开关柜温升试验方法研究

    杜争过 王尚斌 姜洪龙

    摘 要：开关柜是研究测试电力系统的重要设备之一，其运行时的温升现象对电力系统的运行起到决定性作用。当开关柜的温升超标后，会导致绝缘性能严重下降、接线融焊等现象，对供电系统和设备的安全性、稳定性造成极大的威胁。基于此，本文通过对温升试验进行分析，结合热源产生的机理对开关柜进行研究，并结合开关柜温升试验方法，通过模拟仿真实验结果进行了相应阐述。

    关键词：温升试验；热源；仿真实验

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.165

    近年来，人们开始对开关柜的生产成本进行控制，想办法增加对其内部空间的利用，因此导致开关柜的体积开始向小型化发展。开关柜由于其特殊的功能，其体积很小、结构非常紧凑、封闭式模式以及内部间隔防护等级较高，使得其散热成为一个难点。尤其在电流规模巨大的中置柜中，温升现象表现的极其突出。在实际运行中，发热问题解决的好坏，对设备的老化有重要影响，甚至于直接造成设备损坏和电力系统运行故障。作为电力系统中核心部件，该终端执行元件的发热直接关系到整个电力系统的安全好稳定。近年来。开关柜的故障越来越多是过热引起的，相关学者们对其开始深入研究。主要针对温升试验方法的探究和测温装置研发改进。本文采用Solidworks 软件对开关柜进行建模，以3D有限元模型为基础，以Icepak软件为基础进行了数值计算，重点分析了其温度场和流体场。为验证本文采用的计算方法，对10kV开关柜进行了仿真计算。

    1 温升试验的提出

    根据国家相关标准规定，需要对开关柜进行温升试验，通过试验开关柜等载流性能分析验证发热和散热两个方面的数据。具体运行过程中，需要将额定电流持续输入导电回路一定时间，然后对此时电路中的温升进行分析，分析结论并对开关柜的使用效果进行评测。本文为更好地探究开关柜的温度分布情况，确定温度检测器的合理布局，对其试验方法进行了研究。

    2 开关柜温升试验分析

    2.1 模型建立

    平均温升简易算法、热炉方法和温度场数值模拟算法这三种算法是开关柜内部热量计算的主流计算方法。三种方法有各自的优劣性：平均温升简易算法计算流程简单易操作，但是误差相对较大；热炉方法的计算核心是类比法，求解精度有待提高；当前的主流计算方法是温度场数值模拟算法，其最大的优点是求解精度大大提高。但由于求解器精度有一定的限制，计算时对其模型进行了一定的简化，忽略了风机以及整机模型，对计算结果有一定的影响。

    本文通过Solidworks软件对开关柜结构进行了三维建模，采取ANSYS Icepak软件进行数值模拟，重点分析了开关柜的温度场，最终得到其温度分布特征。开关柜模型通过母线室、架空进线室、断路器室和仪表室这四个相互独立的隔离室组成。其中断路器和电流互感器这两部分建模时均进行了简化。实际模型建立时，开关柜的风机共6个，顶部外壳有5个，剩余1个在断路器底部。风机模块在Icepak软件中是独立存在的，因此将模型导入后改软件后必须对风机模型进行设置。

    2.2 理论分析

    普遍认为在开关柜中，导致其发热的主要因素分为两个：载流导体和电接触的焦耳损耗。本文只针对电接触部分的发热量即通过载流导体产生的热量进行单独计算，计算公式为：

    3 仿真试验

    该温升试验的设置如图 2 所示。本次模拟实验选取开关柜的额定电流为1250A。试验过程中使用T级热电偶对开关柜内温升部件进行温度测量。试验电流为额定值，时长为8h。其中在最后1h需要注意开关柜在对温度进行增加时的大小不得超过1K。 模拟试验在选取测量点时应当注意避免母排温升造成的影响。因此外部检测点应位于距离开关柜1 m远的母排上，其内部温升测量点如图1所示（点1-7）。计算结果如表1所示。

    4 结论

    分析上表，②组整体低于①组，由此推論，开关柜使用塑料板在不覆盖聚乙烯泡沫的时候，通过数值模拟发现，此时开关柜运行状况与实际情况相比较差别较大，因此不符合实验要求。③组与①组情况下较接近，且除个别点普遍偏高于①组。由此试验数据可知，在③组情况下，其数值模拟结果与开关柜实际运行时的工况相近，因此这种情况下可以使用等效温升的试验方法来进行数值模拟代替实际实验。

    参考文献：

    [1]GB3906—2006.3.6-40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备[S].

    [2]周岩.高压开关柜触头温度场的数值仿真分析[J].传感器与微系统，2018，27（12）：102-105.