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、温度均匀性和最高表面温度对热性能的影响⁵。这些研究为提高开关设备的性能和可靠性、减少温升和延长设备寿命提供了宝贵的见解和方法。Wang 等人在 UPIOT 环境中提出了一种 MiNET 深度学习模型 （MDLM），目的是检测电气环柜的故障诊断，经验证具有 99.1% 的识别准确率，明显高于其他方法⁶。Lei 等人使用磁-流体-热耦合分析方法研究了 GIS 母线排在稳态下的热性能，从而根据温升模拟结果优化了导体和槽直径⁷。Ouerdani 等人使用 RMU 温升仿真模型来确定其内部关键位置的温升，从而相应地固定 RMU 内部组件的最大过载持续时间⁸。Zheng 等人通过构建二维模型并应用有限元法 （FEM） 进行电磁场计算，描述了大电流开关设备模型中的常规矩形母线排。它使他们能够获得母线导体电流密度和功率损耗的分布。在考虑了邻近效应和集肤效应的影响后，设计了不规则母线排。这种不规则的母线设计提高了传统矩形母线⁹ 的性能。

关于使用 icepak 模拟方面，Wang 等人通过涡场、气流场和温度场理论进行了温升模拟，发现在自然对流下环网柜的温升更为严重。他们通过添加强制空气冷却和改进内部接触结构成功地降低了温升水平¹⁰。Zhu et ^al.11 使用 icepak 模拟热模型，以比较 PCB 上热通孔的存在和散热器的存在对功率器件温度的影响。最后，将理论分析结果与仿真结果进行比较，验证理论分析的正确性。毛 et ^al.12 通过在 icepak 模拟中基于 CAE 软件的热模拟研究了夏季运行条件下的温度和内部气流分布。给出了如何提高冷却效率和控制多个镀银触点的温升的问题，仿真中捕获的温度和内部气流轮廓将为安装在密封单元中的六个镀银触点的冷却方案设计奠定基础。相反，在使用稳态热模块时，Zhang¹³ 讨论了使用替代瞬态程序求解高压套管热网络的建模方法。测试和仿真结果与衬套的热稳态和瞬态状态非常吻合。然后使用瞬态结果来评估套管过载能力。Vaimann 等人¹⁴ 开发并分析了同步磁阻电机的解析热模型，用于预测其不同组件的温度和设定的总参数热网络。

随着对环网柜等电气设备研究的不断推进，常规的温升测试和生产方法效率相对较低。因此，通过将有限元技术与离线测试相结合，不仅可以解决设计成本问题，还可以根据仿真及时对实际问题进行调整和优化。基于上述研究进展，很少提及使用 ANSYS Icepak 和稳态热耦合进行比较分析。因此，该协议描述了有限元的机理研究，采用数值和形态学的组合建立了外壳的有限元温升仿真模型，并通过比较两个仿真模块的结果，基于两个解析模块的结果讨论了有限元温升仿真模型。通过两个仿真模块的对比，得到环网柜温升趋势的特点，找到最适用的方法，从而为缓解环网柜温升的策略提供必要的依据和研究思路。

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 删除 选项。

2. 涡流场解决方案

1. 预处理设置
   注： 涡流场仿真是执行温度场求解的基础，这需要对求解的热源作为温度场上的负载进行后续分析。
   1. 请参阅环网柜的设备文档和相关手册，以收集有关环网柜每个组件的物理特性和参数的信息。根据获得的信息在 Maxwell 中设置环主机组件的物理属性和参数，如 表 1 所示。
   2. 将涡流场负载电流设置为 630 A，频率为 50 Hz。在 Maxwell 软件中，选择 One Side of the Upper and Lower Outgoing Arms，进入激励模块，设置电流幅度为 630 A。在 solution settings （解决方案设置） 部分中，选择 50 Hz 的频率。
      注意： 在环形主机的导电电路中，由所有元件从上出口臂到下出口臂形成的通路称为相序。因此，在本文中，阶段 A 、 B 和 C 是从左到右排列的。
   3. 环网柜组件的材料参数如 表 2 所示。
   4. 将电流引导通过每相的出线臂、柔性连接、母线、断路器、静态触点支撑母线和分支母线。目的是实现允许组件完成负载的电流路径。
   5. 利用 Maxwell 的自适应网格划分来完成模型的网格控制。对于较大的组件，使用 Maxwell 自适应网格划分方法，对较小的内部组件使用局部网格细化方法。
      注：Maxwell 可以在求解过程中不断提高网格精度，无需单击 网格操作 即可进行额外的网格划分。
   6. 设置解决方案步长。点击模型树中的 分析 ，打开求解步骤设置，并将最大通道数设置为 10。将其他设置保持为默认值，而不进行任何更改。
2. 涡流场计算原理^15,16.
   1. 使用麦克斯韦第一方程，它描述了电荷对电场产生的作用¹⁷。
      (1)
      其中 ρ 表示电荷密度; ε₀ 表示真空介电常数。
   2. 使用麦克斯韦第二方程，该方程描述了变化的磁场和电场之间的关系，以及磁场对电荷运动的影响。
      (2)
      其中 表示磁场强度。该方程描述了变化的磁场产生涡流电场，即涡流电场的自旋等于磁场随时间变化率的负数。
   3. 使用麦克斯韦第三方程，它描述了磁电荷对磁场产生的影响。
      (3)
      该方程将磁电荷产生的磁场描述为无源磁场，即磁场中没有单极子。
   4. 使用麦克斯韦第四方程，该方程描述了变化的电场和磁场之间的关系以及电流对磁场的影响。
      (4)
      其中 ，0 表示电流密度，μ₀ 表示真空磁导率。该方程描述了变化的电场产生涡流磁场，即涡流磁场的自旋等于电流密度和电场随时间变化率之和。
   5. 基于上述方程式，使用 Maxwell 3D with Eddy Current 求解器模块求解 RMU 中导电电路产生的欧姆损耗，为后续的热仿真分析提供热源。它的数学表达式为¹⁸
      (5)
      其中 σ 表示导电回路材料的电导率;J 是环路中的电流密度。
3. 计算结果
   1. 单击界面中的 Maxwell 3D 选项并打开验证检查以查看所有错误设置。如果没有错误，请继续单击 Analyze All 以启动求解过程。
   2. 利用 Maxwell 的后处理计算器计算和绘制环主机涡流场中的欧姆损耗，如 表 3 所示。

