低壓成套開關設備溫升試驗方法分析

陸俊陽

（武漢波光源科技有限公司，湖北 武漢 430000）

所謂溫升試驗就是給設備施加額定電流，模擬設備在滿負荷正常條件下的運行，驗證設備中各部件的溫升極限是否超過國家標準的規定。本研究是以低壓成套開關設備溫升試驗為研究對象。

傳統溫升試驗就是對實際試品模擬正常使用狀態進行試驗，通過電流源對設備的每個支路施加額定電流，然后在主回路進行短接，從而構成完整的回路，使整個柜體達到額定電流[1]。然后通過溫度采集儀器將柜內各溫度測量點的溫度進行采集，計算出溫升值與國家標準進行比較看其是否滿足要求。在研究中提到的另一種試驗方法為模擬仿真試驗方法，模擬仿真試驗就是通過模擬仿真軟件將試品的各種參數條件輸入到電腦中，然后再通過仿真軟件建立實體模擬，施加載荷，模擬計算出各測試點的仿真溫度值。

本研究將以XL 型低壓動力配電柜為例，通過對2 種溫升試驗方法進行對比，得出模擬仿真試驗可行的結論。

1 低壓成套開關設備傳統溫升試驗方法解析

1.1 XL 型低壓動力配電柜溫升試驗方法

1.1.1 試驗方法

試驗前根據柜體的額定電流（InA）和各支路的額定電流（Inc）繪制出溫升示意圖，如圖1 所示。圖中標注了主斷路器、支路斷路器的額定電流、母線尺寸。

圖1 XL 型低壓動力配電柜溫升示意圖

試驗過程中XL 型低壓動力配電柜試品按照正常使用方式放置，所有覆板全部安裝到位。試驗開始后，所有支路施加額定電流值，直到溫升穩定后方可停止試驗。判定溫升達到穩定的標準:所有溫升測量點在1 h 內溫度變化不超過1 ℃時，方可認為達到溫升穩定狀態。

1.1.2 XL 型低壓動力配電柜溫升試驗設備

本次溫升試驗所使用的試驗設備：程控交流恒流源GESHL-Ⅱ-3×100 兩臺，溫度測量及采集使用的是34972A 數據采集器及T 型熱電偶。

1.1.3 周圍空氣溫度的測量

本次周圍空氣溫度的測量采用熱電偶測量。用兩根熱電偶均勻布置在試品兩側距離試品1 m 處，高度為試品高度的一半。為防止對流和熱輻射對測量結果的影響，將熱電偶放入油杯中來測量環境溫度。

1.2 XL 型低壓動力配電柜溫升試驗過程

1.2.1 試驗導線的連接

根據標準要求，將試驗導線依據作業指導書進行連接，如圖2 所示。

圖2 XL 型低壓動力配電柜溫升試驗現場

本次試驗采用逆送電流的方法，給支路分別施加額定電流，然后在主開關進線端進行短接，從而構成完整的回路使主開關達到400 A 的額定電流。

1.2.2 溫升測試點的布置

在確認接線無誤后，進行溫升測試點的布置。根據試驗前繪制出溫升測試示意圖1 進行主回路的溫升測試點布置；然后再由柜體內部到外部進行操作手柄、成套設備內、主開關周圍、主母線周圍、外殼、距接端1 m 處的溫升測試點的布置；最后進行周圍空氣溫度測量點的熱電偶布置，用至少兩根熱電偶放在油杯中測量環境溫度，均勻分布在試品周圍，在試品高度的1/2 處、距離試品約為1 m 處放置[1]。

本試驗室采用熱電偶進行溫度測量，用鋁箔膠帶壓接和膠水粘貼的方法進行熱電偶的固定。熱電偶固定過程中要確保鋁箔和熱電偶與測試位置粘貼緊密牢固，以免測試過程中熱電偶脫落影響測量結果。

1.2.3 通電溫升試驗

熱電偶粘貼完畢后將開關均閉合，經檢查無異常后關閉柜門進行通電試驗。

先接通程控交流恒流源試驗電源，按照試驗要求進行試驗電流參數設定，然后進行參數調節，待試驗電流穩定后開始試驗。同時利用數據采集器和計算機實時監控試驗電流和采集到的溫度，并且記錄試驗數據，當溫升達到穩定后再記錄一組試驗數據，停止試驗。

1.3 溫升試驗數據

XL 型低壓動力配電柜經過5.5 h 的通電試驗后，各測量點的溫升均達到穩定值，通過計算得出XL型低壓動力配電柜傳統溫升試驗方法的溫升試驗數據，見表1。

表1 試驗實測溫升試驗結果

2 XL 型低壓動力配電柜的ANSYS 16.0 熱分析

2.1 溫度場模型的熱分析數據

對低壓動力配電柜進行建模前的結構簡化，要通過以下幾方面進行:

