基于SolidWorks对密集型母线槽本体的温升分析

祝 敏

(镇江西门子母线有限公司，江苏 镇江 212200)

随着现代化工程项目、建筑和设备的不断涌现，尤其是高层建筑和大型厂房的出现，对电力的需求也越来越大，作为一种新型配电导线的母线槽就应运而生了。母线槽是一种将铜、铝铜排封装在金属外壳内的配电产品，可为分散系统中各种大功率设备提供动力。

母线槽依据绝缘类型进行分类可分为密集型母线槽、浇注型母线槽和空气型母线槽，而密集型母线槽以散热能力强、结构紧凑、能耗小和动热稳定性好等优点，现已成为母线槽行业的主流产品。

1 研究内容

母线槽[1]作为配电产品，应保证电路运行的安全，因此，国家对母线槽的温升有明确要求，并对其进行强制检验。为研究母线槽在通电情况下热场是如何分布的，并为后续产品改进提供相应的理论支撑，本文以镇江西门子母线有限公司的XL-III密集型母线槽为模型对象，应用SolidWorks软件中的Flow Simulation[2]单元对其在特定工况下的温度分布进行分析。

2 仿真研究步骤

物体的热量传递方式有3种：热传导、热辐射和热对流[3]。母线槽本体内部主要的热传递方式为热传导，母线槽周围空气中热传递为热辐射和热对流。母线槽的热源是因为电流通过铜排而产生的焦耳热(只考虑母线槽本体)，若电流过大，则有可能造成母线槽温度过高，绝缘薄膜性能下降，使得母线槽发生短路烧毁等。

2.1 模型简化与修正

为更好地进行仿真分析，需要对模型中局部细节处进行简化[4](见图1)，具体如下。

1)图1中圈定的部分需进行简化，在仿真过程中，不考虑部件间的接触热阻。

2)图1中使用箭头标记的螺栓需隐去，在仿真计算过程中，这些螺栓将不参与计算。

3)母线槽物理模型中每根母排之间都存在绝缘薄膜，但母排之间的绝缘薄膜厚度只有零点几毫米，可将母排之间绝缘薄膜简化为母排之间的接触热阻[5]进行仿真。

4)母线槽物理模型为结构对称模型，因此，可简化为1/2模型进行分析，这样可大大减少计算量，还可以进一步细化网格，从而获得更高精度的计算结果。

图1 模型需简化区域

虽然母线槽物理模型的简化和修正会对仿真结果产生影响，但是上述简化和修正情况只会对模型的局部造成影响，对于模型总体温度影响并不大，同时可提高模型的求解速度；因此，这些模型简化和修正工作是十分必要的。

2.2 模型边界条件设定

因重力对温度分布的影响较大，因此，母线槽温度仿真需增加重力；同时还需在母线槽母排之间添加接触热阻来仿真母排之间的绝缘薄膜。此外，还需设定母线槽周围的环境温度，其他条件可按实验室测试条件进行设定。在相关边界条件设定完成之后，还应对母线槽两端进行局部细化，以提高端部仿真精度。

在激励源中，按母线槽满载运行情况进行设定，即在母线槽母排两端添加满载运行时的电流量。

2.3 模型网格设定

因模型中包括母线槽模型和其附近的计算域[6]，在进行网格设定时，需对不同模型和区域分别进行设定，在相关模型接触面设定等级6的细小固体特征细化级别。网格设定时应遵循母线槽模型网格较密，接触部分次之，计算域较粗的总体原则进行划分。

2.4 模型计算

完成上述设定之后，按设定条件对模型进行分析和计算，需设定模型的迭代次数、CPU核心数和内存用量等计算条件，在能有效保证计算精度的情况下，缩短模型的计算时间，同时在模型计算过程中应注意目标收敛的程度，因目标收敛才能完成模型的计算。

2.5 计算结果分析

得到模型的计算结果之后，通过母线槽模型的温升切面图[7](见图2)来查看母线槽在满载运行情况下的温升情况。由图2可知，母线槽中间母排的温度最高，其温度值为79.03 ℃；两侧的母排温度逐渐降低，其温度值约为74.6 ℃；因母线槽外壳直接与附近空气进行热量交换，其散热条件是最好的，因此，母线槽的外壳温度是母线槽模型中温度最低的，其温度值约为73 ℃。

图2 模型温升切面图

根据模型的计算结果查看，虽然可判断仿真情况与母线槽实际温升情况的趋势是一致的，但是母线槽模型的实际温升与仿真情况是否相符合还需通过相关温升试验来验证。

3 试验验证

为对上述仿真结果进行验证，根据仿真模型制作实际电流等级的母线槽，同时试验过程中的环境温度和相关环境条件尽可能与仿真情况相同，通过消除这些干扰项来降低试验的偏差。温升验证试验如图3所示。

图3 温升验证试验

待母线槽温升稳定之后，每隔0.5 h记录一次母线槽各相母排和两侧壳体的温度。因温升验证试验时已将温度测量点布置在母线槽各相母排和两侧壳体中，因此，可避免因测量点位置不同而带来的误差。将3次记录的数据进行平均，得到温升试验数据(见表1)。

表1 验证样品测试结果 (℃)

4 结语

根据上述仿真结果与试验结果可以得出如下结论。

1)母线槽各相铜排之间的验证试验与仿真情况基本吻合[8]，这说明在母线槽母排仿真过程中的接触热阻设定比较准确，能较好地反映母线槽各相之间的温升情况和热场分布情况。

2)母线槽壳体的验证试验与仿真情况存在一些差异，试验的温升结果较仿真模型分别小5.66%和4.14%，这些误差一方面是因为仿真模型建立过程中未考虑母线槽壳体表面喷塑情况；另一方面是因为验证试验中的母线槽周围并非静止，而仿真模型中空气对流[9]是按静止情况进行设定的。因此，在今后工作中应结合上述情况对母线槽仿真模型的壳体和边界条件进行优化[10]。

3)依据建立的母线槽仿真模型，可迅速得到不同工况、不同电流等级情况下的母线槽温升结果，对母线槽的温升情况进行定性分析，并能对母线槽的散热情况[11]进行及时改进，从而可大大缩短母线槽研发的周期和相关试验费用。