基于SolidWorks的開關(guān)柜模型的熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)

高壓開關(guān)柜柜體封閉，負(fù)荷電流大，柜體內(nèi)部散熱性差，設(shè)備發(fā)熱問題較為嚴(yán)重。而封閉式高壓開關(guān)柜箱體的溫度是其內(nèi)部元件運(yùn)行狀態(tài)分析的主要依據(jù)。已有對柜內(nèi)基于載流元件溫度的故障檢測研究，介紹了運(yùn)用于開關(guān)柜的若干種測溫方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。與蠟片變色測溫的操作簡單、準(zhǔn)確度低相比，光纖光柵技術(shù)的準(zhǔn)確性穩(wěn)定性高、價格昂貴，推廣難度大。介紹了非接觸式的紅外測溫技術(shù)在開關(guān)柜故障檢測中的應(yīng)用，然而它無法直接監(jiān)測到開關(guān)柜內(nèi)部溫度。

為了更好針對封閉開關(guān)柜的內(nèi)部熱故障精準(zhǔn)運(yùn)維，本文提出基于有限元的開關(guān)柜熱場傳導(dǎo)仿真。首先，通過三維繪圖軟件SolidWorks建立開關(guān)柜模型，再利用有限元方法對此模型溫度場進(jìn)行仿真分析，得到不同負(fù)載電流情況下開關(guān)柜柜體溫度變化情況。之后，利用紅外熱成像儀對10 kV封閉內(nèi)開關(guān)柜的柜體溫度進(jìn)行測量，將仿真溫度與紅外溫度進(jìn)行比較，驗證模型的準(zhǔn)確性，為開關(guān)柜故障診斷奠定基礎(chǔ)。

1 基于SolidWorks的開關(guān)柜模型構(gòu)建

1.1 KYN28-12開關(guān)柜結(jié)構(gòu)

目前，在供電系統(tǒng)中，投入運(yùn)行的開關(guān)柜主要是XGN型開關(guān)柜及KYN型開關(guān)柜。KYN型高壓開關(guān)柜由于操作方便、載流量大、結(jié)構(gòu)完善，已經(jīng)成為高壓開關(guān)柜的主流產(chǎn)品。本文就主要針對KYN28-12開關(guān)柜進(jìn)行研究。

KYN28-12開關(guān)柜是3.6~12 kV三相交流50 Hz的戶內(nèi)成套配電裝置，用于接收和分配網(wǎng)絡(luò)電能并對電路實行控制保護(hù)及監(jiān)測。其模型結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，主要分為母線室、斷路器手車室、電纜室、繼電器儀表室四個部分，其柜內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 開關(guān)柜模型建立

利用ANSYS Workbench進(jìn)行有限元仿真時，可利用軟件本身包含的Design Model平臺建立開關(guān)柜3D模型。但是考慮到開關(guān)柜結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及在DM平臺上建模的復(fù)雜性，為提高建模的速度和準(zhǔn)確度，本文將SolidWorks與ANSYS Workbench建立好接口，先使用SolidWorks三維繪圖軟件對開關(guān)柜進(jìn)行建模，畫出開關(guān)柜的3D模型，再將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元軟件中。

開關(guān)柜內(nèi)部包含了許多零部件，其尺寸差異較大，因此需要對開關(guān)柜進(jìn)行簡化，得到的簡化模型如圖2所示。

2 熱傳遞理論

開關(guān)柜在工作時所產(chǎn)生的熱能與載流導(dǎo)體中通過的電流有關(guān)。載流導(dǎo)體中存在電阻，根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt（其中Q為產(chǎn)生的熱量，I為通過導(dǎo)體截面的電流大小，R為電流通過的材料的阻值，t為時間），當(dāng)電流通過載流導(dǎo)體時，將會產(chǎn)生熱能，一部分熱能會傳遞到周圍介質(zhì)中，一部分會使開關(guān)柜中零件溫度升高。

開關(guān)柜的傳熱包括熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。熱輻射是指物體發(fā)射電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬哪芰拷粨Q過程。溫度越高，輻射出的總能量就越大。一般情況下，開關(guān)柜即使出現(xiàn)熱故障，溫度也不會達(dá)到幾百攝氏度。因此，熱輻射對開關(guān)柜的影響并不大，本文將忽略此因素對溫度的影響。

熱傳導(dǎo)是指物體各部分或不同物體之間由于溫度梯度所引起的內(nèi)能的交換。只要物體存在溫度差異，為了平衡這種溫度差異，就會有熱傳導(dǎo)產(chǎn)生，遵循傅里葉定律，其關(guān)系式為：

式中，Pk為傳導(dǎo)功率（W），Ak為熱傳導(dǎo)物體截面（m2），lk為熱傳導(dǎo)物體長度（m），Δt為物體兩端溫度差（℃），λ為熱傳物體熱導(dǎo)率（W/（m·K））。

熱對流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間由于溫差的存在引起的熱量交換。熱對流用牛頓冷卻方程來描述，其關(guān)系式為：

式中，q為熱流量（W），hj為對流傳熱系數(shù)（W/m2），Aj為壁面面積（m2），TS為物體表面溫度（℃），TB為周圍流體溫度（℃）。

上述的傳熱方式其根本都是能量的傳遞，遵循能量守恒定律。對于一個封閉的系統(tǒng)（沒有質(zhì)量的流入或流出），有：

式中，Q為熱量，W為做功，ΔU為系統(tǒng)熱力學(xué)能，ΔKE為系統(tǒng)動能，ΔPE為勢能。

對于大多數(shù)工程傳熱問題：

通?？紤]沒有做功，即W=0，則Q=ΔU。

熱分析分為穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析。若熱能流動不隨時間而變化，則熱傳遞是穩(wěn)態(tài)的。穩(wěn)態(tài)熱分析中流入系統(tǒng)的熱量與流出的熱量相等，用公式表示為Q=ΔU=0。瞬態(tài)熱分析中系統(tǒng)的溫度場隨時間變化明顯，流入或流出的熱傳遞速率q用公式表示為q=dU/dt。利用紅外熱像儀拍攝紅外圖片時，開關(guān)柜已經(jīng)處于熱平衡狀態(tài)，因此本文針對的熱分析為穩(wěn)態(tài)熱分析。

