大电流开关柜温升及其影响因素的建模仿真研究北大核心CSCD

随着中国电网容量的不断增大,用于输配电的开关柜数量也大大增加,这就对开关柜小型化和安全性能提出了更高的要求,而小型化的趋势使温升问题日益严重,加大了对安全性保障的难度。文中针对中压大电流开关柜的温升问题在SolidWorks和Ansys Workbench平台上进行了建模仿真研究。首先,基于电磁场理论,通过基于表面深度划分网格的方式进行了开关柜的涡流场仿真,分析了各个部分的损耗,研究了涡流损耗对总损耗的影响。随后运用单向耦合的方法进行了开关柜温度场的仿真,研究表明真空灭弧室触头中触头片部分是温升最严重的部分。最后结合涡流场与温度场仿真结果,进一步对开关柜在热源和散热两方面进行比较研究,结果表明将壳体材料改成不锈钢、触头片材料改为无氧铜(从发热的角度)、触头结构改为螺旋槽形橫磁触头、开关柜改善通风散热条件对开关柜的温升的降低具有明显的作用,仿真结果得到了实验验证。     

温升在线监测装置在中低压开关柜中的应用

中低压开关柜温升异常监测手段的高效性、实用性倍受关注。通过对中低压开关柜运行现状的分析,说明电气设备过热故障的严重性以及对电气设备温升进行监测的必要性。针对现有温度监测方法存在的不足,介绍了目前相对先进的开关柜温升在线监测装置。该装置在生产中应用效果良好。     

低压开关温升检测工位的量值溯源

低压开关柜作为输配电及电能转换的关键设备,已在发电厂、石油、化工、冶金、纺织等相关行业中广泛使用。对低压开关柜进行温升试验主要是为了保证其在长时间工作条件下仍能可靠运行,不会因温度过高导致内部材料特性发生改变而影响正常工作。国家电网及相关检测单位已大量配置低压开关柜的温升检测设备。为保证此类检测设备输出电流的准确可靠,结合电磁计量专业,通过对此类设备温升大电流的校准,解决此类设备的量值溯源问题。     

基于磁旁路方法的开关柜温升优化

文中针对引起开关柜温升的涡流损耗解决方案进行理论分析,采用有限元软件进行仿真计算涡流损耗,提出利用磁旁路方法进行开关柜柜体损耗优化;比较分析两种优化方案对开关柜柜体的温升影响,仿真结果验证优化方案的合理性,该方法的应用对于开关柜产品的性能提升起到重要作用。     

低压成套设计与应用中隔离开关散热技术研究

针对低压成套开关柜中隔离开关温升过高的情况,分析了主要影响因素,介绍了目前散热技术领域的常用技术。结合实际情况,提出了几种散热方案,并进行了相关试验和分析。从而为降低产品温升,提高系统工作性能提供设计参考。     

低压开关柜的热设计

目前市场对低压开关柜提出了高防护的要求,所以制造开关柜时需考虑内装电气元器件的散发热量,根据开关柜的外形尺寸及内装电气元器件的热功耗及安装位置,确定满足产品温升要求条件下能否正常工作。介绍了低压开关柜的发热计算程序,并举例验证低压开关柜的热设计。     

电力开关柜散热因素分析及重要性排序

电力开关柜母线的工作状态受其散热性能和温升影响.为降低电力开关柜母线表面温度,采用有限体积法建立电力开关柜三维热流耦合模型,对影响母线散热的电力开关柜因素进行分析,并通过正交设计分析得出影响母线散热性能的关键因素,同时结合无量纲分析法,引入相对温升比重对母线散热性能进行分析评价,并给出了本模型下三相母线散热性能预测公式...     

