基于自然对流作用的开关柜热仿真及改进设计

(许继(厦门)智能电力设备股份有限公司，厦门 361101)

1 引言

金属封闭开关设备的发热和散热是产品研制时重点关注的问题，为保证开关电器可靠工作，必须保证各部件的发热温度满足国家标准规定的温升小于65 K的要求[1]。作为变电站内分配电能的重要设备[2-3]，开关柜内部温升通常由负荷电流、接触不良等原因导致，长时间的高温状态会使开关柜部件过热、材料绝缘性能下降，设备老化甚至引发故障[4-6]，同时其继电保护配置薄弱，故障的发生可造成变电站母线停运，影响范围较大[7]。

随着电力系统安全要求的逐渐提高，开关柜的温升问题亦备受重视，为减少温升实验的成本，仿真计算尤为关键。但目前针对开关柜发热的仿真研究大多集中在强制对流方面，对于自然对流作用下的开关柜温度场、流场耦合仿真分析还很少。因此，本文针对KYN型小电流开关柜，采用计算流体力学(CFD)软件对现有开关柜及其改进设计后的温度场和气流场进行了仿真计算，为开关柜实际运行以及降温优化设计提供依据。

2 开关柜基本构造及有限元模型

KYN型开关柜的基本构造如图1所示，柜内零部件较多，尺寸差异较大，使用实际结构模型直接仿真计算难度较大，而本研究重点关注的对象主要是动静触头、母排等发热部件，因此仿真模型将做以下简化：触头盒简化为圆筒形空壳体；省略仪表室内器件并忽略其产热影响，保留仪表室的隔板；断路器室下隔板、母线室下隔板及开关柜顶部隔板上的通风孔依照相应的开孔区域及面积建立；省略柜内加强筋、安装固定件和其他不相关部件，同时省略倒角、小的沟槽以便后续网格划分。

图1 开关柜基本构造示意图

3 柜内温升分析及边界条件设置

开关柜与外界热交换的基本形式有热传导、热对流和热辐射，对于开关柜内存在的散热途径进行分析，主要有：发热部件与接触部件的热传导，柜内封闭条件下的自然对流，发热部件的热辐射，柜外周围空气的对流换热等。开关柜工作过程中关键发热部件的温度能否满足国家标准，与其散热设计紧密相关。通过温度场-流场耦合仿真，分析开关柜内温度场、流场的分布以及热稳定情况，有助于合理地设计结构。在开关柜中，发热区域主要由载流导体和接触电阻产生，因此在仿真过程中，与实验数据保持一致，取开关柜额定电流1250A的1.1倍，即1375A，同时考虑接触电阻，设定单个触头的发热功率为30W，单个真空断路器发热功率为30W，母线室A、B和C铜排的产热功率分别为30W、29W、28W，下桩铜排A、B和C的产热功率均为20W。导电产热部件的材料为铜，开关柜箱体材料为敷铝锌板，绝缘材料为环氧树脂，其相关的物性参数如表1所示。环境温度为27℃，流体介质为空气，在设定的条件下进行自然对流换热。基于以上仿真模型以及边界条件设置，采用计算流体力学(CFD)软件进行数值计算，得出KYN型开关柜内温度场和流场的分布情况。

4 改进设计及仿真结果分析

(1)改进前开关柜结构及仿真分析

改进前开关柜在温升实验电流为1375A时，在触头处发热温度为68.5K，超过国家标准规定的不得高于65K。依据改进前开关柜实际通风结构进行仿真分析，其温度场流场耦合仿真结果如图2所示，其发热点主要集中在断路器、触头、母线及其连接处。由于触头外包覆的绝缘套管热传导能力较差，且处于对流换热效果较差的触头盒内部，故其温度最高，其中母线室A相触头温度为93.5K，B相触头温度为94.5K，C相触头温度为95.6K；电缆室A相触头温度为92.2K，B相触头温度为92.7K，C相触头温度为92.4K。如表2所示，仿真计算结果与实测值基本保持一致。

表1 各材料物性参数

改进前开关柜内流场分布如图2(b)所示，工作过程中，导电部件发热，高温气体向上流动，而改进前通风结构造成低温空气不易快速向上流通，未能形成良好的对流换热效果，至使发热温度超标。开关柜现有通风结构有：开关柜前门底部开有少量通风孔，断路器室下隔板中部、母线室下隔板、柜体顶部均有适量的通风孔，同时在前门及顶部开孔处安装满足防护等级要求的铁丝网等。

