5 500 A船用低压主配电板散热设计

郭 庆

应用研究

5 500 A船用低压主配电板散热设计

郭 庆

（上海电器科学研究所（集团）有限公司，上海 200063）

基于热传导微分方程、流体运动控制方程及辐射换热方程，建立了低压主配电板耦合传热的数学模型，数值计算了低压主配电板稳态工况下的三维温度场和气流场，指出了载流回路中温升最高部位和内部气体流动规律，分析了低压主配电板三维温度场及气流场分布，并在此基础上对互感器安装位置、百叶窗尺寸进行了优化，为同类交流低压大容量主配电板设计提供了参考。

低压主配电板 温度场 气流场 湍流

0 引言

随着船舶电气化、自动化技术水平的不断提高，大量半导体、大功率负载应用于船舶电网[1]，使得船舶低压主配电板容量不断增加，电流不断增大。低压主配电板温度升高过快过高会引起柜内连接点、开关触头部分的机械材料变形、老化等问题，进而导致导体接触部位接触电阻增大、导体相邻绝缘材料的绝缘性能降低，最终导致故障引起大面积停电等恶性事故[2]。目前，国内外对交流低压大容量主配电板自然散热设计的研究较少。陆彪[3]采用有限元建立了低压开关柜母线热-流耦合模型，分析了母线错位布置、间距大小、电流大小对母线散热的影响，但未考虑母线间集肤效应和邻近效应，结果具有一定的局限性；刘四军[4]以KYN28A-12型4 000 A的架空进线开关柜为研究对象建立三维温度流体场耦合计算模型，分析了正常工况和风机故障情况下开关柜内温度和流体分布，并通过加装轴流风机和散热通道方式，改善了开关柜内空气对流的状况。吴泳聪[5]针对开关柜温度-流体场计算量大、精度低问题，从网格控制、边界条件及热源计算3个方面进行优化计算，并充分考虑了交流热源、接触热源、涡流损耗对温度场的影响，最终仿真与试验最大相对误差达到了3.4%，为开关柜散热分析与设计提供了数据支持；李汉伟[6]采用Ansys软件对中压开关柜进行了温度场建模和热分析，获得了柜体和导电部件的温升值，并与温升试验结果进行对比验证，最大偏差为14%，造成偏差主要原因为未使用流体力学参与温度场耦合计算；付鲁军[7]采用多物理场耦合方法对充入干燥空气的气体绝缘开关柜进行了温度仿真，分析了内部温度分布特性，样机进行了温升试验。汤清双[8]利用FloEFD热分析计算软件计算了多种散热方案下的中压开关设备散热效果，制作的样机顺利通过了温升试验，为开关设备结构优化和散热设计提供了理论支撑；王冬[9]对开关柜主母线铜排电磁场、热流场及短路电动力进行了多物理场耦合分析，对柜内主母线截面形式、排列布置进行了详细设计，同时仿真计算出自然散热和强迫风冷方案的散热效果，对低压开关柜主母线系统的分析具有普遍的参考意义；叶茂泉[10]采用Ansys热仿真模块对KYN44A-12型大电流开关柜内部温度场和空气流场进行了稳态仿真，提出了散热和镀银触头温升控制结构优化方法，控制了开关柜核心部件的温升，保障了配电系统的安全。

本文从电器学、数值传热学和流体力学的基础理论出发，对低压主配电板系统地进行数值模拟和计算，分析低压主配电板三维温度场及气流场分布，预测了载流回路的最高温升位置并在此基础上对互感器安装位置、百叶窗尺寸进行优化。

