环网柜温升模拟的比较研究

摘要

该文通过建立简化模型并在两个温度场求解模块中进行比较分析，解决了环网柜的温升问题。

摘要

环网柜 （RMU） 是配电系统中用于连接和配电的关键设备。然而，由于其紧凑的内部结构和大电流负载，散热问题尤为突出。针对这一问题，本研究创新性地提出了一种简化的 RMU 模型，采用有限元仿真方法精确求解实际工况下导体的欧姆损耗，获取各种元器件的欧姆损耗数据。这是首次使用如此全面的方法对 RMU 的温升问题进行深入研究。随后，使用两个不同的温度场分析模块对温度场进行求解，并对仿真结果进行详细比较和分析，以确定温度分布的相似性、不同性和趋势。结果表明，考虑对流传热的温度场解模型更准确，并且与实际运行条件一致。本研究为 RMU 的设计和优化提供了一种创新的方法和实用的解决方案。未来的研究可以进一步探索多物理场耦合分析方法，以解决高压和超高压 RMU 和其他电气设备的结构设计和强制性验证问题，从而为工程设计提供重要见解。

引言

环网柜是一组安装在钢制金属柜中或由组装成间隔的环网供电装置的电气设备。负载开关和导电电路的整体结构由导电电路组成，导电电路包括许多组件，构成了环形单元的主芯。然而，由于其紧凑的内部结构，环形主机在散热方面面临挑战。在高温环境中长时间运行时，这会导致热变形和老化。这些问题不仅影响设备的使用寿命，还会影响其绝缘性能，带来安全风险。特别是，设备损坏和电气事故的可能性变得更大，构成重大的安全隐患。

在不同的研究领域内，学者们对架空线路开关柜的温升进行了一系列研究，并分析了影响温度分布的各种因素¹。在 Polykrati 等人 ² 中，提出了一个数学模型，用于估计短路故障期间安装在配电网络上的组件的温升。将模型应用于电网的常用隔离开关，根据短路电流波形不对称部分的不同形式和短路直流电流分量的初始值，绘制结果特性。另一方面，Guan 等人通过构建等效接触桥来模拟接触界面，从而考虑了接触电阻和电磁排斥，并进一步分析了电磁-热耦合场和温升实验³。此外，研究人员通过有限元仿真研究了环形主机内部动、静触点的温度场和热应力分布，为断路器寿命⁴ 的研究提供了基础。最后，Mueller 等人专注于散热器的几何特性，并评估了材料选择、总表面积、温度....

研究方案

1. 型号

注：由于环网柜结构复杂（图 1A），因此选择了在线设计软件来简化环网柜的操作。

1. 建模简化
   1. 部分简化模型，保留 RMU 的空气箱截面，同时删除或简化其他组件，例如绝缘轴、紧固螺栓、螺母、密封组件和压力支撑支架。简化版本如图 1B 所示。
      1. 在简化 630A 型环形主机的过程中，拆除连接断路器室与仪表箱和许多固定螺栓和螺母的绝缘轴。在保证整个装置具有相同的导电电流，只保留真空断路器、断路器固定板、静电触点和真空断路器的前提下，取出密封件和挡压支架，将隔离静梁的静触点与下分支母线连接。
      2. 仅保留真空断路器、断路器固定板、静电触点和真空断路器闭锁板。总体而言，从模型中删除螺栓和垫圈，在删除螺栓后用实体填充孔，减少网格部分的数量，并优化零件的不规则形状。移除对温升模拟过程没有影响的面板操作仪器、安装板、支架和其他操作部件，例如仪器箱。
      3. 在仿真中可以忽略某些组件的绝缘外壳，因为它们对仿真结果的影响很小。此外，在正常运行期间对设备使用没有影响的接地开关会将其移除，并保留断路器室进行模拟。
   2. 要删除任何部分，只需选择它并单击 ....

讨论

本文基于工程建模软件和有限元软件对环柜温升进行了对比仿真分析，通过两个有限元温度场解模块分析了最适合实际温升情况的解。Icoz²³ 也将热管理描述为保持电子元件高效率和可靠性的关键和必不可少的组成部分。借鉴 Steiner²⁴ 中的工作总结了进行比较分析的重要性：已使用 COMSOL 和 ANSYS Mechanical 进行了比较分析。因此，在制造实?.......

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Air	/	/	Conventional gases
Aluminum	/	/	Alloy Materials
Copper	/	/	Alloy Materials
Icepak	ANSYS company	ANSYS 2021R1	A CFD thermal simulation software
PC hosting	/	12th Generation Intel(R) Core(TM) i5-13500F CPU	Host computer equipment
SolidWorks	Subsidiary of Dassault Systemes	SolidWorks2021	An engineering software drawing tool
Steady-state thermal	ANSYS company	ANSYS 2021R1	A thermal simulation solution tool