新型智能開關柜的綜合設計分析

楊 歡

（大同同中電氣有限公司， 山西 大同 037305）

引言

開關柜是進行電力輸送及配電網系統的基礎設備，集多種電氣開關、母線及測量保護裝置于一體。隨著對電力系統穩定性及智能化程度的要求提高，適用于智能電網的智能開關柜成為電網發展的要求。智能開關柜依據系統的狀態監測及故障診斷功能，當用戶端出現故障時，開關柜能及時動作[1]，切斷故障源電路，并能夠對用戶發出報警信息，從而滿足智能電網的使用需求。在新型智能開關柜的設計過程中，由于開關柜中的元器件數量增多，且傳輸的電流一般較大[2]，造成開關柜內的溫升較多，不僅影響母線的最大承載電流，同時由于發熱容易降低柜內材料的絕緣性能[3]，影響電流輸送的穩定性。針對新型智能開關柜的設計，采用數值仿真分析的形式對影響開關柜主要溫升的結構因素，包括母線的垂直距離、母線的偏轉角度及進口的平均風速進行分析[4]，從而在結構設計上減小開關柜的溫升，通過對母線的布置及進口風速的選擇提高開關柜的綜合設計水平，提高智能開關柜供電的穩定性。

1 智能開關柜數值分析模型的建立

對影響開關柜溫升的主要參數進行結構綜合優化設計，采用數值仿真的方式對其熱流耦合場進行分析。選取所分析開關柜的主體結構，如圖1 所示，開關柜的求解域包括母線、開關柜外殼及開關柜內空氣，設定空氣為理想的氣體[5]，其各項參數保持穩定，對開關柜內的三相母線溫度達到穩定狀態時進行分析，開關柜外殼及母線的密度、導熱系數等均為常數。

圖1 開關柜求解域的組成（單位：mm）

采用流體力學仿真的形式對開關柜體內的溫升進行分析，將開關柜通風進口設置為速度進口，通風進口速度為溫升分析的平均值，通風出口設置為壓力出口，采用壓力- 速度耦合的Couple 算法對開關柜的熱流耦合場進行分析[6]，設定進口的平均速度為0.24 m/s，溫度為298.4 K，壓力出口的回流溫度為298.4 K，開關柜的外殼輻射發射率為0.3，采用自由網格的形式對模型進行網格劃分處理[7]，將母線間垂直距離、母線偏轉角度及通風進口的平均速度作為影響溫升的結構因素進行開關柜的溫升變化仿真分析。

2 智能開關柜綜合設計數值結果分析

對影響開關柜的主要結構因素采用數值模擬的形式進行分析，在三種不同的影響因素中，以兩兩組合的形式對開關柜的溫升進行響應分析。當通風進口的平均速度為1.24 m/s 時，得到母線間垂直距離及母線偏轉角度對母線表面溫升的綜合影響如下頁圖2所示。從圖2 中可以看出，以B 相母線的溫度變化為例，B 向母線的表面溫度隨著母線間垂直距離的增加而降低，且在母線的偏轉角度較大時溫度的下降速率較快，而母線偏轉角度較小時的溫度下降速率較慢。這說明，在通風進口速度一致的情況下，母線間的垂直距離越大，則相鄰的母線之間相互形成熱耗散作用越小[8]，母線自身形成的對流散熱的通道越大，由此母線表面的溫度隨著母線間垂直距離的增加而減小。在母線的偏轉角度較小時，母線與周圍環境之間形成的散熱氣流難以及時有效地從出口排出，造成母線偏轉角度較小時母線表面的溫度下降速率較慢，而當母線的偏轉角度增加時，則母線形成的散熱氣流能較快地從出口排出，從而使得母線表面的溫度下降較快。

圖2 垂直距離及偏轉角度對母線表面溫度變化的影響

當母線間垂直距離為100 mm 時，得到母線偏轉角度及通風進口平均風速對母線表面溫升的綜合影響如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在母線偏轉角度較大或者較小時，母線的表面平均溫度隨著通風進口平均風速的增加而呈減小的趨勢，且在不同的母線偏轉角度下，母線隨著進口風速變化的溫度降低的速率基本一致[9]，這是由于增加進口的通風速度，則對母線的對流換熱能力增強，使得母線的偏轉角度對母線溫度的影響減弱。同時，母線表面的平均溫度會隨著母線偏轉角度的增加呈先降低再升高的趨勢，這是由于在進口通風速度一致時，母線偏轉角度的增加[10]，母線與外界的冷卻空氣進行熱交換的時間呈增加再減小的趨勢，但這個過程整體較短，對母線溫度的減弱作用有限。在母線的垂直距離一定時，通風進口的風速對母線表面溫度的影響作用要大于母線偏轉角度。

圖3 偏轉角度及通風進口速度對母線表面溫度變化的影響

當母線偏轉角度為45°保持恒定時，得到母線間垂直距離及通風進口平均風速對母線表面溫升的綜合影響如圖4 所示。從圖4 中可以看出，母線表面的平均溫度隨著進口通風速度的增加而降低，且在母線間的垂直距離較大時溫度下降的速率要小于母線間垂直距離較小時的下降速率。在母線間的垂直距離較大時，受到的相鄰的母線間的熱耗散作用較小，此時的降溫效率較小[11]。母線間的表面平均溫度隨著母線間垂直距離的增加而減小，母線間的垂直距離較小時，對母線的散熱通道的形成造成影響，不利于空氣的散熱，母線間垂直距離的增加有利于提高母線的對流散熱能力。母線間垂直距離過大時，則母線與周圍環境的溫度差小于垂直距離時，使得母線在間距過大或過小時溫度下降的速率有一定差異。

圖4 通風進口速度及垂直間距對母線表面溫度變化的影響

3 結語

隨著供配電技術的發展，對電網開關柜的智能化程度要求越來越高，且大功率輸電的發展，開關柜也向著大電流方向發展。在實現智能化開關柜控制的過程中，大電流開關柜的溫升是進行開關柜設計考慮的重要課題。針對開關柜的發熱源母線的溫升，采用流體力學仿真分析的形式，對影響溫升的主要結構因素，包括母線間的垂直距離、母線偏轉角度及通風進口的速度進行分析，從而優化開關柜設計的結構，提高對供配電的穩定性。采用數值模擬的方式對影響因素進行兩兩分析，結果表明，在三種結構因素中，母線間的垂直距離、母線偏轉角度及通風進口平均速度對母線表面溫度的影響作用相互影響。綜合來看，母線的垂直距離及通風進口的平均速度對母線表面溫度的影響作用要大于母線偏轉角度，這是由于母線偏轉角度對溫度變化影響的作用時間較短。在進行智能開關柜設計的過程中，應對影響溫升的因素進行綜合分析，在三者之中，首先對母線間垂直距離及通風進口的平均速度進行分析，然后對母線的偏轉角度進行分析，從而提高智能開關柜結構的設計水平，保證供電的穩定性。