盧 海

(貴陽電氣控制設備有限公司,貴州 貴陽 550025)

0 引言

箱式變電站是高速公路輸變電系統(tǒng)的重要組成部分,專供高速公路上相對較短隧道或沒有條件修建配電房的情況使用,尤其是在西南地區(qū)山區(qū)丘陵較多、地勢復雜等條件下被廣泛使用,具有系統(tǒng)集成化高、體積小、安裝方便、使用簡單等特點[1]。因為使用環(huán)境及條件的限制,高速公路上大部分使用的箱式變電站設計上都要求采用較厚的鋼板制作,這樣可以延長使用壽命、防止外部破壞,對里面設備有一定的保護作用[2-3]。但也正因為是金屬殼體,讓這種鋼板制作的箱體更容易聚熱,在夏天的時候里面的溫度高[4],而較高的溫度有時候會對里面的設備的正常工作帶來一定影響,給高速公路的正常用電帶來較大隱患[5-6]。所以本文通過改變箱體的微小結(jié)構(gòu),在門上增設具有滿足防塵等級要求的“小窗戶”,相對之前成本增加較小,增加了箱變室內(nèi)的通風條件,可人為控制室內(nèi)溫度。并且將變電箱原有設計的百葉窗結(jié)構(gòu)設計成通風柵結(jié)構(gòu),內(nèi)部內(nèi)襯滿足防護等級的防塵網(wǎng),增加自然通風的條件。最后通過Flow Simulation熱仿真對其室內(nèi)進行相同環(huán)境下的仿真,改進后的高速公路機電箱式變電站散熱要優(yōu)于一般常用的機電箱式變電站。

1 優(yōu)化后的高速公路機電箱式變電站室的結(jié)構(gòu)

改進后的高速公路機電箱式變電站不僅在機電箱式側(cè)面增加了許多通風柵結(jié)構(gòu)的通風孔,還在頂部也增加了許多通風結(jié)構(gòu),從而滿足站內(nèi)環(huán)境的散熱條件和防塵條件。改進的箱式變電站如圖1所示。

改進后的高速公路機電箱式變電站的頂端四周邊緣下方增加了許多通風小孔,因為此處比較不容易受到雨水灰塵等的干擾,所以四周增加了許多通風小孔。頂端的通風小孔如圖2所示,形狀為直槽口。沿著四周的直邊陣列分布,具體分布情況如圖3所示。

圖2 箱式變電站頂端側(cè)邊緣通風孔 圖3 箱式變電站頂端側(cè)邊緣通風孔分布

改進后的高速公路機電箱式變電站的頂端側(cè)面,采取兩層頂面的結(jié)構(gòu),如圖4所示。采用這樣的結(jié)構(gòu)在兩層中間除可以增加許多散熱孔,還可以讓變電站更好地散熱和防塵,如圖5所示。

圖4 箱式變電站頂端結(jié)構(gòu)

圖5 箱式變電站頂端正視圖剖面

改進后的高速公路機電箱式變電站側(cè)面通風口設計成通風柵結(jié)構(gòu),內(nèi)部內(nèi)襯滿足防護等級的防塵網(wǎng),不僅增加自然通風的條件還讓變電站更加的防塵。通風柵結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 芯體裝夾模具和載盤結(jié)構(gòu)簡圖

高速公路機電箱式變電站內(nèi)部分布如圖7所示。其內(nèi)部主要分布高壓進線柜、計量柜、PT柜、出線柜等。這些也是變電站內(nèi)的主要發(fā)熱源。

