開關(guān)柜溫升試驗方法研究

杜爭過 王尚斌 姜洪龍

摘 要：開關(guān)柜是研究測試電力系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，其運行時的溫升現(xiàn)象對電力系統(tǒng)的運行起到?jīng)Q定性作用。當(dāng)開關(guān)柜的溫升超標(biāo)后，會導(dǎo)致絕緣性能嚴(yán)重下降、接線融焊等現(xiàn)象，對供電系統(tǒng)和設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性造成極大的威脅?；诖耍疚耐ㄟ^對溫升試驗進行分析，結(jié)合熱源產(chǎn)生的機理對開關(guān)柜進行研究，并結(jié)合開關(guān)柜溫升試驗方法，通過模擬仿真實驗結(jié)果進行了相應(yīng)闡述。

關(guān)鍵詞：溫升試驗；熱源；仿真實驗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.165

近年來，人們開始對開關(guān)柜的生產(chǎn)成本進行控制，想辦法增加對其內(nèi)部空間的利用，因此導(dǎo)致開關(guān)柜的體積開始向小型化發(fā)展。開關(guān)柜由于其特殊的功能，其體積很小、結(jié)構(gòu)非常緊湊、封閉式模式以及內(nèi)部間隔防護等級較高，使得其散熱成為一個難點。尤其在電流規(guī)模巨大的中置柜中，溫升現(xiàn)象表現(xiàn)的極其突出。在實際運行中，發(fā)熱問題解決的好壞，對設(shè)備的老化有重要影響，甚至于直接造成設(shè)備損壞和電力系統(tǒng)運行故障。作為電力系統(tǒng)中核心部件，該終端執(zhí)行元件的發(fā)熱直接關(guān)系到整個電力系統(tǒng)的安全好穩(wěn)定。近年來。開關(guān)柜的故障越來越多是過熱引起的，相關(guān)學(xué)者們對其開始深入研究。主要針對溫升試驗方法的探究和測溫裝置研發(fā)改進。本文采用Solidworks 軟件對開關(guān)柜進行建模，以3D有限元模型為基礎(chǔ)，以Icepak軟件為基礎(chǔ)進行了數(shù)值計算，重點分析了其溫度場和流體場。為驗證本文采用的計算方法，對10kV開關(guān)柜進行了仿真計算。

1 溫升試驗的提出

根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，需要對開關(guān)柜進行溫升試驗，通過試驗開關(guān)柜等載流性能分析驗證發(fā)熱和散熱兩個方面的數(shù)據(jù)。具體運行過程中，需要將額定電流持續(xù)輸入導(dǎo)電回路一定時間，然后對此時電路中的溫升進行分析，分析結(jié)論并對開關(guān)柜的使用效果進行評測。本文為更好地探究開關(guān)柜的溫度分布情況，確定溫度檢測器的合理布局，對其試驗方法進行了研究。

2 開關(guān)柜溫升試驗分析

2.1 模型建立

平均溫升簡易算法、熱爐方法和溫度場數(shù)值模擬算法這三種算法是開關(guān)柜內(nèi)部熱量計算的主流計算方法。三種方法有各自的優(yōu)劣性：平均溫升簡易算法計算流程簡單易操作，但是誤差相對較大；熱爐方法的計算核心是類比法，求解精度有待提高；當(dāng)前的主流計算方法是溫度場數(shù)值模擬算法，其最大的優(yōu)點是求解精度大大提高。但由于求解器精度有一定的限制，計算時對其模型進行了一定的簡化，忽略了風(fēng)機以及整機模型，對計算結(jié)果有一定的影響。

本文通過Solidworks軟件對開關(guān)柜結(jié)構(gòu)進行了三維建模，采取ANSYS Icepak軟件進行數(shù)值模擬，重點分析了開關(guān)柜的溫度場，最終得到其溫度分布特征。開關(guān)柜模型通過母線室、架空進線室、斷路器室和儀表室這四個相互獨立的隔離室組成。其中斷路器和電流互感器這兩部分建模時均進行了簡化。實際模型建立時，開關(guān)柜的風(fēng)機共6個，頂部外殼有5個，剩余1個在斷路器底部。風(fēng)機模塊在Icepak軟件中是獨立存在的，因此將模型導(dǎo)入后改軟件后必須對風(fēng)機模型進行設(shè)置。

2.2 理論分析

普遍認(rèn)為在開關(guān)柜中，導(dǎo)致其發(fā)熱的主要因素分為兩個：載流導(dǎo)體和電接觸的焦耳損耗。本文只針對電接觸部分的發(fā)熱量即通過載流導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量進行單獨計算，計算公式為：

3 仿真試驗

該溫升試驗的設(shè)置如圖 2 所示。本次模擬實驗選取開關(guān)柜的額定電流為1250A。試驗過程中使用T級熱電偶對開關(guān)柜內(nèi)溫升部件進行溫度測量。試驗電流為額定值，時長為8h。其中在最后1h需要注意開關(guān)柜在對溫度進行增加時的大小不得超過1K。 模擬試驗在選取測量點時應(yīng)當(dāng)注意避免母排溫升造成的影響。因此外部檢測點應(yīng)位于距離開關(guān)柜1 m遠(yuǎn)的母排上，其內(nèi)部溫升測量點如圖1所示（點1-7）。計算結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)論

分析上表，②組整體低于①組，由此推論，開關(guān)柜使用塑料板在不覆蓋聚乙烯泡沫的時候，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，此時開關(guān)柜運行狀況與實際情況相比較差別較大，因此不符合實驗要求。③組與①組情況下較接近，且除個別點普遍偏高于①組。由此試驗數(shù)據(jù)可知，在③組情況下，其數(shù)值模擬結(jié)果與開關(guān)柜實際運行時的工況相近，因此這種情況下可以使用等效溫升的試驗方法來進行數(shù)值模擬代替實際實驗。

參考文獻：

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