3 有限元仿真

3.1 有限元簡介

有限元方法是由COURANT R于1943年首次提出并在20世紀(jì)50年代由航空結(jié)構(gòu)工程師們所發(fā)展起來的，是數(shù)值計算的一種。由于其網(wǎng)格計算的靈活性、程序計算的通用性等優(yōu)勢，有限元方法迅速地發(fā)展和應(yīng)用起來。它的基本原理是將具有無限個自由度的連續(xù)求解區(qū)域離散為具有有限個自由度、且按一定方式相互連接在一起的離散體，即將連續(xù)體劃分為數(shù)目有限的離散單元。在一定的精度要求下，對每個單元用有限個參數(shù)來描述其特性，而整個特性即為這些單元特性的總和，從而求得整個連續(xù)求解域的規(guī)律。目前，市場上存在若干種有限元分析軟件，ANSYS Workbench有限元軟件因其界面友好、操作簡便、適合做工程應(yīng)用等特征被人們廣泛使用，本文就利用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行有限元分析。

3.2 參數(shù)設(shè)定

開關(guān)柜母排、斷路器靜觸頭、動觸頭、觸臂的材質(zhì)為銅，靜觸頭盒材質(zhì)為絕緣材料，柜體外殼為鍍鋅鋼板。

3.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是整個有限元分析的關(guān)鍵工作，其質(zhì)量和優(yōu)劣對計算結(jié)果會產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。開關(guān)柜的部件尺寸相差大，有些部件尺寸相對較小但對傳熱影響較大，若這些部位網(wǎng)格劃分處理不當(dāng)，會使得網(wǎng)格劃分效果差，對最終的結(jié)果造成很大的影響［9］。同時，劃分的單元的個數(shù)過多不僅不能提升計算結(jié)果的準(zhǔn)確度，還會使計算機(jī)的計算量變大而導(dǎo)致計算速度變慢，甚至求解不出來結(jié)果。本文首先采用自動網(wǎng)格劃分對開關(guān)柜進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對重點(diǎn)部位以及網(wǎng)格發(fā)生較大變形的位置采用局部網(wǎng)格劃分法再進(jìn)一步細(xì)化，網(wǎng)格數(shù)為94 340，網(wǎng)格劃分。

3.4 仿真

開關(guān)柜雖然呈封閉狀態(tài)，但其頂部有用于通風(fēng)散熱的通風(fēng)孔，也有風(fēng)機(jī)向外排風(fēng)，同時，開關(guān)柜下部與地面貼合，因此柜體上部的對流會比下部大。參考文獻(xiàn)可知，柜體四周的對流換熱系數(shù)為12 W/m2·℃，本文設(shè)定開關(guān)柜下部對流系數(shù)為10 W/m2·℃，上部為35 W/m2·℃。仿真結(jié)果如圖4所示。

4 實驗結(jié)果

對珠海供電局220 kV變電站實際運(yùn)行的開關(guān)柜拍攝紅外圖片，結(jié)合紅外熱像儀配套的分析軟件，可以得到開關(guān)柜柜體的紅外圖片。

為了更好地對比分析仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用紅外熱像儀分析軟件，取紅外圖片中開關(guān)柜柜體不同位置的線平均溫。

用上述方法得到開關(guān)柜在不同負(fù)荷情況下柜體溫度變化。

利用ANSYS Workbench有限元軟件，得到3.4節(jié)的仿真結(jié)果。為了得知開關(guān)柜柜體部分的溫度值，在仿真求解結(jié)果中，利用探針得到其對應(yīng)位置的具體溫度值。

通過對開關(guān)柜紅外圖片的處理以及仿真結(jié)果的分析，得到在不同負(fù)荷下開關(guān)柜紅外拍攝的溫度與其對應(yīng)的仿真溫度。

從表3可以看出，紅外溫度與仿真溫度的結(jié)果是比較接近的，最大誤差不超過3℃，可以作為實際開關(guān)柜運(yùn)行的仿真模型，為開關(guān)柜進(jìn)一步的故障診斷提供依據(jù)。其中出現(xiàn)誤差的可能原因在于：（1）紅外熱像儀拍攝過程中受大氣吸收、周圍物體熱輻射、設(shè)備運(yùn)行工況等影響，使其拍攝的紅外圖片存在一定的誤差；（2）本文所建立的開關(guān)柜模型與實際開關(guān)柜并不是完全一樣，溫度傳導(dǎo)過程中可能還受到開關(guān)柜內(nèi)其他因素的影響。在今后的研究中，可以對此進(jìn)行深入分析。

5 結(jié)論

開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的電力設(shè)備，它的安全穩(wěn)定運(yùn)行對社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重大的影響。本文基于ANSYS Workbench有限元分析軟件，對開關(guān)柜熱場傳導(dǎo)進(jìn)行仿真，并將其與實際拍攝的紅外圖片進(jìn)行對比，驗證其仿真的準(zhǔn)確度，為開關(guān)柜后續(xù)的故障診斷奠定基礎(chǔ)，可以從更多角度分析開關(guān)柜運(yùn)行情況，提高開關(guān)柜運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性，從而使電力系統(tǒng)更高效地運(yùn)行。
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