基于SolidWorks對密集型母線槽本體的溫升分析

祝 敏

(鎮江西門子母線有限公司，江蘇 鎮江 212200)

隨著現代化工程項目、建筑和設備的不斷涌現，尤其是高層建筑和大型廠房的出現，對電力的需求也越來越大，作為一種新型配電導線的母線槽就應運而生了。母線槽是一種將銅、鋁銅排封裝在金屬外殼內的配電產品，可為分散系統中各種大功率設備提供動力。

母線槽依據絕緣類型進行分類可分為密集型母線槽、澆注型母線槽和空氣型母線槽，而密集型母線槽以散熱能力強、結構緊湊、能耗小和動熱穩定性好等優點，現已成為母線槽行業的主流產品。

1 研究內容

母線槽[1]作為配電產品，應保證電路運行的安全，因此，國家對母線槽的溫升有明確要求，并對其進行強制檢驗。為研究母線槽在通電情況下熱場是如何分布的，并為后續產品改進提供相應的理論支撐，本文以鎮江西門子母線有限公司的XL-III密集型母線槽為模型對象，應用SolidWorks軟件中的Flow Simulation[2]單元對其在特定工況下的溫度分布進行分析。

2 仿真研究步驟

物體的熱量傳遞方式有3種：熱傳導、熱輻射和熱對流[3]。母線槽本體內部主要的熱傳遞方式為熱傳導，母線槽周圍空氣中熱傳遞為熱輻射和熱對流。母線槽的熱源是因為電流通過銅排而產生的焦耳熱(只考慮母線槽本體)，若電流過大，則有可能造成母線槽溫度過高，絕緣薄膜性能下降，使得母線槽發生短路燒毀等。

2.1 模型簡化與修正

為更好地進行仿真分析，需要對模型中局部細節處進行簡化[4](見圖1)，具體如下。

1)圖1中圈定的部分需進行簡化，在仿真過程中，不考慮部件間的接觸熱阻。

2)圖1中使用箭頭標記的螺栓需隱去，在仿真計算過程中，這些螺栓將不參與計算。

3)母線槽物理模型中每根母排之間都存在絕緣薄膜，但母排之間的絕緣薄膜厚度只有零點幾毫米，可將母排之間絕緣薄膜簡化為母排之間的接觸熱阻[5]進行仿真。

4)母線槽物理模型為結構對稱模型，因此，可簡化為1/2模型進行分析，這樣可大大減少計算量，還可以進一步細化網格，從而獲得更高精度的計算結果。

圖1 模型需簡化區域

雖然母線槽物理模型的簡化和修正會對仿真結果產生影響，但是上述簡化和修正情況只會對模型的局部造成影響，對于模型總體溫度影響并不大，同時可提高模型的求解速度；因此，這些模型簡化和修正工作是十分必要的。

2.2 模型邊界條件設定

因重力對溫度分布的影響較大，因此，母線槽溫度仿真需增加重力；同時還需在母線槽母排之間添加接觸熱阻來仿真母排之間的絕緣薄膜。此外，還需設定母線槽周圍的環境溫度，其他條件可按實驗室測試條件進行設定。在相關邊界條件設定完成之后，還應對母線槽兩端進行局部細化，以提高端部仿真精度。

在激勵源中，按母線槽滿載運行情況進行設定，即在母線槽母排兩端添加滿載運行時的電流量。

2.3 模型網格設定

因模型中包括母線槽模型和其附近的計算域[6]，在進行網格設定時，需對不同模型和區域分別進行設定，在相關模型接觸面設定等級6的細小固體特征細化級別。網格設定時應遵循母線槽模型網格較密，接觸部分次之，計算域較粗的總體原則進行劃分。

2.4 模型計算

完成上述設定之后，按設定條件對模型進行分析和計算，需設定模型的迭代次數、CPU核心數和內存用量等計算條件，在能有效保證計算精度的情況下，縮短模型的計算時間，同時在模型計算過程中應注意目標收斂的程度，因目標收斂才能完成模型的計算。

2.5 計算結果分析

得到模型的計算結果之后，通過母線槽模型的溫升切面圖[7](見圖2)來查看母線槽在滿載運行情況下的溫升情況。由圖2可知，母線槽中間母排的溫度最高，其溫度值為79.03 ℃；兩側的母排溫度逐漸降低，其溫度值約為74.6 ℃；因母線槽外殼直接與附近空氣進行熱量交換，其散熱條件是最好的，因此，母線槽的外殼溫度是母線槽模型中溫度最低的，其溫度值約為73 ℃。

圖2 模型溫升切面圖

根據模型的計算結果查看，雖然可判斷仿真情況與母線槽實際溫升情況的趨勢是一致的，但是母線槽模型的實際溫升與仿真情況是否相符合還需通過相關溫升試驗來驗證。

3 試驗驗證

為對上述仿真結果進行驗證，根據仿真模型制作實際電流等級的母線槽，同時試驗過程中的環境溫度和相關環境條件盡可能與仿真情況相同，通過消除這些干擾項來降低試驗的偏差。溫升驗證試驗如圖3所示。

圖3 溫升驗證試驗

待母線槽溫升穩定之后，每隔0.5 h記錄一次母線槽各相母排和兩側殼體的溫度。因溫升驗證試驗時已將溫度測量點布置在母線槽各相母排和兩側殼體中，因此，可避免因測量點位置不同而帶來的誤差。將3次記錄的數據進行平均，得到溫升試驗數據(見表1)。

表1 驗證樣品測試結果 (℃)

4 結語

根據上述仿真結果與試驗結果可以得出如下結論。

1)母線槽各相銅排之間的驗證試驗與仿真情況基本吻合[8]，這說明在母線槽母排仿真過程中的接觸熱阻設定比較準確，能較好地反映母線槽各相之間的溫升情況和熱場分布情況。

2)母線槽殼體的驗證試驗與仿真情況存在一些差異，試驗的溫升結果較仿真模型分別小5.66%和4.14%，這些誤差一方面是因為仿真模型建立過程中未考慮母線槽殼體表面噴塑情況；另一方面是因為驗證試驗中的母線槽周圍并非靜止，而仿真模型中空氣對流[9]是按靜止情況進行設定的。因此，在今后工作中應結合上述情況對母線槽仿真模型的殼體和邊界條件進行優化[10]。

3)依據建立的母線槽仿真模型，可迅速得到不同工況、不同電流等級情況下的母線槽溫升結果，對母線槽的溫升情況進行定性分析，并能對母線槽的散熱情況[11]進行及時改進，從而可大大縮短母線槽研發的周期和相關試驗費用。