（1）根據低壓動力配電柜的結構特點及傳熱情況對模型進行網格劃分，將其轉化為有限單元，最后再對有限單元進行模擬仿真。

（2）根據XL 型低壓動力配電柜傳統溫升試驗測量點的要求，在模型中選取對應的溫度測量點，對這些點進行熱分析，計算出模擬仿真結果。

（3）XL 型低壓動力配電柜在運行過程中，內部各元器件產生的熱會在柜體內部產生對流，在熱分析過程中需要處理對流對整個溫度場的影響。

對XL 型低壓動力配電柜進行熱分析時，根據內部元器件的生熱機理及溫度場模型的要求，需要準備各種元器件制作材料的相關數據及施加載荷的數據，見表2。

表2 施加載荷數據

①相關元器件的材料

殼體:2.0 mm 冷軋鋼板。

試驗導線:聚氯乙烯絕緣導線；線芯材質：銅；外部防護層：聚氯乙烯；截面積：35 mm2和240 mm2。

主塑料外殼斷式路器：NM1-400S/3300；

分支回路塑料外殼式斷路器：NM1-125S/3300；

母線規格：主斷路器出線：TMY-8×30 mm2；

水平母線：TMY-5×50 mm2；

分支母線：TMY-3×15 mm2；

TMY-20×5 mm2。

②熱載荷數據

XL 型低壓動力配電柜在正常運行過程中，其殼體內外存在熱對流現象，因此在溫度場模型中需考慮熱對流。由于柜體內部結構簡單，各元器件的熱輻射影響較小，故忽略不計。

生熱率:PZ=7.89×105W/m3，PF=6.43×105W/m3，Pc=1.29×105W/m3，Ps=0.82×105W/m3，Pf=1.14×105W/m3。

③周圍環境溫度

由于XL 型低壓動力配電柜的傳統溫升試驗，現場環境溫度為25 ℃，因此在仿真試驗時選擇環境溫度為25 ℃，XL 型低壓動力配電柜邊界溫度:θc=25 ℃，斷路器表面溫度:θs=25 ℃。

2.2 構造實體模型

通過ANSYS 16.0 軟件對已經簡化處理后的XL 型低壓動力配電柜構建模型，進行網格劃分，并且對需要進行計算的節點運用軟件進行計算求解，計算出低壓動力配電柜的溫度分布模型。

運用ANSYS 16.0 有限元分析軟件對XL 型低壓動力配電柜內部溫度場分析的過程如下：利用XL型低壓動力配電柜的結構特點及各項性能指標，在ANSYS 16.0 軟件中搭建的有限元分析數學特征模型[2]。為了達到更加真實的效果，繪制出的模型與實際柜體結構保持一致。為了簡化溫度場模型，在建模過程中將對整體溫度影響較小的輔助電路儀器儀表及設備底部的N、PE 母線忽略不計。所以模擬仿真計算方法得到的結果，與傳統溫升試驗測量的結果存在一定的偏差，但是此偏差在標準允許的誤差范圍之內。

2.3 施加熱生成載荷及溫度的邊界條件

（1）根據實際發熱情況的不同可以將柜體內部的熱源分為以下5 種

①主塑料外殼式斷路器內部導體的生熱率PZ。

②主斷路器出線母線的生熱率Pc。

③水平母線的生熱率Ps。

④支路斷路器內部導電體的生熱率PF。

⑤分支回路斷路器進線母線的生熱率Pf。

（2）設置初始溫度

在進行傳統溫升試驗時，XL 型低壓動力配電柜樣機放置在25 ℃的試驗室環境中，由于長期放置使試品內各部位的溫度與環境溫度達到熱平衡狀態，即初始溫度等于環境溫度25 ℃。因此，將模擬仿真試驗的初始環境條件設定為25 ℃。

2.4 熱分析結果

通過定義材料屬性、構造實體模型、施加熱生成的載荷、定義邊界條件等過程后，對模型進行計算得到各節點的溫度分布圖。通過分析溫度分布圖發現開關設備的溫度分布主要分為兩大部分。其主要熱源集中在主斷路器、支路斷路器周圍，溫度相對較高。主斷路器溫度在81.7～84.9 ℃，主斷路器在整個柜體內最高，最高溫度84.9 ℃；支路斷路器進出線端溫度較高，母線連接處的溫度在69.7～73.9 ℃；金屬外殼、絕緣操作手柄的溫升在37.1～42.4 ℃。

金屬外殼表面的溫度分布比較均勻，各部分溫度相差不大。在柜體頂部主斷路器上方及柜體后覆板靠近主發熱點的位置溫度較高。

將各溫升試驗測試點從各個溫度場模型中提取出來，從而計算得出溫升值，模擬仿真計算的溫升結果見表3。

表3 模擬仿真計算的溫升結果

2.5 計算結果的分析

通過分析溫度分布云圖可以看出，XL 型低壓動力配電柜柜體中部的溫度比較高，其他部位溫度低。在靠近主發熱點的地方溫度最高，特別是主斷路器周圍的溫度最高。由于金屬外殼本身不發熱、且具有良好的導熱作用，有利于殼體內部的溫度及時向外傳遞，金屬殼體的溫度在整個測試點中最低。除主熱源區域外，其他區域的溫度在33～44 ℃，主斷路器周圍的溫度大概在43.9 ℃左右，支路斷路器周圍的溫度在33～41 ℃，這些區域的溫度均符合GB/T 7251.12—2013 規定的溫度要求。因此，輔助電路的儀器儀表均可以滿足使用條件，可以可靠運行。