3. 温度场解决方案

注意：为了进行比较，将温度场分为 Icepak 和稳态热场。分别设置和求解每个以实现比较分析。

1. Icepak 模型设置
   1. 按如下方式设置材料属性：将所有电路实体材料指定为 Cu-Pure，表面使用 Cu-polished-surface。对于面板组件，选择 Aluminum6061-T6 材料，表面涂层为 Paint-AL 表面，发射率为 0.35。有关详细信息，请参见 表 4 。右键单击 Selected Component （所选组件），单击 Edit（ 编辑 ），然后转到 Properties （属性 ） 以设置表面和实体材料的材质。
   2. 选择模型并单击 Edit 菜单中的 Set ，然后选择 Multilevel Meshing Level 以调整网格设置。将外部机柜的网格级别设置为 2，并将所有边界设置为网格级别 2。对于所有其他组件，将网格级别设置为 3。最后，打开 Mesh control 并单击 Generate 创建网格。
   3. 为了确保仿真的准确性和效率，无论网格大小如何，都必须验证网格独立性。导入使用设计软件建立的温度场外壳的几何模型以进行网格划分。
   4. 如图 2 所示，四个网格组的极化曲线对齐良好。在 0.5 V 的工作电压下，四个网格组的电流密度分别为 2.357 A/cm²、2.358 A/cm²、2.356 A/cm² 和 2.454 A/cm²，最大密度和电流密度之间的误差小于 1%。为了平衡效率和准确性，请确定要987924的网格大小。
2. 解决方案设置
   1. 将解决方案域 Cabinet 的方向设置为 Opening 。
   2. 在软件中，选择 Problem Step（问题步骤）。在基本参数下，选中 表面对表面辐射模型，为湍流态选择 零方程 ，为自然对流选择 重力 选项，并将环境温度设置为 20 °C。
   3. 在文件设置中，选择 EM 映射的 体积热损失 ，然后选择 显示的所有对象以 完成损失设置。
3. 温度场计算
   1. 在 icepak 中，对能量应用三个主要的守恒方程：质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。具体来说，使用动量守恒方程，如下所示¹⁹：
      (6)
      节能方程式：
      (7)
      质量守恒方程：
      (8)
      固体热源传热的能量传递方程：
      (9)
      ρ 表示流体的密度; v 表示流速矢量; T 表示温度; p 是压力; τ 是微量代谢物表面的粘性力;κ 是传热系数; S_h是体热源; h 是流体的比焓， F 是微代谢物的体力。
      注：温度场计算的结果如图 3A 和图 4A 所示。
4. 稳态热模型设置
   1. 按照材料设置中的 表 3 保持材料属性。通过单击 热载荷 生成，在稳态热模块中生成涡流场仿真分析产生的欧姆损耗。
   2. 单击 对流温度值 并将其设置为 20 °C，对流系数为 5 （W/m²°C），应用于机柜、组件和外部机柜的内壁。应用设置并生成。通过单击 Solve > Output Results 将输出设置为求解温度。
      注意：稳态热温度场计算^20,21,22 原理中的主要温度场控制方程通常源自热传导定律（傅里叶热传导定律）。在一维情况下，温度场传热方程可以表示为²⁰：
      (10)
      在这个方程中， T 表示物体内部的温度， t 是时间， x 是空间坐标，α 是热扩散率。该方程描述了温度随时间和空间的变化，其中右侧表示热传导速率和温度梯度之间的关系。在更通用的三维场景中，温度场的热传导方程可以用以下形式表示：
      (11)
      ρ 表示物体的密度， c 是比热容， K 是热导率， Q 是体积内的热源项。该方程描述了受热传导、热源和热容影响的温度场变化。
   3. 温度场计算结果如图 3 所示。比较 表 5 和 表 6 中汇总的温度值。

结果

根据 表 3 中的数据，可以得出以下结论：A、B 和 C 阶段的总体损耗相对相似。具体来说，A 相的总损耗为 16.063 W/m³，B 相为 16.12 W/m³，C 相为 19.57 W/m³。损耗较高的位置可能位于各种组件的连接处。这主要是因为接触电阻和导体电阻通常存在于这些连接点上。当电流通过这些连接时，会产生大量热量，导致这些区域的温度升高和损耗增加。

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