农用电气柜温度仿真研究

马文婧，陈泽雄，姜明凯，彭灵利，缪新招

(广州供电局有限公司，广东 广州 511400)

随着农村现代化步伐的加快，农用电气设备的应用越来越广泛，用电总功率也逐年递增。然而农用电气柜量大面广，设备维护周期长，存在一定的安全隐患；另外农用电气柜的配套设施不全，尤其是防火防灾设施欠缺，影响其安全运行。柜体运行时的母排温升是目前高功率用配电柜的重要设计指标之一，通过分析电力设备和系统的发热量，从电气线路设计、电气元件散热预估以及整机通风与散热设计方面着手，选用适宜的冷却方式，优化散热结构，控制设备内发热体或系统的温升速率，可有效确保设备或系统的可靠性和使用寿命。

为了优化散热条件，近年来研究人员从减小材料电阻、增加机柜散热面积、优化机柜发热元件布局等方面进行研究。廖明、Huang等[1-2]利用ANSYS Fluent软件对封闭机柜腔体在自然对流条件下的散热情况进行研究分析，得到了机柜温度场和流场分布规律以及截面平均温度的变化趋势，确定了发热件表面最高温度的位置，并通过增加风量和改进通风方案来降低其表面温度；刘林铎[3]采用六西格玛设计方法，结合某电子产品热设计特点，辨别影响热设计可靠性的关键因素，并搭建热设计测量台架，逐一对元器件和整机系统进行建模、设计和优化，达到预期的可靠性设计要求；李江涛等[4]从负荷电流、环境温度和接触电阻等方面对大电流开关柜温升的原因进行分析，利用Comsol对大电流开关柜进行电磁-传热-对流多物理场耦合仿真计算，得到其内部温度分布规律，分析了负荷电流、环境温度以及开关柜各部位的接触电阻对于母线和梅花触头温升的影响，并指出如果电流互感器存在接触问题，则会产生异常温升进而影响整体母线温度分布；叶茂泉等[5]采用ANSYS Icepak对KYN44A-12型大电流开关柜内部的稳态温度场和流场进行分析，提出了优化散热和采用镀银触头来控制核心部件温升的方法，保证了其使用寿命；朱汉东等[6]采用基于51单片机的远红外测温法，以温度传感器为测温元件，监测中压开关柜带电工作状态下母线和电器元件连接处的发热情况，达到了对温升在线监测的效果；胡方等[7]通过分析电力连接器的瞬态温度场，研究了接触电阻变化和电流波动对连接器触头温升的影响情况，得到了连接器触头温度和其接线端部温度之间的定量关系，实现连接器触头温升的间接测量；Li、李正睿等[8-9]利用ANSYS Icepak对PCB板的温升情况进行分析，计算了功能模块的热功耗和热稳定状态下热失控表面的热通量密度，找出其内部温度最高部位，优化其结构布局，增加负载器散热孔，节约了开发成本，缩短了开发周期，并提高了其可靠性。

本文在前人研究的基础上，利用ANSYS Fluent对农用电气柜的散热情况进行研究，对比了其在自然对流和强制对流下的散热情况，找出了在自然对流情况下散热较差的可能因素，总结了冷却风速与母线表面温度之间的关系，对电气柜热设计有一定的理论指导意义。

1 模型控制方程

电流通过导线产生欧姆热，使得导线附近的热空气与周围环境中的冷空气之间存在密度差，在局部微环境中形成对流换热的驱动力。大环境中的空气以一定速度强制流过电气线路表面时，可吸收热源热量，这个过程需要遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，其连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程[10]如下。

连续性方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

2 电气柜仿真计算

2.1 物理模型

基于模型的研究主要针对的是农用电气柜内部散热情况，为了计算方便，对散热影响较小的圆角、装配间隙、孔洞、螺栓、铆钉等格栅结构进行删除和简化，简化后的电气柜结构如图1所示。电气柜母线采用铜芯，其他采用铝合金和陶瓷材料制作。

在模拟过程中，本文采用不可压缩理想气体来分析封闭机柜在自然对流条件下的散热情况，在强制对流工况下给出不同冷却风速下的母线表面散热情况，其边界条件分别见表1和表2。

2.2 模型验证

在模拟计算中，需要对流体域进行网格划分。三相母线是柜体内发热量最大的部分，按照经验选取网格尺寸因子分别为0.5,0.8和1，利用软件求面均值函数获得柜体内三相母线表面平均温度分别为364,366和363 K，可见温度分布基本一致，说明更小的网格并不能带来更高的计算精度。以网格尺寸因子为1时的网格方案为例，该方案结构离散后的网格数为61.8万，经模拟计算得到三相母线温度分布如图2所示。

图1 电气柜结构图

表1 流体初始计算参数表

表2 材料参数

图2 母线表面温度场

由图2可知，A相母线(图2中最左侧)表面温度较高，通过流场分析可以发现，其表面存在微小的涡流，影响散热。

3 结果分析

3.1 电气柜温度及流场计算结果

母线是电气柜中的主要热源，其表面高温区为欧姆热较高的区域，自然对流条件下，A相母线表面温度较高，对比速度场可发现A相附近涡流较多，影响其散热。随着强制冷却风速增加，冷却强度增大，A相母线表面温度逐渐下降，采用2 m/s的风速进行强制冷却后，三相母线表面平均温度由363.75 K下降到350.75 K，风速增加到4 m/s时，A相表面平均温度降低到339.15 K，如图3所示。

图3 母线表面温度场图

通过Fluent分析得到A相母线附近的气流流动情况，可以发现由于电气柜内部结构的特点，母线表面的散热速度取决于其表面空气的流动情况。由于存在较小的涡流，如图4所示，因此采用风扇强制散热，会使漩涡消失，空气流动更加顺畅，母线表面温度下降得较快。

图4 竖直截面流场

3.2 冷却风速对母线温度的影响分析

本节采用增加冷却风速的方法来研究母线表面温度的变化情况，如图5所示，不断增加冷却风速，目标表面平均温度逐渐下降，但是下降幅度逐渐减小。因此，从节能的角度出发，不宜选择大风量风扇，维持其入口风速为4 m/s，既能满足温度要求，又能降低能耗。

图5 目标表面平均温度随冷却风速的变化曲线

4 结论

本文根据农用电气柜的结构特点，分析了其在自然对流和强制对流工况下的散热效果，总结了冷却风速对母线表面温度的影响，得出如下结论：

1)在自然对流条件下，母线表面存在较小的涡流，影响散热，平均温度高达363.75 K。

2)采用2 m/s的风速进行强制冷却后，改变了母线表面附近空气的流动方向，增加了散热量，其表面平均温度为350.75 K；采用4 m/s的风速进行强制冷却后，其表面平均温度为339.15 K，符合母线安全工作温度。

3)若采用更高风速进行降温，尽管运行温度有所降低，但风扇本身耗能较大，不符合低碳环保的运行要求。