楊 歡

（大同同中電氣有限公司， 山西 大同 037305）

引言

開(kāi)關(guān)柜是進(jìn)行電力輸送及配電網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備，集多種電氣開(kāi)關(guān)、母線及測(cè)量保護(hù)裝置于一體。隨著對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及智能化程度的要求提高，適用于智能電網(wǎng)的智能開(kāi)關(guān)柜成為電網(wǎng)發(fā)展的要求。智能開(kāi)關(guān)柜依據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷功能，當(dāng)用戶(hù)端出現(xiàn)故障時(shí)，開(kāi)關(guān)柜能及時(shí)動(dòng)作[1]，切斷故障源電路，并能夠?qū)τ脩?hù)發(fā)出報(bào)警信息，從而滿(mǎn)足智能電網(wǎng)的使用需求。在新型智能開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于開(kāi)關(guān)柜中的元器件數(shù)量增多，且傳輸?shù)碾娏饕话爿^大[2]，造成開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的溫升較多，不僅影響母線的最大承載電流，同時(shí)由于發(fā)熱容易降低柜內(nèi)材料的絕緣性能[3]，影響電流輸送的穩(wěn)定性。針對(duì)新型智能開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)，采用數(shù)值仿真分析的形式對(duì)影響開(kāi)關(guān)柜主要溫升的結(jié)構(gòu)因素，包括母線的垂直距離、母線的偏轉(zhuǎn)角度及進(jìn)口的平均風(fēng)速進(jìn)行分析[4]，從而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上減小開(kāi)關(guān)柜的溫升，通過(guò)對(duì)母線的布置及進(jìn)口風(fēng)速的選擇提高開(kāi)關(guān)柜的綜合設(shè)計(jì)水平，提高智能開(kāi)關(guān)柜供電的穩(wěn)定性。

1 智能開(kāi)關(guān)柜數(shù)值分析模型的建立

對(duì)影響開(kāi)關(guān)柜溫升的主要參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用數(shù)值仿真的方式對(duì)其熱流耦合場(chǎng)進(jìn)行分析。選取所分析開(kāi)關(guān)柜的主體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，開(kāi)關(guān)柜的求解域包括母線、開(kāi)關(guān)柜外殼及開(kāi)關(guān)柜內(nèi)空氣，設(shè)定空氣為理想的氣體[5]，其各項(xiàng)參數(shù)保持穩(wěn)定，對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的三相母線溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)進(jìn)行分析，開(kāi)關(guān)柜外殼及母線的密度、導(dǎo)熱系數(shù)等均為常數(shù)。

圖1 開(kāi)關(guān)柜求解域的組成（單位：mm）

采用流體力學(xué)仿真的形式對(duì)開(kāi)關(guān)柜體內(nèi)的溫升進(jìn)行分析，將開(kāi)關(guān)柜通風(fēng)進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口，通風(fēng)進(jìn)口速度為溫升分析的平均值，通風(fēng)出口設(shè)置為壓力出口，采用壓力- 速度耦合的Couple 算法對(duì)開(kāi)關(guān)柜的熱流耦合場(chǎng)進(jìn)行分析[6]，設(shè)定進(jìn)口的平均速度為0.24 m/s，溫度為298.4 K，壓力出口的回流溫度為298.4 K，開(kāi)關(guān)柜的外殼輻射發(fā)射率為0.3，采用自由網(wǎng)格的形式對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理[7]，將母線間垂直距離、母線偏轉(zhuǎn)角度及通風(fēng)進(jìn)口的平均速度作為影響溫升的結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行開(kāi)關(guān)柜的溫升變化仿真分析。

2 智能開(kāi)關(guān)柜綜合設(shè)計(jì)數(shù)值結(jié)果分析

對(duì)影響開(kāi)關(guān)柜的主要結(jié)構(gòu)因素采用數(shù)值模擬的形式進(jìn)行分析，在三種不同的影響因素中，以?xún)蓛山M合的形式對(duì)開(kāi)關(guān)柜的溫升進(jìn)行響應(yīng)分析。當(dāng)通風(fēng)進(jìn)口的平均速度為1.24 m/s 時(shí)，得到母線間垂直距離及母線偏轉(zhuǎn)角度對(duì)母線表面溫升的綜合影響如下頁(yè)圖2所示。從圖2 中可以看出，以B 相母線的溫度變化為例，B 向母線的表面溫度隨著母線間垂直距離的增加而降低，且在母線的偏轉(zhuǎn)角度較大時(shí)溫度的下降速率較快，而母線偏轉(zhuǎn)角度較小時(shí)的溫度下降速率較慢。這說(shuō)明，在通風(fēng)進(jìn)口速度一致的情況下，母線間的垂直距離越大，則相鄰的母線之間相互形成熱耗散作用越小[8]，母線自身形成的對(duì)流散熱的通道越大，由此母線表面的溫度隨著母線間垂直距離的增加而減小。在母線的偏轉(zhuǎn)角度較小時(shí)，母線與周?chē)h(huán)境之間形成的散熱氣流難以及時(shí)有效地從出口排出，造成母線偏轉(zhuǎn)角度較小時(shí)母線表面的溫度下降速率較慢，而當(dāng)母線的偏轉(zhuǎn)角度增加時(shí)，則母線形成的散熱氣流能較快地從出口排出，從而使得母線表面的溫度下降較快。

