杨 欢

（大同同中电气有限公司， 山西 大同 037305）

引言

开关柜是进行电力输送及配电网系统的基础设备，集多种电气开关、母线及测量保护装置于一体。随着对电力系统稳定性及智能化程度的要求提高，适用于智能电网的智能开关柜成为电网发展的要求。智能开关柜依据系统的状态监测及故障诊断功能，当用户端出现故障时，开关柜能及时动作[1]，切断故障源电路，并能够对用户发出报警信息，从而满足智能电网的使用需求。在新型智能开关柜的设计过程中，由于开关柜中的元器件数量增多，且传输的电流一般较大[2]，造成开关柜内的温升较多，不仅影响母线的最大承载电流，同时由于发热容易降低柜内材料的绝缘性能[3]，影响电流输送的稳定性。针对新型智能开关柜的设计，采用数值仿真分析的形式对影响开关柜主要温升的结构因素，包括母线的垂直距离、母线的偏转角度及进口的平均风速进行分析[4]，从而在结构设计上减小开关柜的温升，通过对母线的布置及进口风速的选择提高开关柜的综合设计水平，提高智能开关柜供电的稳定性。

1 智能开关柜数值分析模型的建立

对影响开关柜温升的主要参数进行结构综合优化设计，采用数值仿真的方式对其热流耦合场进行分析。选取所分析开关柜的主体结构，如图1 所示，开关柜的求解域包括母线、开关柜外壳及开关柜内空气，设定空气为理想的气体[5]，其各项参数保持稳定，对开关柜内的三相母线温度达到稳定状态时进行分析，开关柜外壳及母线的密度、导热系数等均为常数。

图1 开关柜求解域的组成（单位：mm）

采用流体力学仿真的形式对开关柜体内的温升进行分析，将开关柜通风进口设置为速度进口，通风进口速度为温升分析的平均值，通风出口设置为压力出口，采用压力- 速度耦合的Couple 算法对开关柜的热流耦合场进行分析[6]，设定进口的平均速度为0.24 m/s，温度为298.4 K，压力出口的回流温度为298.4 K，开关柜的外壳辐射发射率为0.3，采用自由网格的形式对模型进行网格划分处理[7]，将母线间垂直距离、母线偏转角度及通风进口的平均速度作为影响温升的结构因素进行开关柜的温升变化仿真分析。

2 智能开关柜综合设计数值结果分析

对影响开关柜的主要结构因素采用数值模拟的形式进行分析，在三种不同的影响因素中，以两两组合的形式对开关柜的温升进行响应分析。当通风进口的平均速度为1.24 m/s 时，得到母线间垂直距离及母线偏转角度对母线表面温升的综合影响如下页图2所示。从图2 中可以看出，以B 相母线的温度变化为例，B 向母线的表面温度随着母线间垂直距离的增加而降低，且在母线的偏转角度较大时温度的下降速率较快，而母线偏转角度较小时的温度下降速率较慢。这说明，在通风进口速度一致的情况下，母线间的垂直距离越大，则相邻的母线之间相互形成热耗散作用越小[8]，母线自身形成的对流散热的通道越大，由此母线表面的温度随着母线间垂直距离的增加而减小。在母线的偏转角度较小时，母线与周围环境之间形成的散热气流难以及时有效地从出口排出，造成母线偏转角度较小时母线表面的温度下降速率较慢，而当母线的偏转角度增加时，则母线形成的散热气流能较快地从出口排出，从而使得母线表面的温度下降较快。

图2 垂直距离及偏转角度对母线表面温度变化的影响

当母线间垂直距离为100 mm 时，得到母线偏转角度及通风进口平均风速对母线表面温升的综合影响如图3 所示。从图3 中可以看出，在母线偏转角度较大或者较小时，母线的表面平均温度随着通风进口平均风速的增加而呈减小的趋势，且在不同的母线偏转角度下，母线随着进口风速变化的温度降低的速率基本一致[9]，这是由于增加进口的通风速度，则对母线的对流换热能力增强，使得母线的偏转角度对母线温度的影响减弱。同时，母线表面的平均温度会随着母线偏转角度的增加呈先降低再升高的趋势，这是由于在进口通风速度一致时，母线偏转角度的增加[10]，母线与外界的冷却空气进行热交换的时间呈增加再减小的趋势，但这个过程整体较短，对母线温度的减弱作用有限。在母线的垂直距离一定时，通风进口的风速对母线表面温度的影响作用要大于母线偏转角度。

图3 偏转角度及通风进口速度对母线表面温度变化的影响

当母线偏转角度为45°保持恒定时，得到母线间垂直距离及通风进口平均风速对母线表面温升的综合影响如图4 所示。从图4 中可以看出，母线表面的平均温度随着进口通风速度的增加而降低，且在母线间的垂直距离较大时温度下降的速率要小于母线间垂直距离较小时的下降速率。在母线间的垂直距离较大时，受到的相邻的母线间的热耗散作用较小，此时的降温效率较小[11]。母线间的表面平均温度随着母线间垂直距离的增加而减小，母线间的垂直距离较小时，对母线的散热通道的形成造成影响，不利于空气的散热，母线间垂直距离的增加有利于提高母线的对流散热能力。母线间垂直距离过大时，则母线与周围环境的温度差小于垂直距离时，使得母线在间距过大或过小时温度下降的速率有一定差异。

图4 通风进口速度及垂直间距对母线表面温度变化的影响

3 结语

随着供配电技术的发展，对电网开关柜的智能化程度要求越来越高，且大功率输电的发展，开关柜也向着大电流方向发展。在实现智能化开关柜控制的过程中，大电流开关柜的温升是进行开关柜设计考虑的重要课题。针对开关柜的发热源母线的温升，采用流体力学仿真分析的形式，对影响温升的主要结构因素，包括母线间的垂直距离、母线偏转角度及通风进口的速度进行分析，从而优化开关柜设计的结构，提高对供配电的稳定性。采用数值模拟的方式对影响因素进行两两分析，结果表明，在三种结构因素中，母线间的垂直距离、母线偏转角度及通风进口平均速度对母线表面温度的影响作用相互影响。综合来看，母线的垂直距离及通风进口的平均速度对母线表面温度的影响作用要大于母线偏转角度，这是由于母线偏转角度对温度变化影响的作用时间较短。在进行智能开关柜设计的过程中，应对影响温升的因素进行综合分析，在三者之中，首先对母线间垂直距离及通风进口的平均速度进行分析，然后对母线的偏转角度进行分析，从而提高智能开关柜结构的设计水平，保证供电的稳定性。