环网柜温度场仿真分析与试验研究

杨芳

摘 要：针对某型SF6环网柜的温升问题，首先对开关柜温升过程进行了理论分析，然后通过建立三维模型，采用计算流体力学（CFD）软件Icepak/Fluent对环网柜的温度场和气流场进行了仿真计算，仿真结果表明该环网柜满足国家标准对温升限值的要求。最后按照GB11022的要求，对该环网柜样机进行了温升试验，试验与仿真结果误差在15%以内，验证了仿真方法的准确性，对开关柜类产品的设计具有一定指导作用。

关键词：SF6环网柜；温度场；气流场；仿真

引言：金属封闭开关设备发热和散热问题是产品研制过程中必须考虑的问题之一，为了保证开关电器能在工作年限内可靠工作，必须限制各种材料的发热温度，使其不超过一定数值，这个温度为最高允许发热温度，如果产品运行温度持续超过允许温度，则会造成电阻增大—温升继续升高的恶性循环，甚至导致绝缘破坏，设备起火等严重后果。

随着对电力系统安全性要求的逐步提高，开关柜的温升问题越来越得到重视，但目前针对开关柜发热的研究大部分集中在测温设备的开发上[1]，对产品设计过程中温升仿真等技术应用还较少，且主要针对大电流的开关设备[2]，对于二次配电环网柜的温度场研究还很少。

本文针对某型SF6环网柜，首先对开关柜温升过程及影响因素进行了理论分析，然后通过建立三维模型，采用计算流体力学（CFD）软件Icepak/Fluent对环网柜的温度场和气流场进行了仿真计算，得到了环网柜的温度场分布，并与试验结果进行了对比，得出了有益的结论。

一、产品结构

气体环网金属封闭开关设备（以下简称：环网柜）系户内三相交流50 Hz输配电设备，用于系统电压为10 kV的电力系统中，可分、合空载、负载及故障电流，实现对输配电线路的隔离、控制与保护。该产品额定电压为12kV，额定电流为630A，为箱式结构，气箱采用不锈钢板激光焊接成型，箱体变形量小，精度高，强度大，密封性能优越。 一次导电回路内部充以低压力的SF6气体作为绝缘介质，使整个高压系统处于完全封闭的状态，因而不受外界环境条件如凝露、污秽、高海拔等因素的影响，从而大大的提高了运行可靠性，实现免维护，气箱结构示意图如图1所示。

环网柜载流回路所有接触电阻的分布如图2所示（接触电阻用数字标出）。图中数字对应接触电阻分别为：1-套管嵌件与连接板；2-连接板与出线导电杆；3-出线导电杆与铜板；4-铜板与隔离触头；5-隔离触头与触头；6-触头与螺母；7-导电杆与真空泡静触头；8-真空泡静触头与真空泡动触头；9-真空泡动触头与软连接；10-软连接与负荷开关连接处；11-负荷开关与导体；12-导体与新设并柜套管中心导体。

二、温升过程分析及电阻计算

（一）发热与散热过程分析。环网柜工作过程的温升能否满足运行要求，与散热设计密切相关。对仿真开关柜运行中温升过程进行仿真，分析其温度场、气流场的分布以及热稳定情况，主要是为了深入研究其发热和散热过程，更合理地设计其结构。在环网柜中，发热量来自载流导体和电接触的焦耳损耗（称之为热源），该损耗主要是由载流回路的导体电阻和接触电阻产生的。环网柜在正常工作时，发热经历一定的时间达到稳定状态，温度达到稳定温度，这时发热体产生的热能与向外传出的热量达到平衡，其热量向外传递由三种基本方式构成：热传导、对流换热和热辐射。

通过对该环网柜散热进行分析，主要涉及到如下传热途径：①载流导体及与其接触的支持件的热传导；②开关柜内在封闭条件下的自然对流；③开关柜内载流导体的热辐射；④开关柜外表面的热辐射；⑤开关柜外周围空气的对流换热。

数学模型中直接对各种传热方式建立了耦合的微分方程，热传导通常由依据能量守恒定律与傅里叶定律的导热微分方程来描述；对流换热则用流体力学的N-S方程来描述，它包括了质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程；辐射换热则用斯蒂芬-玻尔兹曼公式来描述。