3 傳統溫升試驗值與模擬仿真計算值的分析比較

為了能將傳統溫升試驗結果與模擬仿真結果更加直觀地表示出來，通過散點圖的方式繪制了兩條溫度變化曲線，如圖3 所示。

圖3 實測溫升與仿真計算溫升散點圖

通過圖3 實測溫升與仿真計算溫升散點圖可以看出，傳統溫升試驗實測值與模擬仿真計算值的曲線走勢基本相同，總體來看實測值略高于仿真計算值，個別的點仿真計算值等于或者略高于實測值，偏差范圍在0～3.2 ℃。在23 個測試點中，有2 個點10 號、12 號點實測值與仿真計算值完全相同；11號、14 號點的仿真計算值略高于實測溫升值，11 號點相差0.1 ℃，14 號點相差0.6 ℃；實測值略大于模擬仿真計算值且在2 ℃范圍內的點共有13 個；實測值與仿真計算值溫差在2～4 ℃的點共有4 個；2 號點的溫差最大，仿真計算值比實測值小3.2 ℃。

依據國家標準中對試驗數據可復現性≤10%的要求[2]。由此可以看出，XL 型低壓動力配電柜的傳統溫升試驗數據與模擬仿真計算值的偏差在標準要求的范圍之內，因此，模擬仿真方法在低壓動力配電柜溫升試驗中是可行的。

產生這種現象的原因有以下幾點：

（1）在傳統溫升試驗過程中，外接試驗導線在試驗過程中會發熱，對柜內溫度有一定影響，而模擬仿真過程中忽略了外接導線對整個柜體的影響。

（2）傳統溫升試驗過程中由于各連接處的緊固螺釘的連接力矩有所差別，可能造成個別部位接觸電阻增大，溫度升高。

（3）傳統溫升試驗過程中，導體中的電阻會隨著溫度的升高發生變化，而在模擬仿真計算過程中給導體施加了一個固定的接觸電阻值。

（4）傳統溫升試驗過程中熱電偶采用鋁箔紙粘貼，可能會因為粘貼不牢固而導致溫度偏低。

（5）用ANSYS 16.0 軟件進行模擬仿真時，通過為導體施加熱載荷的方式來模擬導體中通過電流產生的熱量，可能也會造成一定的誤差[3]。

4 結論

目前，在國內的所有第三方檢測機構中還沒有一家機構通過運用電腦軟件對低壓成套開關設備溫升試驗進行模擬仿真來代替傳統的溫升試驗。近幾十年來，傳統的溫升試驗方法有了很大的改變，但是還沒有從傳統的模式中完全擺脫出來，試驗過程依然比較繁瑣，需要消耗大量的人力資源、電能及時間。但是，目前低壓成套開關設備進入快速發展階段，各種集成化、智能化的新產品不斷涌現出來，低壓成套開關設備實現了智能化、自動化的發展。面對這些高科技新產品，現有檢測手段確實已經無法完全滿足產品發展的需要，不能為產品的高質量發展保駕護航。

為了探究解決以上問題的途徑，本研究首先通過傳統溫升試驗方法對XL 型低壓動力配電柜進行溫升試驗，測量出各測量點的溫升值；然后通過電腦模擬仿真的方法進行XL 型低壓動力配電柜溫升試驗，利用ANSYS 16.0 軟件仿真計算出各測量點的溫升值，最后將兩者進行比較分析，得出以下結論：

（1）通過ANSYS 16.0 軟件對XL 型低壓動力配電柜仿真計算得出的結果與傳統試驗結果的偏差在標準要求的范圍之內，說明此方法的可行性。

（2）模擬仿真方法克服了傳統溫升試驗需要消耗大量人力、電能及時間的弊端，為檢測機構節約出大量的人力資源和電能消耗，為試驗人員騰出大量時間進行試驗方法的研究和改進。

（3）模擬仿真在使用初期可以根據不同產品建立實體模型，在后續試驗中遇到同類產品只需調用已有模型，稍微修改個別參數即可使用，方便快捷。

（4）模擬仿真試驗可以直觀的生成整個柜體的溫度分布云圖，在輸出測量點溫度值的同時，可以直觀地觀測其他部位的溫度情況，了解設備整體的溫度分布情況，為企業的產品升級改進提供理論支撐。

在不久的將來，模擬仿真試驗將代替傳統的溫升試驗方法成為電器產品檢測的重要手段，并逐步推廣運用到整個檢驗檢測領域中去，為我國的電工電器產品的轉型升級和高質量發展做出巨大的貢獻。