大电流开关柜温度分布特性的影响因素分析

负荷电流、环境温度、接触电阻是影响大电流开关柜温升的重要因素。本文针对4000A大电流开关柜建立仿真建模,利用COMSOL进行电磁-传热-对流多物理场耦合仿真计算,归纳了4000A大电流开关柜内部温度分布规律;研究了负荷电流、环境温度以及开关柜各部位接触电阻的增加对于母线和梅花触头温升的影响情况。本设计并进行了大电流开关柜不同负荷条件下稳态温升实验,实验结果验证了仿真模型的合理性。经计算得出,对于4000A大电流开关柜,在负荷达到约80%时,梅花触头温升已超出国标上限,需要对开关柜进行强制散热。环境温度对开关柜内部温升有较大的影响,在设计开关柜温升监测系统时不能忽视环境温度的监测。梅花触头与静触头搭接点接触电阻的增加较大程度影响梅花触头和母线的温升,因此需要对梅花触头的温升实时监测以确保及时发现异常运行状态。电流互感器是大电流开关柜中不可忽略的发热部位,若安装不当存在接触问题,则会产生异常温升影响整体母线温度分布。本文研究结果可为后续开展开关柜温升在线监测、故障位置判断以及设计运维方案提供一定的理论依据。     

中压开关柜梅花触头接触故障下的温升特性研究

中压开关柜梅花触头接触故障所导致的发热问题会显著影响开关柜的电气和绝缘性能,对电力系统的安全稳定运行造成隐患。为探究中压开关柜的温升问题,文中建立了具有完整梅花触头结构的温度场和流场耦合中压开关柜模型,运用有限元分析法,对正常情况和梅花触头接触故障下中压开关柜内温度场和流场分布进行了仿真分析。结果表明：正常情况下,中压开关柜温升最高处为断路器触头,柜内空气循环流动方向会使三相导体温升存在差异。梅花触头接触故障下故障点温升最高,故障对开关柜温升的影响较大,对流场的影响较小。     

一种提高中低压开关柜电流母排散热效率的措施

电流母排是中低压开关柜中主要的发热部件之一，有效抑制其温升对确保开关柜安全可靠运行具有重要意义。抑制母排温升的现有措施大多不够经济或操作、实施较为复杂。本文依据传热学理论，提出采用适当厚度、传热系数较好的绝缘材料对电流母排进行包裹，以提高母排散热效率，从而达到抑制母排温升的目的。理论推导得到了电流母排散热效率的解析模型，数值计算和有限元仿真分析均验证了所提出措施的有效性；基于解析模型分析了该措施的适用范围；并通过物理实验验证了所提出方法的有效性。研究结果表明，针对多种常用型号的母排，其温度随绝缘层厚度的增加先降低，后升高；包裹用绝缘材料的导热性能越好，散热效果改善越明显；本文提出的改善散热措施适用于采用自然对流散热的中低压开关柜。     

确定开关柜母线规格和主回路额定电流的实用方法

目前铜、铝等有色金属价格上涨，开关柜行业使用铜母线的量很大，因此合理选配开关柜母线，对节约制造成本有着很大重要的意义。通常是按照高低压开关柜的允许温升极限、额定电流和导体载流能力来选配母线的规格尺寸。但在怎样抑制开关柜的温升，掌握开关柜温度参数，确定主回路额定电流，合理地选配母线等方面，会出现一些在实际操作中很难定夺的问题。     

中压开关柜温升特性的多物理场耦合仿真研究

长期过热问题威胁着中压开关柜的安全稳定运行,准确把握开关柜内部温升十分重要。为此以UR4-10型开关柜为研究对象,建立三维多物理场耦合仿真模型,探究不同电流下开关柜温度场和流场分布特性,以及负荷电流对开关柜温升特性的影响。研究结果表明：额定电流下通电导体回路整体温升从高到低为断路器触头处、上梅花触头、下梅花触头和进线母排;进线母排温度随着与母排搭接处距离的增加而逐渐降低;通过拟合函数的方式评估温度仿真数据已经趋于稳定,并得出在额定电流下开关柜最终稳定的最高温度为44.9℃;开关柜内流场分布较为稳定,内部空气流速分布范围在0.05～0.22 m/s;开关柜结构差异对对流散热的影响,使得三相之间以及上下梅花触头处产生温升差异;电流对开关柜温升影响较大,对柜内温升趋于稳定的时间和流场分布影响较小。研究结果可为开关柜温升研究和开关柜温度在线监测的监测点选择提供理论依据。     