1 低压主配电板模型

低压主配电板主要集发电机、逆变器等电源输出的电能，将其配送至各用电负载，并具备对相连的电力设备提供参数和状态显示、保护、控制和管理等功能。低压主配电板主要由框架断路器、中间继电器、电流互感器、电压互感器、按钮指示灯、柜体、监测仪器仪表等部分组成。用于控制的元器件如中间继电器等常安装在低压主配电板的隔室内，避免主回路部分对控制部分的辐射干扰。其中，大功率低压主配电板为避免涡流影响外壳常采用2～3 mm优质不锈钢板焊接而成，母排采用多根矩形铜排组合来承载电流。这样虽然降低了单根母排的电流密度，但是由于拼排间隙较小，相邻铜排间的邻近效应增大了电阻损耗，并且受低压配电屏外形尺寸限制，母线排布过密，阻碍了柜内气流的流通，进而影响了汇流排的散热。若增大铜排间隙，铜排间的邻近效应影响弱，影响配电板小型化设计。因此需要对大电流低压主配电板母线系统进行详细设计，才能满足国家标准温升要求。图1为低压主配电板三维模型，其中，低压主配电板主母线铜排选用160x10 mm铜排，母线结构为A、B、C、A、B、C分散分布；低压主配电板正前方门板底部和后门板开进风口百叶窗，后门板上部开出风口百叶窗，由于母排主要集中在母联屏中后侧，所以后门板进风通道宽度设置为前门板的两倍。前门板底部通风百叶窗高度设置为200 mm，通风百叶窗长度为980 mm，侧面及背部、顶部均开通风百叶窗，通风率为50%；

图1 低压主配电板三维模型

2 低压主配电板散热设计

2.1 数值模拟计算

电器中的热量传递形式有热传导、对流换热、热辐射三种基本形式。通常情况下，电器必须采用合适的散热方式，以便确保电器的温升不超过其最高允许温升。分析低压主配电板主要散热途径如下：

1）载流导体及与之直接接触的绝缘支撑件之间的热传导；

2）低压主配电板内空气的自然对流；

3）低压主配电板柜体外表面的热辐射；

4）低压主配电板内载流导体的热辐射；

5）低压主配电板外围空气的对流换热[11-12]。

低压主配电板温度场数学计算模型就是基于热传导微分方程、流体运动控制方程及辐射换热方程，建立的集热传导、对流换热和热辐射相互耦合的微分方程。根据数值传热学原理，三种传热方式的传热控制方程[13-14]如下所示。

2.1.1 导热微分方程：

2.1.2对流换热

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：、、-速度矢量在、、三个方向的分量(m/s)；-压强(Pa)；

、、-质量力在、、三个方向的分量(N)；

2.1.3 热辐射

由于低压配电屏载流回路的发热和散热是在自然散热条件下进行的集传导、对流、辐射等传热方式耦合的复杂物理过程，需要从多物理场的角度出发，综合考虑电磁场、流场及温度场进行分析和计算。计算机辅助软件剖分网格过多，需求的硬件内存较大，收敛条件易发散，导致求解难度变大[13]。所以本次采用间接耦合方式，先计算载流回路的磁热损耗，然后再耦合到温度场、气流场中进行计算。主母线铜排电流密度在集肤效应和邻近效应影响下的分布见图2。

采用有限元仿真软件可以得到低压配电屏的三维温度场及气流场。其中初始边界条件如下：

a）将载流回路各部分功率值作为体积热源的方式加载到各个零部件中；

b）接触电阻产生的热损耗以功耗方式施加在各个接触面上；

c）流体流动方式采用湍流Zero equation 模型；

d）辐射模型采用DO 模型；

e）环境温度设置为30℃。

图2 铜排电流密度分布

图3 铜排表面温度场

2.2 计算结果及分析

低压主配电板内断路器及铜排为主要发热源，由于柜体开通风百叶孔，使得柜体整体温度较完全封闭散热条件变好，内部产生的热量依靠柜体底部进风口、柜体上部及顶部的出风口进行自然对流散热，使得汇流排最高温升稳定在32.5 K，可满足国家标准温升要求。

1）载流回路导体温度最高部分主要集中在断路器内。其内部零部件表面温度总体比断路器外部导体表面温度要高20 K左右，这主要是因为断路器内部导体受外壳影响散热条件较差。

