部散熱情況，為了計算方便，對散熱影響較小的圓角、裝配間隙、孔洞、螺栓、鉚釘?shù)雀駯沤Y(jié)構(gòu)進行刪除和簡化，簡化后的電氣柜結(jié)構(gòu)如圖1所示。電氣柜母線采用銅芯，其他采用鋁合金和陶瓷材料制作。

在模擬過程中，本文采用不可壓縮理想氣體來分析封閉機柜在自然對流條件下的散熱情況，在強制對流工況下給出不同冷卻風(fēng)速下的母線表面散熱情況，其邊界條件分別見表1和表2。

2.2 模型驗證

在模擬計算中，需要對流體域進行網(wǎng)格劃分。三相母線是柜體內(nèi)發(fā)熱量最大的部分，按照經(jīng)驗選取網(wǎng)格尺寸因子分別為0.5,0.8和1，利用軟件求面均值函數(shù)獲得柜體內(nèi)三相母線表面平均溫度分別為364,366和363 K，可見溫度分布基本一致，說明更小的網(wǎng)格并不能帶來更高的計算精度。以網(wǎng)格尺寸因子為1時的網(wǎng)格方案為例，該方案結(jié)構(gòu)離散后的網(wǎng)格數(shù)為61.8萬，經(jīng)模擬計算得到三相母線溫度分布如圖2所示。

圖1 電氣柜結(jié)構(gòu)圖

表1 流體初始計算參數(shù)表

表2 材料參數(shù)

圖2 母線表面溫度場

由圖2可知，A相母線(圖2中最左側(cè))表面溫度較高，通過流場分析可以發(fā)現(xiàn)，其表面存在微小的渦流，影響散熱。

3 結(jié)果分析

3.1 電氣柜溫度及流場計算結(jié)果

母線是電氣柜中的主要熱源，其表面高溫區(qū)為歐姆熱較高的區(qū)域，自然對流條件下，A相母線表面溫度較高，對比速度場可發(fā)現(xiàn)A相附近渦流較多，影響其散熱。隨著強制冷卻風(fēng)速增加，冷卻強度增大，A相母線表面溫度逐漸下降，采用2 m/s的風(fēng)速進行強制冷卻后，三相母線表面平均溫度由363.75 K下降到350.75 K，風(fēng)速增加到4 m/s時，A相表面平均溫度降低到339.15 K，如圖3所示。

圖3 母線表面溫度場圖

通過Fluent分析得到A相母線附近的氣流流動情況，可以發(fā)現(xiàn)由于電氣柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點，母線表面的散熱速度取決于其表面空氣的流動情況。由于存在較小的渦流，如圖4所示，因此采用風(fēng)扇強制散熱，會使漩渦消失，空氣流動更加順暢，母線表面溫度下降得較快。

圖4 豎直截面流場

3.2 冷卻風(fēng)速對母線溫度的影響分析

本節(jié)采用增加冷卻風(fēng)速的方法來研究母線表面溫度的變化情況，如圖5所示，不斷增加冷卻風(fēng)速，目標(biāo)表面平均溫度逐漸下降，但是下降幅度逐漸減小。因此，從節(jié)能的角度出發(fā)，不宜選擇大風(fēng)量風(fēng)扇，維持其入口風(fēng)速為4 m/s，既能滿足溫度要求，又能降低能耗。

圖5 目標(biāo)表面平均溫度隨冷卻風(fēng)速的變化曲線

4 結(jié)論

本文根據(jù)農(nóng)用電氣柜的結(jié)構(gòu)特點，分析了其在自然對流和強制對流工況下的散熱效果，總結(jié)了冷卻風(fēng)速對母線表面溫度的影響，得出如下結(jié)論：

1)在自然對流條件下，母線表面存在較小的渦流，影響散熱，平均溫度高達363.75 K。

2)采用2 m/s的風(fēng)速進行強制冷卻后，改變了母線表面附近空氣的流動方向，增加了散熱量，其表面平均溫度為350.75 K；采用4 m/s的風(fēng)速進行強制冷卻后，其表面平均溫度為339.15 K，符合母線安全工作溫度。

3)若采用更高風(fēng)速進行降溫，盡管運行溫度有所降低，但風(fēng)扇本身耗能較大，不符合低碳環(huán)保的運行要求。