戶外箱式電容器的散熱優化設計

張元, 王碩

(思源電氣股份有限公司, 上海 201108)

0 引言

箱式電容器全稱箱式高壓并聯電容器無功補償成套裝置, 是在柜式高壓并聯電容器無功補償裝置的基礎上采用預裝式箱變形式外殼以適應戶外使用的新產品, 具有自動調節母線電壓、 補償無功功率、 提高電壓合格率和功率因數的功能, 同時具有占地面積小、 現場施工周期短、 標準化程度高的特點[1]。 隨著碳中和的目標在全球范圍內成為共識,電力基礎設施建設迎來了較大發展, 箱式電容器因其獨特優勢得到廣泛應用, 且向著高電壓、 高容量的方向發展[2－3]。

影響風冷冷卻性能的主要因素包括風速、 環境溫度、 進出風口位置等。 國內目前有使用箱體內集中風道進行熱源冷卻的, 但結構較復雜； 有使用箱體內吹風結構進行冷卻的, 但對箱體內溫度均勻性有影響。 還有國外學者提出了一種利用超薄均溫板進行風冷冷卻的方法, 但風壓偏大時, 器件使用的可靠性可能會受到影響[4]。 本文設計一種箱體,散熱方式簡單, 方便供應商生產與售后維護, 對電容器裝置的穩定運行、 設備壽命顯得尤為重要。

1 戶外箱式電容器散熱設計

戶外箱式電容器是把進線隔離開關、 斷路器、調容調抗開關、 電抗器、 電容器、 保護裝置等按一定的接線方式組裝成一體的預制、 緊湊式的戶外設備。

以某公司戶外箱式11 kV 6 000 kvar 箱式電容器為例, 箱體尺寸為5 600 mm×2 250 mm×2 450 mm,箱體內布置三相共30 臺電容器和9 臺電抗器, 戶外箱式電容器布置示意如圖1 所示。

圖1 戶外箱式電容器布置示意

箱體為戶外安裝使用, 要求箱體滿足IP54 防護等級要求。 同時設備需在最高溫度為55 ℃時正常運行, 因此箱體需配備風機, 以便對箱體內設備通風散熱[5]。 根據以上要求, 對箱體的散熱防塵設計如下方案:

1) 采用頂出風方案, 頂蓋四周出檐加寬至150 mm, 頂蓋中間高度150 mm, 四周高度100 mm,同時在頂蓋內按照擋水要求, 增加兩道各30 mm高的擋水板。

2) 出風口采用雙層結構, 下層多孔板為單排長條孔, 孔尺寸為70 mm×5 mm, 間距5 mm； 上層為鋼絲網, 建議孔徑為1 mm, 其中長度方向多孔板總長度5 000 mm, 深度方向多孔板總長度1 500 mm。

3) 在電容器上方布置5 臺風機, 每臺風量800 m3/h, 建議型號為F2E－320B－230。

4) 進風口過濾器選用LK3327.300 (滿足IP54 防護等級), 過濾器內側尺寸為289 mm×289 mm。 每兩列電容器的長邊兩側各安裝1 個進風口過濾器進風, 共安裝10 個, 如圖2 所示。 過濾器離地距離約250 mm, 如圖3 所示。 進風口外側防護罩按照深度150 mm 設置, 進風口濾網按照12 mm 厚度25PPI 防塵海綿設置, 內側導風板設置為深度100 mm、 高度150 mm 的斜板。

圖2 箱式電容器散熱結構

圖3 過濾器照片及尺寸

箱頂安裝風機, 型號為F2E－320B－230, 滾珠軸承, 布置位置對應電容器位置, 風機參數見表1。

表1 風機參數

頂部風機的安裝方式為箱體內部由下向上固定, 進風口過濾器防塵海綿可以從門內進行拆卸清洗更換, 出風口處網板為分段式鋼絲網板框, 可以在箱體外部進行拆卸, 如圖4 所示[6]。

圖4 可拆卸的出風口網板

2 散熱仿真計算

在該箱體散熱過程中, 熱量從電容器、 電抗器表面由冷卻風從箱體頂部傳遞到外界。 在整個熱量傳遞的過程中流體遵循質量守恒、 熱量守恒及能量守恒的定律。

求解時, 首先將連續空間割裂成一個個小塊,每一個小塊相當于一個控制體(這個過程在仿真軟件中就是生成網格的過程)。 在一個控制體內,凈流入的物質質量將導致物體密度的變化, 而凈流入的能量則導致物體溫度的變化, 即每個控制體都必須滿足質量守恒定律和能量守恒定律。 流速的變化, 則是依據動量定理得出的, 即物體在單位時間內某方向上動量的變化與受到的沖量值相同。 通過有限元法求解這些守恒方程來實現對傳熱過程的數值分析, 過程中需要求解幾個公式[7－10]。

傳熱過程中熱流量可表示為:

式中,Φ表示傳遞的熱流量；A表示傳熱面積； Δt表示熱流體和冷流體之間的傳熱溫差；K表示傳熱系數。

1) 連續性方程

連續性方程由質量守恒定律推導得出, 即單位時間內流體控制體中的質量增量等于流入控制體的凈質量。

式中,ρ為密度；u、v、w分別為速度在x、y、z方向上的分量。 假設該流動為理想狀況下的穩態流動, 流體物性參數不隨時間改變, 且密度為常數,上述方程可轉化為:

2) 動量方程

動量方程由牛頓第二定律(F＝ma) 推導而出, 即控制體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該控制體上的各種力之和。

對于黏性為常數的不可壓縮流體, 動量方程為:

