02.27 基於ANSYS Workbench的封閉開關櫃穩態熱仿真分析

高壓開關櫃櫃體封閉，負荷電流大，櫃體內部散熱性差，設備發熱問題較為嚴重。而封閉式高壓開關櫃箱體的溫度是其內部元件運行狀態分析的主要依據。已有對櫃內基於載流元件溫度的故障檢測研究，文獻[1]介紹了運用於開關櫃的若干種測溫方法及其優缺點。與蠟片變色測溫的操作簡單、準確度低相比，光纖光柵技術的準確性穩定性高、價格昂貴，推廣難度大

為了更好針對封閉開關櫃的內部熱故障精準運維，本文提出基於有限元的開關櫃仿真。首先，通過三維繪圖軟件SolidWorks建立開關櫃模型，再利用有限元方法對此模型溫度場進行仿真分析，得到不同負載電流情況下開關櫃櫃體溫度變化情況。之後，利用紅外熱成像儀對10 kV封閉內開關櫃的櫃體溫度進行測量，將仿真溫度與紅外溫度進行比較，驗證模型的準確性，為開關櫃故障診斷奠定基礎。

1 基於SolidWorks的開關櫃模型構建

1.1 KYN28-12開關櫃結構

目前，在供電系統中，投入運行的開關櫃主要是XGN型開關櫃及KYN型開關櫃。KYN型高壓開關櫃由於操作方便、載流量大、結構完善，已經成為高壓開關櫃的主流產品。本文就主要針對KYN28-12開關櫃進行研究。

KYN28-12開關櫃是3.6~12 kV三相交流50 Hz的戶內成套配電裝置，用於接收和分配網絡電能並對電路實行控制保護及監測。其模型結構相對複雜，主要分為母線室、斷路器手車室、電纜室、繼電器儀表室四個部分，其櫃內結構如圖1所示。

1.2 開關櫃模型建立

利用ANSYS Workbench進行有限元仿真時，可利用軟件本身包含的Design Model平臺建立開關櫃3D模型。但是考慮到開關櫃結構的複雜性以及在DM平臺上建模的複雜性，為提高建模的速度和準確度，本文將SolidWorks與ANSYS Workbench建立好接口，先使用SolidWorks三維繪圖軟件對開關櫃進行建模，畫出開關櫃的3D模型，再將模型導入ANSYS Workbench有限元軟件中。

開關櫃內部包含了許多零部件，其尺寸差異較大，因此需要對開關櫃進行簡化，得到的簡化模型如圖2所示。

2 熱傳遞理論

開關櫃在工作時所產生的熱能與載流導體中通過的電流有關。載流導體中存在電阻，根據焦耳定律Q=I2Rt（其中Q為產生的熱量，I為通過導體截面的電流大小，R為電流通過的材料的阻值，t為時間），當電流通過載流導體時，將會產生熱能，一部分熱能會傳遞到周圍介質中，一部分會使開關櫃中零件溫度升高。

開關櫃的傳熱包括熱傳導、熱對流、熱輻射。熱輻射是指物體發射電磁能，並被其他物體吸收轉變為熱的能量交換過程。溫度越高，輻射出的總能量就越大。一般情況下，開關櫃即使出現熱故障，溫度也不會達到幾百攝氏度。因此，熱輻射對開關櫃的影響並不大，本文將忽略此因素對溫度的影響。

熱傳導是指物體各部分或不同物體之間由於溫度梯度所引起的內能的交換。只要物體存在溫度差異，為了平衡這種溫度差異，就會有熱傳導產生，遵循傅里葉定律，其關係式為：

式中，P_k為傳導功率（W），A_k為熱傳導物體截面（m

熱對流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間由於溫差的存在引起的熱量交換。熱對流用牛頓冷卻方程來描述，其關係式為：

式中，q為熱流量（W），h_j為對流傳熱係數（W/m²），A_j為壁面面積（m²），T_S為物體表面溫度（℃），T_B為周圍流體溫度（℃）。

上述的傳熱方式其根本都是能量的傳遞，遵循能量守恆定律。對於一個封閉的系統（沒有質量的流入或流出）,有：

式中，Q為熱量，W為做功，ΔU為系統熱力學能，ΔKE為系統動能，ΔPE為勢能。

對於大多數工程傳熱問題：

通常考慮沒有做功，即W=0，則Q=ΔU。

熱分析分為穩態熱分析和瞬態熱分析。若熱能流動不隨時間而變化，則熱傳遞是穩態的。穩態熱分析中流入系統的熱量與流出的熱量相等，用公式表示為Q=ΔU=0。瞬態熱分析中系統的溫度場隨時間變化明顯，流入或流出的熱傳遞速率q用公式表示為q=dU/dt。利用紅外熱像儀拍攝紅外圖片時，開關櫃已經處於熱平衡狀態，因此本文針對的熱分析為穩態熱分析。

