基于有限元分析的箱式变电站的散热设计

卢 海

(贵阳电气控制设备有限公司,贵州 贵阳 550025)

0 引言

箱式变电站是高速公路输变电系统的重要组成部分,专供高速公路上相对较短隧道或没有条件修建配电房的情况使用,尤其是在西南地区山区丘陵较多、地势复杂等条件下被广泛使用,具有系统集成化高、体积小、安装方便、使用简单等特点[1]。因为使用环境及条件的限制,高速公路上大部分使用的箱式变电站设计上都要求采用较厚的钢板制作,这样可以延长使用寿命、防止外部破坏,对里面设备有一定的保护作用[2-3]。但也正因为是金属壳体,让这种钢板制作的箱体更容易聚热,在夏天的时候里面的温度高[4],而较高的温度有时候会对里面的设备的正常工作带来一定影响,给高速公路的正常用电带来较大隐患[5-6]。所以本文通过改变箱体的微小结构,在门上增设具有满足防尘等级要求的“小窗户”,相对之前成本增加较小,增加了箱变室内的通风条件,可人为控制室内温度。并且将变电箱原有设计的百叶窗结构设计成通风栅结构,内部内衬满足防护等级的防尘网,增加自然通风的条件。最后通过Flow Simulation热仿真对其室内进行相同环境下的仿真,改进后的高速公路机电箱式变电站散热要优于一般常用的机电箱式变电站。

1 优化后的高速公路机电箱式变电站室的结构

改进后的高速公路机电箱式变电站不仅在机电箱式侧面增加了许多通风栅结构的通风孔,还在顶部也增加了许多通风结构,从而满足站内环境的散热条件和防尘条件。改进的箱式变电站如图1所示。

改进后的高速公路机电箱式变电站的顶端四周边缘下方增加了许多通风小孔,因为此处比较不容易受到雨水灰尘等的干扰,所以四周增加了许多通风小孔。顶端的通风小孔如图2所示,形状为直槽口。沿着四周的直边阵列分布,具体分布情况如图3所示。

图2 箱式变电站顶端侧边缘通风孔 图3 箱式变电站顶端侧边缘通风孔分布

改进后的高速公路机电箱式变电站的顶端侧面,采取两层顶面的结构,如图4所示。采用这样的结构在两层中间除可以增加许多散热孔,还可以让变电站更好地散热和防尘,如图5所示。

图4 箱式变电站顶端结构

图5 箱式变电站顶端正视图剖面

改进后的高速公路机电箱式变电站侧面通风口设计成通风栅结构,内部内衬满足防护等级的防尘网,不仅增加自然通风的条件还让变电站更加的防尘。通风栅结构如图6所示。

图6 芯体装夹模具和载盘结构简图

高速公路机电箱式变电站内部分布如图7所示。其内部主要分布高压进线柜、计量柜、PT柜、出线柜等。这些也是变电站内的主要发热源。

图7 高速公路机电箱式变电站内部分布

2 高速公路机电箱式变电站室内的Flow Simulation热仿真

2.1 对高速公路机电箱式变电站三维模型进行模型简化

图8 简化高速公路机电箱式变电站三维模型

从改进后的高速公路机电箱式变电站三维模型(图1)可以看出,箱体的小孔数量特别多,如果直接使用该模型参与热仿真的计算,会导致计算算例增加甚至导致计算机卡顿,从而计算失败。所以要对改进箱式变电站的三维模型进行相应的简化,本文采取的方法是将有箱体面规律的小孔改为一个长条孔,这样之前一个侧面的许多小孔,最后划分为两个长条孔。然后在开始划分流体域时,系统会在长条孔处添加封盖,然后在封盖上新建多孔板。新建多孔板的开孔率与原箱式变电站的开孔率相等,且开孔位置也大致重合。经过这样的模型简化处理后,不仅可以解决原模型孔多,影响仿真的计算问题,还可以尽量接近箱式变电站的实际模型,从而减少计算的误差。改进后的高速公路机电箱式变电站简化三维模型如图8所示。

2.2 对高速公路机电箱式变电站室内进行Flow Simulation热仿真

对改进后的高速公路机电箱式变电站三维模型进行简化后,然后对变电站进行相应的边界设置,最后点击计算得出结果。

高速公路机电箱式的热仿真的温度切面图,如图9所示。其中图9(a)(b)(c)(d)分别为高速公路机电箱式的热仿真温度的等高线切面图中的正视图、俯视图、左视图、右视图。

图9 高速公路机电箱式变电站热仿真温度切面图

在图9中的标有1处为此变电站的发热源。从(a)(b)(c)(d)四个温度的等高线切面图中可以得出,在改进后的高速公路机电箱式变电站的室内温度主要为30 ℃左右,基本接近于仿真时设置的室外温度(30 ℃),在发热源的附近接近37 ℃左右。发热源的主要温度通过变电站的底座和排气扇及散热小孔排出,所以变电站的室内温度接近于室外温度。常规的高速公路机电箱式变电站,当室外温度为30 ℃时,箱体内可达40～50 ℃,遇到高温天时甚至可达60 ℃。从仿真结果看,改进后的高速公路机电箱式变电站的散热要优于常规的变电站。

高速公路机电箱式的风速的速度切面图,如图10所示。其中图10(a)(b)(c)(d)分别为高速公路机电箱室内风速的速度等高线切面图中的正视图、俯视图、左视图、右视图。从图10可以得出,在改进后的高速公路机电箱式变电站的室内的风速分布比较均匀,且风速最大为1.046 m/s,风速较大处也分布在热源的附近。这样也符合箱式变电站的散热规律。

图10 高速公路机电箱式变电站热仿真风速-速度切面图

高速公路机电箱式变电站风速-速度流动迹线图如图11所示。从图中可以看出,在变电站的顶端和热源处风速-速度轨迹线较密。这样确实加快了变电站与外界的散热。

图11 高速公路机电箱式变电站热仿真风速-速度流动迹线图

3 结论

常规的高速公路箱式变电站大部分箱体都由厚钢板制作而成,而且基本露天安装,备受日晒雨淋,在夏天的时候,里面温度普遍比室外高,当室外温度为30 ℃时,箱体内可达40～50 ℃,遇到高温天时甚至可达60 ℃。改进后的高速公路机电箱式变电站的室内温度主要为30 ℃左右,基本接近于仿真时设置的室外温度(30 ℃),在发热源的附近接近37 ℃左右。两者相比,改进后的变电站散热要优于常规的变电站;改进后的箱体门增设具有满足防尘等级要求的“小窗户”,相对之前成本增加较小。