式中,ν為流體的運動粘度；p為控制體上的壓力；U為速度。

3) 能量方程

控制體中能量的增加率等于進入控制體的凈熱流量加上體力與面力對控制體所做的功, 即熱力學第一定律。 流體的能量E通常由內能i、 動能EK＝(u2＋v2＋w2)/2 和勢能EP組成, 且i＝cpT, 溫度T為變量時, 可得:

式中,λ為流體的導熱系數；ST為流體內熱源與因流體黏性作用而使機械能轉為熱能的部分。

在電子產品熱仿真中, 發熱元器件一般是固體, 產熱速率值就表示了單位體積內發熱元件產生的功耗。 由此可見, 電子產品產熱速率值的準確性直接影響求解結果的精度。 電子產品熱仿真中, 絕大多數都是關注設備達到穩定狀態時的溫度表現,這時, 溫度已不再隨時間變化而變化[11]。

在這些前提下, 固體內部的溫度方程中不再包含密度和比熱容這兩個物性參數, 因此可以不予賦值。 而即便是穩態的情景, 流體的溫度方程中也會包含密度和比熱容(流體流動項無法忽略), 因此所有的情景中流體的這兩個物性參數都要設定。

計算之前, 先將整個產品的求解區域裂解成許多個控制體, 控制體與相鄰控制體之間就可以根據上述定律構建耦合關系。 求解時, 先根據初始化時的數值進行耦合計算, 物理量在滿足上述定律的前提下逐個傳遞。 當傳遞至邊界時, 由于邊界上的條件是已知的, 就可以校驗傳遞過來的數值與已知邊界條件之間的誤差[12－15]。

2.1 計算模型

對直通風散熱箱體建立如圖5 所示模型, 箱體頂蓋出風, 箱頂5 臺風機向外抽風, 箱體長邊的10 個進風口向柜內進風為電容器散熱。

電容器和電抗器的數量和功耗見表2。 由于電抗器自然散熱可滿足要求, 因此電抗器簡化為方形結構, 只考慮其對箱體的加熱效應。 電容器簡化為均勻熱源, 導熱系數按照實際電容器導熱特性, 設置為各向異性導熱材料。

表2 電容器和電抗器功耗

2.2 邊界條件

電容器箱體為多層結構, 內部安裝有保溫棉,按照保溫棉物性參數設置。 電容器本身按照不銹鋼設置, 考慮到自然散熱需要進行輻射散熱計算, 且電容器和箱體表面均做噴漆等處理, 兩種材料輻射系數均設置為0.9。 兩種材料屬性見表3[16]。

表3 材料特性

電容器安裝在箱體內, 由于箱體內為強迫風冷散熱, 因此計算區域設置與箱體基本一致, 計算區域模型如圖6 所示。 環境溫度為55 ℃, 大氣壓強為101 325 Pa。 最大網格尺寸50 mm, 最小網格尺寸0.68 mm, 最大細長比22, 網格數量844 萬個。

圖6 計算區域模型

2.3 計算判據

電容器芯子溫度需低于80 ℃, 按照型式試驗測試結果和大容量油浸式電容器的計算結果, 電容器表殼最高溫度與芯子溫度差不超過10 ℃, 因此表殼溫度低于70 ℃可以滿足散熱要求。

3 仿真結果及分析

采用仿真軟件進行箱體的溫升仿真分析, 采用標準k－ε模型進行流場計算, 傳熱計算考慮輻射換熱影響。

電容器表面最高溫度為64.4 ℃, 可以滿足電容器散熱要求, 電容器組表面溫度分布如圖7所示。

圖7 電容器組表面溫度分布

箱體頂部5 臺風機總風量為4 000 m3/h, 正常工作時的箱體平均流動阻力為44 Pa。 此時箱體側面每個進風口風速分布均勻, 最大風速1.59 m/s,通過進風口過濾網的最大風速盡量控制在1.70 m/s以內, 以延長防塵網的維護周期。

不同因素影響下的仿真結果表明: 1) 在一定的條件下, 風速的提高可以明顯提升箱體內器件的冷卻效果； 2) 進風口過濾器選擇12 mm 厚度的25PPI 防塵海綿, 進風口過濾網的最大風速為1.59 m/s, 可以延長防塵網的維護周期； 3) 在進風口設置導風板, 對箱體內部溫度均勻性效果好。

箱式電容器在55 ℃環境溫度下的電容散熱要求: 電容表面最高溫度不超過65 ℃； 如最高環境溫度升至60 ℃, 此時電容表面最高溫度不超過70 ℃, 仍可滿足散熱要求。 進風口過濾器安裝在箱體長邊兩側, 安裝位置如圖8 所示, 每個過濾器正對電容器列[17－19]。

圖8 進風口位置示意

4 結語

本文根據主要元器件發熱量對戶外箱式11 kV 6 000 kvar 箱式電容器分析, 選擇頂出風散熱方式,通過理論計算得出散熱風扇所需風量, 進行進出風口、 主要發熱元器件電容器和電抗器、 風機的合理布置, 在進風口設置導風板； 按照實際情況建立仿真計算模型, 控制進風口風速, 以增大防塵網的維護周期。 根據仿真結果, 箱體內部的氣流流向與設計一致, 在高溫下能滿足設備工作溫度的要求, 可以判定箱體的散熱設計合理, 從工程應用現場狀況來看運行情況良好。

本文探討的整套箱體散熱設計流程, 主要包括理論計算與仿真驗證兩部分, 仿真計算能夠對理論計算的結果進行有效地校核, 同時能夠為設計優化提供指導意見。 散熱設計方案考慮箱體IP54 防護性能, 且方便現場進出風口濾網維護, 能夠有效保證設備穩定運行。