3 有限元仿真

3.1 有限元簡介

有限元方法是由COURANT R於1943年首次提出並在20世紀50年代由航空結構工程師們所發展起來的，是數值計算的一種。由於其網格計算的靈活性、程序計算的通用性等優勢，有限元方法迅速地發展和應用起來。它的基本原理是將具有無限個自由度的連續求解區域離散為具有有限個自由度、且按一定方式相互連接在一起的離散體，即將連續體劃分為數目有限的離散單元。在一定的精度要求下，對每個單元用有限個參數來描述其特性，而整個特性即為這些單元特性的總和，從而求得整個連續求解域的規律。目前，市場上存在若干種有限元分析軟件，ANSYS Workbench有限元軟件因其界面友好、操作簡便、適合做工程應用等特徵被人們廣泛使用，本文就利用ANSYS Workbench軟件進行有限元分析。

3.2 參數設定

開關櫃母排、斷路器靜觸頭、動觸頭、觸臂的材質為銅，靜觸頭盒材質為絕緣材料，櫃體外殼為鍍鋅鋼板，其材料參數如表1所示。

3.3 網格劃分

網格劃分是整個有限元分析的關鍵工作，其質量和優劣對計算結果會產生相當大的影響。開關櫃的部件尺寸相差大，有些部件尺寸相對較小但對傳熱影響較大，若這些部位網格劃分處理不當，會使得網格劃分效果差，對最終的結果造成很大的影響^[9]。同時，劃分的單元的個數過多不僅不能提升計算結果的準確度，還會使計算機的計算量變大而導致計算速度變慢，甚至求解不出來結果。本文首先採用自動網格劃分對開關櫃進行網格劃分，然後對重點部位以及網格發生較大變形的位置採用局部網格劃分法再進一步細化，網格數為94 340，網格劃分示意圖如圖3所示。

3.4 仿真

開關櫃雖然呈封閉狀態，但其頂部有用於通風散熱的通風孔，也有風機向外排風，同時，開關櫃下部與地面貼合，因此櫃體上部的對流會比下部大。參考文獻[10]可知，櫃體四周的對流換熱係數為12 W/m²·℃，本文設定開關櫃下部對流係數為10 W/m²·℃，上部為35 W/m²·℃。仿真結果如圖4所示。

對珠海供電局220 kV變電站實際運行的開關櫃拍攝紅外圖片，結合紅外熱像儀配套的分析軟件，可以得到開關櫃櫃體的紅外圖片如圖5所示。

為了更好地對比分析仿真結果的準確性，利用紅外熱像儀分析軟件，取紅外圖片中開關櫃櫃體不同位置的線平均溫，如圖6所示。

用上述方法得到開關櫃在不同負荷情況下櫃體溫度變化，如表2所示。

利用ANSYS Workbench有限元軟件，得到3.4節的仿真結果。為了得知開關櫃櫃體部分的溫度值，在仿真求解結果中，利用探針得到其對應位置的具體溫度值，如圖7所示。

通過對開關櫃紅外圖片的處理以及仿真結果的分析，得到在不同負荷下開關櫃紅外拍攝的溫度與其對應的仿真溫度，如表3所示。

從表3可以看出，紅外溫度與仿真溫度的結果是比較接近的，最大誤差不超過3℃，可以作為實際開關櫃運行的仿真模型，為開關櫃進一步的故障診斷提供依據。其中出現誤差的可能原因在於：（1）紅外熱像儀拍攝過程中受大氣吸收、周圍物體熱輻射、設備運行工況等影響，使其拍攝的紅外圖片存在一定的誤差；（2）本文所建立的開關櫃模型與實際開關櫃並不是完全一樣，溫度傳導過程中可能還受到開關櫃內其他因素的影響。在今後的研究中，可以對此進行深入分析。

5 結論

開關櫃是電力系統中非常關鍵的電力設備，它的安全穩定運行對社會的經濟發展有著重大的影響。本文基於ANSYS Workbench有限元分析軟件，對開關櫃熱場傳導進行仿真，並將其與實際拍攝的紅外圖片進行對比，驗證其仿真的準確度，為開關櫃後續的故障診斷奠定基礎，可以從更多角度分析開關櫃運行情況，提高開關櫃運行的穩定性、安全性，從而使電力系統更高效地運行。

參考文獻

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[2]李成榕, 馬國明．光纖布喇格光柵傳感器應用於電氣設備監測的研究進展[J] .中國電機工程學報，2013，33(12)： 114-122．

[3]廖志軍, 黃新波. 基於光纖光柵的高壓開關櫃溫度監測系統設計[J]. 廣東電力, 2015, 28(3): 50-55．

[4]祁欣, 王金帥, 王愷笛. 光纖光柵傳感器在高壓開關櫃溫度監測中的應用[J]. 山東工業技術, 2016(24): 264.

[5]陳強, 李慶民．高壓開關設備觸頭溫度監測技術研究進展[J]．高電壓技術, 2015, 51(9): 146-153．

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[8]張振全. 應用紅外熱成像儀進行設備檢測及故障分析[J]. 科技資訊, 2012(19): 110-112.

[9]賈文卓. 基於ANSYS的開關櫃電場與溫度場仿真計算 [D]. 天津: 天津大學, 2013.

[10]徐國政. 高壓斷路器原理和應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 2010: 46-63.

作者信息:

肖立軍1，鄒國惠1，藍鵬昊1，周可慧2，臧曉春2

(1.廣東電網公司珠海供電局, 廣東 珠海 519000；

2.華南理工大學 電力學院, 廣東 廣州 510640)

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