2）上层母排拼接采用上、下拼接，相序依次为A、B、C、A、B、C，底部采用水平双拼结构，分散铜排结构，增大了有效散热表面积，同时未导流的延伸段铜排可当散热翅片使用，使得汇流排温升较其它部位低。

三相载流母排中，B相载流母排散热条件最差，温度最高。截取B相载流母排截面，其温度场及气流场分布见图4。由图可知：

a)母联屏底部三个百叶窗进风，其中前门底部和后门底部上部分百叶窗为主要进风口，进风量满足内部散热需求。

b)低压主配电板内，由于载流回路不断散发热量，使其周围气体温度升高，温度较高的气体不断上升，气体流速较大，随后气体流向温度较低的区域，流速不断降低。低压主配电板顶部进、出风口处温度较低，与内部气体温差较大造成内部空气形成散热路径，并以此为规律不断的循环流动。

2.2.1 互感器安装位置影响

穿心式电流互感器安装在断路器进、出口侧，如图5所示。为了查看互感器安装位置对铜排温升的影响，采用控制变量法，保证其他边界条件不变，对电流互感器上、下安装位置进行热仿真，查看不同安装位置对断路器进、出口铜排温升的影响。

图4 B相截面温度场及气流场分布

重新计算可得主汇流排最高温升基本不变，断路器进出口铜排温升降低约0.5K，断路器进、出口铜排温度分布见图6。由仿真结果可知，断路器上侧铜排温度普遍比下侧铜排温度高，内侧铜排温度比外侧高。在互感器安装位置不受限情况下，优先采用互感器下侧安装方式。

图5 穿心式电流互感器安装位置

图6 断路器进、出口铜排温度分布

2.2.2 百叶窗尺寸影响

图4.a中A区域，顶部热空气通过柜顶两个散热通风孔和后门板的百叶窗流出，但热空气在柜顶依旧有聚集，且聚集区域宽度约为后门板通风孔高度的两倍。建议后门板增大通风孔高度，以增强柜内内部对流换热。将后门板顶部百叶窗高度向下扩展一倍，其他通风百叶窗位置不变，重新进行热仿真计算。截取B相载流母排温度场及气流场，其仿真结果如图7所示。由图可知：

1) 后门板百叶窗高度扩展一倍后，母联屏内内部对流换热增强，热空气聚集区域减少，散热效果增强且屏内主母排最高温升由32.5 K降低到30 K，降低约2.5 K。

2) 由气流场分布可知，后门板顶部百叶窗下部近壁面区域气体流速近似为0，即继续增加百叶窗高度，对内部载流母排温度影响不大。

图7 B相截面温度场及气流场分布

3 结论

本文旨在通过对低压主配电板的自然散热设计，使得内部载流导体散热效率得到提高，为此以低压主配电板稳态工况为基础，对互感器安装位置、百叶窗尺寸进行了优化，得出以下结论：

1）建立了低压主配电板耦合传热的数学模型，在热源计算中综合考虑了空气的物理参数随温度变化的特性、集肤效应及邻近效应、接触电阻等多种因素对温升的影响，仿真计算了低压配电板稳态工况下的三维温度场及气流场；

2）通过对低压主配电板的温度场仿真计算，预测了载流回路的最高温升位置，计算结果表明低压主配电板主母线采用A、B、C、A、B、C上下分层结构，底部采用双拼结构，柜内汇流排温升可满足国家标准温升要求；

3）通过分析低压主配电板稳态下的温度场及气流场，对阻碍空气流动的互感器及百叶窗尺寸进行了优化，降低了内部的温升，提高了设备的运行可靠性，为同类交流低压大容量主配电板自然散热设计提供了参考。

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Heat dissipation design of 5 500 A marine low-voltage main switch board

Guo Qing

(Shanghai Electrical Apparatus Research Institute(group) Co., Ltd, Shanghai 200063, China)

U665.14

A

1003-4862（2022）05-0014-05

2021-09-17

郭庆（1993-），男，工程师。主要研究方向：船用低压电器。E-mail: guoqingee@163.com