开关柜母线温度场仿真及影响因素分析

开关柜母线温度场仿真及影响因素分析

杨全兵

大全集团有限公司，江苏 镇江 212000 

摘要：针对低压开关柜母线铜排的温升问题，利用仿真分析对比了自然对流和强制对流两种散热方式下，大电流低压开关柜内部温度场和气流场，并考虑了交流电作用下，集肤效应对柜内母线发热影响，确定了设计方案中温升超标的危险点，提出采用风机强制散热，控制了柜内温升。通过仿真获得柜内母线温升云图，可作为后续结构优化设计的依据。

关键词：热分析；集肤效应；临近效应；开关柜

引言

低压开关柜是一种广泛应用于电能控制与分配的集成电气装备，经过半个多世纪的发展，开关柜已经从早期的性能较低、功能单一、体积较大逐步发展为高性能、智能化、小型化与多功能化[1]。由于工作过程中，母线电流密度上升，产热量增加，散热空间相对减小，导致柜内各种元器件、接插件、绝缘件温升变高，如果开关柜运行过程中，温度持续超标，则会造成电阻增大温升持续升高的恶性循环，甚至导致绝缘件破坏，设备起火的严重事故[2]。因此，在低压开关柜的研发设计阶段，对其进行热分析和热设计是十分必要的。

本文基于有限容积法，在低压开关柜的研发设计阶段，分析开关柜内热源对气流场和温度场的影响[3]，预测柜内气流流动、温度分布和热量传递过程[4]，预测温升危险区域，分析母线电流对于开关柜温升的影响，为开关柜的结构优化设计和散热设计提供参考依据。

一、开关柜热源分析

开关柜的发热主要来自两部分，其中一部分为断路器、接触器等柜内元器件额定损耗发热，此部分发热功率可通过查询各元器件样本书确定；而另一部分主要来自柜内导电铜排的交流电阻损耗，因此要准确掌握开关柜温升，必须分析母线在工频交流下的电阻特性。

导体上通过直流电时，电流在导体的横截面上均匀分布，而当导体内通过交变电流时，导体周围会产生一个交变磁场，由于磁通量的周期变化在导体内部产生了对抗导体中磁通量变化的电动势，与表面相比，导体内部的铰链磁通较多，所以内部产生的反电动势较大，造成内部电流较小，这种现象称作集肤效应。导体的电阻值和截面积呈反比关系，集肤效应使得导体实际载流面积减小，电阻值增加。工程中引用集肤系数KJ来表征集肤效应，对于集肤系数的研究，目前国内外学者主要集中在对规则的圆形截面导体和矩形截面导体上，本文采用ansoft Maxwell软件，对复杂截面形状的铜排母线集肤系数KJ进行研究，设计出三种典型截面铜排，并采用仿真分析手段，比较了不同截面形状的铜排，加载相同电流载荷时的电流分布。仿真结束后，结果如图1所示，表1列出了仿真三种截面形状铜排的导电导电性能仿真结果。

（a）        （b）           (c)

图1铜排截面电流密度分布

表1 三种铜排导电性能

Table 1 conductivity of the three copper bar

结合图1和表1可以发现，三种截面形状的铜排均出现了不同程度的集肤效应现象，其中导体(c)电流密度分布范围最大，说明截面上电流分布最不均匀，集肤效应最为显著，导致其电阻损耗最大，导体（c）仿真结果表明导体中心区域电流较小，电流基本在四角处流通。导体（a）和导体(b)均为中心掏空的C形截面，电流分布比较均匀。相比于导体（b）典型C形截面铜排，导体（a）在减小铜排壁厚的同时，增大了铜排的长宽比，铜排外形更为扁长，其电流分布也更为均匀，单位长度电阻损耗也较小，铜材得到充分利用，进一步减小了集肤效应现象。

二、开关柜仿真模型

本次研究的原型为某公司最新研发的低压开关柜，额定载流量为6300A三相50Hz交流电。因开关柜内部结构异常复杂，温度场仿真分析时，对其简化处理，如图2所示，保留柜内铜排与断路器等主要发热源，主母排采用图1（a）所示截面设计形状，开关柜侧门板底部安装有进风格栅，柜顶安装有出风格栅，开关柜长宽高为1000mm*1000mm*2200mm。

图2开关柜仿真模型

三、自然对流散热仿真结果

开关柜散热包含对流、传导以及辐射三种方式，本次仿真时，环境温度设为35℃，空气压力为标准大气压，流态设置为湍流。

仿真所得温度减去环境温度即为温升，柜内铜排温升如图3所示，柜内导电母线温升普遍较高，顶部主母排温升在80K左右，断路器上部垂直母线温升达到70K，断路器下部各相进线铜排温升在90K左右；从图中可以发现断路器桩头温升达到100K左右，存在温升超标的危险。

图3柜内铜排温度场分布

下面将从散热角度进一步分析柜内铜排温升分布规律。如图4所示为开关柜气流场图，空气从底部进风口流入，在浮升力的作用下，通过柜顶散热孔流出，并带走柜内部分热量。柜中下部分由于铜排排布较为密集，且存在固定挡板、母线夹等零部件，严重影响了该区域铜排的对流散热通道，导致流速较低，且存在回旋涡流，热流发生了积聚；上半部分主要分布主母线，排间间距较大，散热通道通畅，故该区域流线更为平滑，流速也相对较快，热流被快速带出柜外。

图4开关柜气流流场图

四、优化散热设计

在自然对流条件下，开关柜内母线温升较高，需对其散热方案进行优化设计。通过分析可知，开关柜主要的散热为对流散热，气流从底部进风口进入，从顶部流出并带走热流。优化设计时，在柜顶安装2个引风机，增大柜内气流流速，达到快速降温的目的。

风机的最大额定风量为500cfm，最大风压为92Pa。仿真分析时考虑滤网的降容作用，风机使用效率设为全负荷的0.75。风机工作点的风压为10.7Pa，单个风机风量为298.2cfm。

图5 开关柜风冷散热温度场分布

由图5风冷散热仿真结果可以发现，在柜顶安装引风机散热，开关柜内对流散热显著增强，热流被快速流动的气流带出柜外，导致柜内温升显著降低，上部主母排温升在50K左右，断路器上下桩头搭接处铜排温升依然最高，达到75K左右，进线端铜排温升为65K左右。

五、结论

通过对开关柜设计模型进行温升仿真模拟，分析了交流电作用下集肤效应对开关柜母线发热的影响，在样机设计完成前得到了设计方案开关柜的温升状况，发现在未配置风机时，断路器上下桩头处存在温升超标的危险，主母排温升也相对较高；通过加强对流散热，在柜顶安装引风机后，开关柜内整体温升下降明显，最高温升控制在了75K。

参考文献

[1] 王文定，袁敬海，吉超锋,等. 基于浅谈配电柜的发展应用.科技展望，2015 ,26 .

[2] 杨芳. 环网柜温度场仿真分析与实验研究[J]. 企业导报，2014 ,14.

[3] 丘东元，何文志，张波，等. 基于Flotherm软件的电力电子装置热分析[J].电气电子教学学报，2011,33(2).

[4]李波. Flotherm软件基础与应用实例[M]. 中国水利水电出版社，2016 ,07.