一种高压开关柜的热效应仿真方法探讨
南瑞集团公司（国网电力科学研究院）、江苏南瑞帕威尔电气有限公司、上海置信电气股份有限公司的研究人员杜丽、丁永生、姜富修，在2017年第11期《电气技术》杂志上撰文指出，温升是衡量开关设备能否长期稳定运行的重要因素之一。
以典型结构KYN96-12的出线柜为例，探讨了进行高压开关柜热效应仿真分析的方法。首先将柜体有效简化，生成了合理的有限元模型；然后利用电磁仿真分析软件，对开关柜的发热功率进行了仿真分析；最后通过稳态热分析得到了开关柜导体的温度场数据。
试验数据验证了简化的开关柜模型是合理的，热仿真分析的方法是正确的。开关柜的仿真数据对其温升优化设计具有指导意义。
随着我国人民生活水平的不断提高，人们对供电的质量和可靠性要求越来越高。而随着城区配电网规模不断扩大，高压开关柜投运数量也相应增加，其运行情况对电网的可靠性影响巨大[1]。
温升是衡量开关柜类产品在额定电流工作下能否长期稳定运行的重要因素。随着开关柜小型化、模块化发展趋势，以及柜体设计紧凑且内部间隔防护等级较高等原因，开关柜散热环境较为恶劣[2]。
在开关柜实际运行中，由于局部过热现象严重导致的安全故障很多。发热问题解决得不好，会导致开关柜内设备提前老化，以致出现主绝缘击穿、造成设备损坏和用户停电[3]。
目前，许多学者、同行对开关柜的生热、传热及温升情况进行了模型构建及分析研究。文[4]对开关柜温升试验的方法进行了研究，提出了一种采用单面开关柜等效测量温升代替并柜测量的方法并验证了方法的可行性。
文[5]在大量温升数据的基础上，用最小二乘法对断路器触头部位进行曲线拟合，得到二次多项式表示的温升模型。研究结果表明，该温升模型可为不同负载下的温升预测提供依据。
更多的学者通过仿真分析软件或建立微积分方程的数学模型对一次设备的触头、断路器、母线及电缆进行了传热、温升的数值仿真分析[6-12]。然而，大多研究对象都是针对局部组件，而对开关柜整体的热损耗、温升等综合效应分析较少，因此，有必要开展开关设备整体热效应仿真分析方法的研究。
1 开关柜发热机理
高压电器的热源主要来自三方面：一是电流通过导体产生的电阻损耗；二是铁磁体内产生的涡流、磁滞损耗；三是交流电器绝缘体内产生的介质损耗[13]。
通过导体的磁场随时间变化，导体中会产生感应电动势和感应电流。感应电流在导体中形成闭合回路，这种感应电流称为涡流，它将产生损耗[14]。涡流对通电导体的影响表现为集肤效应，开关柜壳体上的欧姆损耗也是由涡流引起的。
电介质损耗大小与电压成正比，10kV开关柜主回路电压产生的电介质损耗很小。计算和实验证明在中压范围内，除电力电容器外，无需考虑介质损耗[5]。
所有损耗产生的热能一部分散失到周围介质中 , 一部分导致整个电器的温度升高[16]。经过很长时间，温度升高趋于稳定值，即“稳定温升”状态。
2 开关柜有限元模型建立
研究开关柜的温升仿真 , 首先应合理的简化模型,求解出开关柜的发热功率，才能进一步对温度场进行仿真计算。
高压开关柜元器件众多，壳体结构复杂。如何将模型合理简化，使得导入仿真软件的模型便于仿真计算，又能够正确反映整体结构的发热情况，是开关柜发热仿真分析的难点。下面以市场应用较多的典型结构KYN96-12出线柜为例，探讨模型简化并进行热仿真分析。
2.1 柜内元器件模型简化
KYN96-12出线柜内元器件主要有断路器、电流互感器、接地开关、铜排等。由于柜内电流互感器均采用浇注绝缘式结构，装有绝缘外壳，且温升要求已有明确规定，其有限的发热量对于整体温度场分布影响较小，可不作考虑。接地开关在通常情况不投运，故也忽略[1]。
开关柜通电导体由主母排、分支排、静触头、断路器导体构成，由于装配、优化电场分布需要，导体零件上面包含圆孔、腰圆孔、圆角等设计。
通过电磁仿真软件计算分析，圆角铜排与同规格矩形铜排的欧姆损耗误差在2%左右，为方便高效的进行仿真分析，采用矩形铜排结构建立铜排的仿真模型；螺栓对铜排欧姆损耗的影响误差不大于2%，为减小计算量在此也将螺栓忽略。简化后的开关柜导体模型如图1。