（二）主回路电阻计算方法。铜导体电阻的计算公式如下：

式中，R为电阻，Ω；ρ为电阻率，Ω·m；l为导体长度，m；S为导体的横截面积，m2。

载流回路模型中，导体的接触点较多，接触电阻是影响开关柜中温度上升主要因素之一。影响接触电阻的因素很多，与接触压力、接触材料性质、表面状况、接触形式、压力范围、接触点数目等因素有关，要精确计算接触电阻比较困难，工程上计算接触电阻的经验公式具体如下：

式中，F为接触压力，N；m为与接触形式有关的系数；KC与接触材料、表面情况、接触方式等有关的系数。

（三）温度场和气流场仿真。基于上述发热与散热过程的分析，借助软件Icepak/Fluent对环网柜进行了分析仿真计算，

Icepak/Fluent 是强大的 CAE 仿真软件工具，它能够对电器产品的传热，流动进行模拟，从而在产品设计时对结构进行改进，大大缩短产品的研发周期。

模型中以整个开关柜为研究对象，首先计算了各段导体和接触电阻，综合考虑集肤效应和邻近效应的影响，根据额定电流值630×1.1A下计算了各段导体正常运行时的发热功率，将发热功率加载到计算模型中，仿真中采用了六面体网格剖分，通过有限容积法对传热过程中的各个方程进行离散求解，仿真计算为充入0.03Mpa的SF6气体条件下达到稳定状态下，得到了母线室内的三维温度场与气流场的分布。温升值（模型实际温度减去环境温度）分布如图3和图4所示。

由仿真结果可以看出，开关柜整体的温升分布大概为20.0℃～44.9℃。载流回路的温升分布大概为36.0℃～44.9℃。绝缘子的温升分布大概为21.4℃～32.6℃。外壳的温升大概为20℃左右。高温部分主要集中在隔离触头处，温升约为44.85℃。分析其主要原因是该处功率比较大。动静触头处的最高温升可达41.98℃。分析其主要原因是该处环境较密闭，气流较差。载流回路其它部分温升大多在37.78℃～44.47℃之间。

由于受热源和散热状况的影响不同，开关柜内的气体也呈现不均匀的温升分布。由上图可以明显的看出，距离载流回路零件越近部位的空气温升越高，基本都在26.2℃左右。并且由于气体受热上升，顶部的气温要略高于底部的气温。

环网柜内气流速度场分布如图5所示。

从仿真结果可以看出，在不同的区域内流体都呈现出不同的分布。从主视图可以明显的看出，流体均向柜顶上方流动，越接近柜顶流速越大。载流回路周围的气体流速也快于柜体内其它位置的气体，并且流动方向多为向上。载流回路零部件通电发热，产生的热量通过对流换热的方式传导给周围气体，气体受热上升，是一种自然对流的散热。

四、温升试验及结果分析

根据GB/T11022-2011[4]的要求，对该产品的样机在国家认可的试验室做了温升试验，试验电流为630A，测得了如图2所示的各个接触点的温升值，试验结果与仿真结果的对比如表

1所示，其中仿真的数值在图4所示的主导电回路温升图中由软件在不同位置读取，（以温升最高的图示左侧一相为例）。

从表1中可以看出，仿真结果与试验温升值误差在15%以内，验证了仿真方法的准确性，说明该仿真方法可以有效地指导开关柜的设计。另外温升值最大约为48℃，与标准要求限制

75℃尚有较大裕度，说明二次配电产品由于额定电流较小，在满足其它要求的前提下，导体的尺寸尚有较大的优化空间，可以成为节约成本的途径之一。

结语：通过建立三维模型，采用计算流体力学（CFD）软件

Icepak/Fluent对某型环网柜的温度场和气流场进行了仿真计算，并参考国家标准对该环网柜样机进行了温升试验，仿真结果与试验结果比较接近，验证了仿真方法的准确性，基于本文的工作可以探索出一条计算开关柜产品发热和散热问题研究的基本方法，对新产品设计具有一定的指导意义。

参考文献：

[1] 田毅，黄新波.高压开关柜温升在线监测系统[J].高压电器，2010，46（3）：64—71.

[2] 王秉政，江健武，赵灵等. 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.