圖7 高速公路機電箱式變電站內(nèi)部分布

2 高速公路機電箱式變電站室內(nèi)的Flow Simulation熱仿真

2.1 對高速公路機電箱式變電站三維模型進行模型簡化

圖8 簡化高速公路機電箱式變電站三維模型

從改進后的高速公路機電箱式變電站三維模型(圖1)可以看出,箱體的小孔數(shù)量特別多,如果直接使用該模型參與熱仿真的計算,會導致計算算例增加甚至導致計算機卡頓,從而計算失敗。所以要對改進箱式變電站的三維模型進行相應的簡化,本文采取的方法是將有箱體面規(guī)律的小孔改為一個長條孔,這樣之前一個側(cè)面的許多小孔,最后劃分為兩個長條孔。然后在開始劃分流體域時,系統(tǒng)會在長條孔處添加封蓋,然后在封蓋上新建多孔板。新建多孔板的開孔率與原箱式變電站的開孔率相等,且開孔位置也大致重合。經(jīng)過這樣的模型簡化處理后,不僅可以解決原模型孔多,影響仿真的計算問題,還可以盡量接近箱式變電站的實際模型,從而減少計算的誤差。改進后的高速公路機電箱式變電站簡化三維模型如圖8所示。

2.2 對高速公路機電箱式變電站室內(nèi)進行Flow Simulation熱仿真

對改進后的高速公路機電箱式變電站三維模型進行簡化后,然后對變電站進行相應的邊界設置,最后點擊計算得出結(jié)果。

高速公路機電箱式的熱仿真的溫度切面圖,如圖9所示。其中圖9(a)(b)(c)(d)分別為高速公路機電箱式的熱仿真溫度的等高線切面圖中的正視圖、俯視圖、左視圖、右視圖。

圖9 高速公路機電箱式變電站熱仿真溫度切面圖

在圖9中的標有1處為此變電站的發(fā)熱源。從(a)(b)(c)(d)四個溫度的等高線切面圖中可以得出,在改進后的高速公路機電箱式變電站的室內(nèi)溫度主要為30 ℃左右,基本接近于仿真時設置的室外溫度(30 ℃),在發(fā)熱源的附近接近37 ℃左右。發(fā)熱源的主要溫度通過變電站的底座和排氣扇及散熱小孔排出,所以變電站的室內(nèi)溫度接近于室外溫度。常規(guī)的高速公路機電箱式變電站,當室外溫度為30 ℃時,箱體內(nèi)可達40～50 ℃,遇到高溫天時甚至可達60 ℃。從仿真結(jié)果看,改進后的高速公路機電箱式變電站的散熱要優(yōu)于常規(guī)的變電站。

高速公路機電箱式的風速的速度切面圖,如圖10所示。其中圖10(a)(b)(c)(d)分別為高速公路機電箱室內(nèi)風速的速度等高線切面圖中的正視圖、俯視圖、左視圖、右視圖。從圖10可以得出,在改進后的高速公路機電箱式變電站的室內(nèi)的風速分布比較均勻,且風速最大為1.046 m/s,風速較大處也分布在熱源的附近。這樣也符合箱式變電站的散熱規(guī)律。

圖10 高速公路機電箱式變電站熱仿真風速-速度切面圖

高速公路機電箱式變電站風速-速度流動跡線圖如圖11所示。從圖中可以看出,在變電站的頂端和熱源處風速-速度軌跡線較密。這樣確實加快了變電站與外界的散熱。

圖11 高速公路機電箱式變電站熱仿真風速-速度流動跡線圖

3 結(jié)論

常規(guī)的高速公路箱式變電站大部分箱體都由厚鋼板制作而成,而且基本露天安裝,備受日曬雨淋,在夏天的時候,里面溫度普遍比室外高,當室外溫度為30 ℃時,箱體內(nèi)可達40～50 ℃,遇到高溫天時甚至可達60 ℃。改進后的高速公路機電箱式變電站的室內(nèi)溫度主要為30 ℃左右,基本接近于仿真時設置的室外溫度(30 ℃),在發(fā)熱源的附近接近37 ℃左右。兩者相比,改進后的變電站散熱要優(yōu)于常規(guī)的變電站;改進后的箱體門增設具有滿足防塵等級要求的“小窗戶”,相對之前成本增加較小。