图1 简化的导体模型
断路器导体部分的梅花触头结构复杂。为便于进行仿真计算，采用简单的轴对称零件替代梅花触头模型。轴对称零件按照实际回路电阻、欧姆损耗分布、总体体积、表面散热面积等因素相一致的原则进行建模。
图2、图3分别给出了A相导体简化前后的欧姆损耗分布云图。
图2简化前欧姆损耗分布
图3简化后欧姆损耗分布
经试验测量与软件仿真对比，简化后建立的开关柜导体模型，其回路电阻值与实际测量值基本一致。模型中互相接触的导体，按照理想光滑平面相接触简化处理。表1数据表明，A相导体简化模型的回路电阻值与实测数据一致，误差非常小。
表1 A相导体的电阻值
2.2开关柜壳体模型简化
装配式结构的开关柜壳体更加复杂。建立壳体模型时忽略紧固件、几乎不影响生热散热的小零部件如扎线板、护线板、导轨、防护板等；忽略钣金件的安装孔、折边；并将门板简化为平板；将仪表室简化为立方体外壳。
柜体的尺寸为2240mm×800mm×1500mm（高×宽×深），按照实际结构尺寸建立的开关柜壳体模型如图4。
图4 简化的壳体模型
3开关柜热仿真分析
3.1 开关柜热源计算
使用Infolytica磁场分析模块MagNet的时谐场对开关柜模型进行损耗计算。假设出线柜的额定电流为1250A，仿真时给导体施加1.1×1250 A的有效值电流，频率为50Hz，计算收敛误差设置为1%。导体材料为铜，壳体材料为钢，母线套管安装板及电缆拼板材料为铝。
图5、图6分别为导体部分和外壳表面的欧姆损耗分布云图。图7为隐藏侧板、顶板后开关柜总体的欧姆损耗分布云图。
图5表明，导体中欧姆损耗功率最大处为开关柜的动触头处。图6、图7表明，外壳上的欧姆损耗功率大小与导体的位置有关，远离导体的位置损耗最小；由于涡流的影响，母线套管安装板与触头盒安装板是壳体中欧姆损耗功率最大的。
图5 导体上的欧姆损耗
图6 壳体上的欧姆损耗
图7 开关柜总体的欧姆损耗
电磁仿真分析得到的开关柜导体与壳体上的欧姆损耗总功率列于表2。从表2数据可以看出，导体部分的欧姆损耗总功率约为392W，壳体上的欧姆损耗总功率约为109W。壳体上的欧姆损耗约占出线柜总欧姆损耗的22%。
表2 开关柜的欧姆损耗总功率
3.2 开关柜导体温度场仿真
对开关柜导体模型进行电磁分析后，将得到的损耗数据导入ThermNet热分析模块，进行导体部分的稳态温升计算。
由于散热环境不同，分支排、动静触头等部位的的对流换热系数各不相同。KYN96－12的出线柜无风机，内部为自然对流换热方式，其对流换热系数可由流体分析软件计算得出[16-19]，也可结合稳态热分析和自然对流换热实验关联式经过迭代计算得出[20]。
根据文[20]提出的迭代计算方法得到上分支排的对流换热系数为3，下分支排的对流换热系数为6，触头盒内的动静触头对流换热系数为2。并设置导体辐射散热系数为0.2；环境温度为22℃（后述温升试验环境温度）。
热仿真分析得到的温升分布如图8。分布云图表明，断路器极柱温升最高，母排外端温升最低。触头处A相温升最大，B相次之，C相最小；上触头处的温升大于下触头处温升。仿真分析得到的温升分布趋势符合实际情况。
图8 导体的温升仿真
三相导体温升仿真数据及22℃环境温度下的温度场试验数据见表3。表3数据表明，仿真数据与温升试验数据具有较好的一致性。仿真数据的最大误差为3℃，位于A相上分支处。
表3 开关柜导体的温度
4结论
1）介绍了通过简化结构而建立有限元仿真模型的方法，经回路电阻分析仪测量，仿真模型中的导体各部分电阻值都与实测值基本一致。
2）阐述了对开关柜仿真模型进行电磁－温度场间接耦合分析的过程，给出了开关柜损耗（即热源）分布以及导体部分的温升分布。温升试验结果表明，仿真数据与试验数据基本吻合。
3）流体分析软件适合对局部零部件进行精确的流-固耦合分析，从而得到各部件的散热系数。稳态热分析计算快捷，根据各部件的散热系数可简便的设置求解条件，适合进行开关柜等复杂装配体的整体温度场仿真分析。仿真分析得到的温升结果对开关柜的温升优化设计具有指导意义。