0  引言

    高壓開關柜柜體封閉，負荷電流大，柜體內部散熱性差，設備發熱問題較為嚴重。而封閉式高壓開關柜箱體的溫度是其內部元件運行狀態分析的主要依據。已有對柜內基于載流元件溫度的故障檢測研究，文獻[1]介紹了運用于開關柜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^[2-5]。文獻[6-8]介紹了非接觸式的紅外測溫技術在開關柜故障檢測中的應用，然而它無法直接監測到開關柜內部溫度。

    為了更好針對封閉開關柜的內部熱故障精準運維，本文提出基于有限元的開關柜熱場傳導仿真。首先，通過三維繪圖軟件SolidWorks建立開關柜模型，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柜柜體溫度變化情況。之后，利用紅外熱成像儀對10 kV封閉內開關柜的柜體溫度進行測量，將仿真溫度與紅外溫度進行比較，驗證模型的準確性，為開關柜故障診斷奠定基礎。

1  基于SolidWorks的開關柜模型構建

1.1  KYN28-12開關柜結構

    目前，在供電系統中，投入運行的開關柜主要是XGN型開關柜及KYN型開關柜。KYN型高壓開關柜由于操作方便、載流量大、結構完善，已經成為高壓開關柜的主流產品。本文就主要針對KYN28-12開關柜進行研究。

    KYN28-12開關柜是3.6~12 kV三相交流50 Hz的戶內成套配電裝置，用于接收和分配網絡電能并對電路實行控制保護及監測。其模型結構相對復雜，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，其柜內結構如圖1所示。

1.2  開關柜模型建立

    利用ANSYS Workbench進行有限元仿真時，可利用軟件本身包含的Design Model平臺建立開關柜3D模型。但是考慮到開關柜結構的復雜性以及在DM平臺上建模的復雜性，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柜進行建模，畫出開關柜的3D模型，再將模型導入ANSYS Workbench有限元軟件中。

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

2  熱傳遞理論

    開關柜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，一部分會使開關柜中零件溫度升高。

    開關柜的傳熱包括熱傳導、熱對流、熱輻射。熱輻射是指物體發射電磁能，并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，開關柜即使出現熱故障，溫度也不會達到幾百攝氏度。因此，熱輻射對開關柜的影響并不大，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于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，其關系式為：

式中，P_k為傳導功率（W），A_k為熱傳導物體截面（m²），l_k為熱傳導物體長度（m），Δt為物體兩端溫度差（℃），λ為熱傳物體熱導率（W/(m·K)）。

    熱對流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間由于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，其關系式為：

式中，q為熱流量（W），h_j為對流傳熱系數（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，遵循能量守恒定律。對于一個封閉的系統（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。

    對于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，開關柜已經處于熱平衡狀態，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于1943年首次提出并在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。由于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征被人們廣泛使用，本文就利用ANSYS Workbench軟件進行有限元分析。

3.2  參數設定

    開關柜母排、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，柜體外殼為鍍鋅鋼板，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。開關柜的部件尺寸相差大，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。本文首先采用自動網格劃分對開關柜進行網格劃分，然后對重點部位以及網格發生較大變形的位置采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

    開關柜雖然呈封閉狀態，但其頂部有用于通風散熱的通風孔，也有風機向外排風，同時，開關柜下部與地面貼合，因此柜體上部的對流會比下部大。參考文獻[10]可知，柜體四周的對流換熱系數為12 W/m²·℃，本文設定開關柜下部對流系數為10 W/m²·℃，上部為35 W/m²·℃。仿真結果如圖4所示。

4  實驗結果

    對珠海供電局220 kV變電站實際運行的開關柜拍攝紅外圖片，結合紅外熱像儀配套的分析軟件，可以得到開關柜柜體的紅外圖片如圖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，取紅外圖片中開關柜柜體不同位置的線平均溫，如圖6所示。

    用上述方法得到開關柜在不同負荷情況下柜體溫度變化，如表2所示。

    利用ANSYS Workbench有限元軟件，得到3.4節的仿真結果。為了得知開關柜柜體部分的溫度值，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。

    通過對開關柜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柜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℃，可以作為實際開關柜運行的仿真模型，為開關柜進一步的故障診斷提供依據。其中出現誤差的可能原因在于：（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）本文所建立的開關柜模型與實際開關柜并不是完全一樣，溫度傳導過程中可能還受到開關柜內其他因素的影響。在今后的研究中，可以對此進行深入分析。

5  結論

    開關柜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。本文基于ANSYS Workbench有限元分析軟件，對開關柜熱場傳導進行仿真，并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，為開關柜后續的故障診斷奠定基礎，可以從更多角度分析開關柜運行情況，提高開關柜運行的穩定性、安全性，從而使電力系統更高效地運行。

參考文獻

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[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. 基于ANSYS的開關柜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)