分析温升超标的原因有：① 电缆室受没有通风孔道，导致低温空气不流通；② 前门开孔与断路器室下隔板开孔距离过远，且断路器室下隔板开孔位置不佳；③ 断路器室下方的检修通道室内空气流通性不足，流场形成旋涡；④开关柜内上下空气流通不足，母排邻近区域受热压、风压影响，流场形成区域小旋涡。由图2(c)开关柜内温度场分布可知，发热部件加热了周围空气，开关柜内上下空气流通不足阻碍发热部件与低温空气的对流换热，低温空气大多处于柜内底部，中上部高温区域与低温空气却未能形成良好的对流换热效果。

(2)改进后开关柜结构及仿真分析

在不改变材料及现有部件结构的前提下，为降低发热部件温度、解决开关柜内上下空气流通不足的问题，经过大量分析计算，选取改动最少的风道设计方案，如图3(a)所示。在断路器室下隔板下侧添加导流板及相应前门侧的开孔，同时将前门板底部开孔移至后门板底部。该改进设计在自然对流情况下，依靠开关柜内热压及风压的作用，柜外低温环境空气通过前门侧的开孔进入，在导流板的作用下快速流动至隔板远端开孔处并进入断路器室、触头盒内部，以实现低温空气与断路器、触头等高温发热部件的对流换热，有效降低其温度，达到控制温升的效果。

图2 原始开关柜温度场流场耦合仿真结果

图2 改进后开关柜温度场流场耦合仿真结果

母线室改进前实测值改进前计算值改进后计算值改进后实测值电缆室改进前实测值改进前计算值改进后计算值改进后实测值A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

改进后开关柜温度场-流场耦合仿真结果如图3所示，各发热部件的温度均降低5K左右，其中母线室A相触头温度为88.7K，B相触头温度为89.2K，C相触头温度为90.9K；电缆室A相触头温度为87.6K，B相触头温度为88.1K，C相触头温度为87.7K，如表2所示，改进后开关柜经过温升实验实测，结果基本一致，且各部件温升值均满足要求。改进后开关柜流场分布如图3(b)所示，在热压与风压的作用下，低温空气由前门通风孔进入，途径导流板快速进入断路器室，低温空气与断路器及触头的对流换热有效降低了其发热温度，控制了温升。开关柜后门板底部开具的通风孔，使得电缆室至母线室及开关柜顶部的空气更加流通。由图3(c)温度场分布同样可以看出，低温空气相对于改进前大幅度上升至开关柜中部的高温发热区域，形成良好的对流换热效果。改进后的开关柜内上下空气流通顺畅，流场漩涡的现象消失，利于发热部件的散热，形成了有效的降温风道设计。

图4 改进后开关柜内风向流动示意图

5 结论

改进后开关柜在自然对流时，借助于热压及风压作用，形成良好的风道设计，利于柜内发热部件温升过高问题的改善，改进后开关柜内风向流动如图4所示。在不更改柜内现有结构的基础上，导流板与通风孔配合使用，减短风道路径，减少流动阻力，确保了气密性、定向导流、可靠性及安全性。整体装置简易，操作方便，降温效果明显。

[1] GB/T 11022-2011高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求[S].

[2] 任明，董明，任重.地电波方法在金属封闭式开关柜放电故障诊断中的应用[J].高电压技术，2011，37(11)：2672-2679.

[3] 王有元，李寅伟，陆国俊.开关柜局部放电暂态对地电压传播特性的仿真分析[J].高电压技术，2011，37(7)：1683-1688.

[4] 钱家骊，袁大陆，杨丽华，等.高压开关柜-结构计算运行发展[M].北京：中国电力出版社，2007:74-76，85-89.

[5] 马保军，吴传红.高压开关柜内接头发热事故的分析及解决[J].河南科技，2010(10)：77-78.

[6] 邬钢，李进.光纤在开关柜触头温度监测中的应用[J].高电压技术，2006，32(2):122.

[7] 王秉政.高压开关柜接触发热温度场数值计算[J].高压电器，2013，49(12)：42-48