圖2 垂直距離及偏轉(zhuǎn)角度對(duì)母線表面溫度變化的影響

當(dāng)母線間垂直距離為100 mm 時(shí)，得到母線偏轉(zhuǎn)角度及通風(fēng)進(jìn)口平均風(fēng)速對(duì)母線表面溫升的綜合影響如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在母線偏轉(zhuǎn)角度較大或者較小時(shí)，母線的表面平均溫度隨著通風(fēng)進(jìn)口平均風(fēng)速的增加而呈減小的趨勢(shì)，且在不同的母線偏轉(zhuǎn)角度下，母線隨著進(jìn)口風(fēng)速變化的溫度降低的速率基本一致[9]，這是由于增加進(jìn)口的通風(fēng)速度，則對(duì)母線的對(duì)流換熱能力增強(qiáng)，使得母線的偏轉(zhuǎn)角度對(duì)母線溫度的影響減弱。同時(shí)，母線表面的平均溫度會(huì)隨著母線偏轉(zhuǎn)角度的增加呈先降低再升高的趨勢(shì)，這是由于在進(jìn)口通風(fēng)速度一致時(shí)，母線偏轉(zhuǎn)角度的增加[10]，母線與外界的冷卻空氣進(jìn)行熱交換的時(shí)間呈增加再減小的趨勢(shì)，但這個(gè)過(guò)程整體較短，對(duì)母線溫度的減弱作用有限。在母線的垂直距離一定時(shí)，通風(fēng)進(jìn)口的風(fēng)速對(duì)母線表面溫度的影響作用要大于母線偏轉(zhuǎn)角度。

圖3 偏轉(zhuǎn)角度及通風(fēng)進(jìn)口速度對(duì)母線表面溫度變化的影響

當(dāng)母線偏轉(zhuǎn)角度為45°保持恒定時(shí)，得到母線間垂直距離及通風(fēng)進(jìn)口平均風(fēng)速對(duì)母線表面溫升的綜合影響如圖4 所示。從圖4 中可以看出，母線表面的平均溫度隨著進(jìn)口通風(fēng)速度的增加而降低，且在母線間的垂直距離較大時(shí)溫度下降的速率要小于母線間垂直距離較小時(shí)的下降速率。在母線間的垂直距離較大時(shí)，受到的相鄰的母線間的熱耗散作用較小，此時(shí)的降溫效率較小[11]。母線間的表面平均溫度隨著母線間垂直距離的增加而減小，母線間的垂直距離較小時(shí)，對(duì)母線的散熱通道的形成造成影響，不利于空氣的散熱，母線間垂直距離的增加有利于提高母線的對(duì)流散熱能力。母線間垂直距離過(guò)大時(shí)，則母線與周?chē)h(huán)境的溫度差小于垂直距離時(shí)，使得母線在間距過(guò)大或過(guò)小時(shí)溫度下降的速率有一定差異。

圖4 通風(fēng)進(jìn)口速度及垂直間距對(duì)母線表面溫度變化的影響

3 結(jié)語(yǔ)

隨著供配電技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)開(kāi)關(guān)柜的智能化程度要求越來(lái)越高，且大功率輸電的發(fā)展，開(kāi)關(guān)柜也向著大電流方向發(fā)展。在實(shí)現(xiàn)智能化開(kāi)關(guān)柜控制的過(guò)程中，大電流開(kāi)關(guān)柜的溫升是進(jìn)行開(kāi)關(guān)柜設(shè)計(jì)考慮的重要課題。針對(duì)開(kāi)關(guān)柜的發(fā)熱源母線的溫升，采用流體力學(xué)仿真分析的形式，對(duì)影響溫升的主要結(jié)構(gòu)因素，包括母線間的垂直距離、母線偏轉(zhuǎn)角度及通風(fēng)進(jìn)口的速度進(jìn)行分析，從而優(yōu)化開(kāi)關(guān)柜設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，提高對(duì)供配電的穩(wěn)定性。采用數(shù)值模擬的方式對(duì)影響因素進(jìn)行兩兩分析，結(jié)果表明，在三種結(jié)構(gòu)因素中，母線間的垂直距離、母線偏轉(zhuǎn)角度及通風(fēng)進(jìn)口平均速度對(duì)母線表面溫度的影響作用相互影響。綜合來(lái)看，母線的垂直距離及通風(fēng)進(jìn)口的平均速度對(duì)母線表面溫度的影響作用要大于母線偏轉(zhuǎn)角度，這是由于母線偏轉(zhuǎn)角度對(duì)溫度變化影響的作用時(shí)間較短。在進(jìn)行智能開(kāi)關(guān)柜設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)影響溫升的因素進(jìn)行綜合分析，在三者之中，首先對(duì)母線間垂直距離及通風(fēng)進(jìn)口的平均速度進(jìn)行分析，然后對(duì)母線的偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行分析，從而提高智能開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，保證供電的穩(wěn)定性。