开关柜温升影响因素的仿真与试验研究

目前,开关柜的温升问题非常突出。为降低开关柜温升,以KYN96-12的出线柜为研究对象,开展了开关柜温升影响因素的研究。本文针对不同环境温度、铜排规格、导体材料等因素,分别进行了开关柜仿真分析与试验研究。研究结果表明,初始环境温度对开关柜触头温升的影响较小,0℃与40℃下温升相差不到1℃;引出母排规格和断路器触臂(导体)材料对触头温升的影响较大,引出母排规格分别为80mm×10mm和120mm×10mm时温升相差3℃以上,触臂材料分别为铝和铜时温升相差2℃以上。     

低压成套设备在不同环境温度下温升的比对试验

通过对低压成套开关柜在环境温度分别为30℃（常温）和50℃（高温）下温度和温升的测试所得的数据进行比对分析,初步探究热带区域的高温对低压成套设备的影响,为在超过标准规定最高温度的环境中使用低压成套设备并提高其可靠性提供一些参考。     

装有记忆合金压片梅花触头的开关柜温度场仿真分析

针对开关柜中真空断路器梅花触头处温升问题,基于记忆合金材料的温度形变功能,在梅花触头上安装记忆合金压片,提高梅花触头的工作性能。测量不同温度时梅花触头处的接触电阻,利用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics对开关柜的温度场进行仿真分析,并进行了试验验证。仿真结果与试验结果表明:断路器梅花触头处使用记忆合金压片其温升明显低于使用普通压片时的温升,说明记忆合金压片有助于降低梅花触头温升,提高开关柜运行的安全可靠性。     

基于红外传感技术的开关柜在线测温系统设计

温升是否超标是考核开关柜电气性能优劣的重要指标。基于红外传感技术进行了开关柜在线测温系统设计,该系统采用非接触式测温原理,避免传感器供电不可靠、高压对地击穿、无法实时在线监测等问题,给出了系统的软硬件设计流程,测试结果表明,在不影响开关柜安全运行的前提下,实现了开关柜温升状态的在线监测,可为开关柜的状态检修、智能运维提供数据支撑。     

地铁低压开关柜关键位置负荷温度模型的研究及应用

作为地铁配电网的重要组成部分,低压开关柜由于大电流的工作特点常发生发热、烧损等质量事故。采用无线温度传感器监测技术,对设备内关键位置的温升进行实时监测,建立低压开关柜关键位置负荷温度模型进行算法评判及开关状态预测,提前进行设备检修排查,降低故障率及减少成本。     

配电开关柜温升特性的多物理场仿真和实验

配电开关柜散热效率不高,其内部安装的断路器等设备经常需要降容运行以满足国标允许的温升要求。为此研究了配电开关柜内生热与散热过程,探究强迫对流条件下开关柜散热能力的提升。首先利用Ansys E-mag与CFX软件模块,分别建立自然对流和强迫对流条件下的开关柜电-磁-热-流耦合仿真模型,获得开关柜内生热功率、气流速度、温度等分布;并利用温升实验平台测量开关柜关键部位的温升,与仿真结果进行对比与验证;最后,利用搭建的仿真模型,探究安装散热风扇降低开关柜温升的效果。研究结果表明:在额定电流下,开关柜进线断路器的上接线端子温升超标严重,出气口附近有较明显的回流现象,不利于热空气排出;出气口安装风扇后,散热效率明显加强,风扇风速达到3 m/s和6 m/s时,进线断路器上接线端子平均温升分别下降28.6%和42.1%。     

开关柜温升试验方法研究

笔者旨在研究单面交流金属封闭开关设备和控制设备(以下简称开关柜)等效温升试验方法代替多面并柜开关柜中间柜进行温升试验的可行性,并采用等效温升试验方法对开关柜进行温升试验。基于GB/T11022—2011与GB 3906—2006中型式试验部分关于温升试验的要求,以开关柜为研究对象进行温升试验,对比分析采用单面开关柜进行温升试验与3面开关柜并柜中间开关柜通电情况下温升试验结果,并采用该温升等效试验方法对开关柜进行试验,对比分析两种通流试验方式下的试验结果。试验结果显示采用单面等效性温升试验方法,模拟多面并柜开关柜中间柜进行温升试验,其关键点温升误差不超过0.6 K,验证了该等效测量方法的可行性。对双层结构的开关柜的温升试验,当试验回路通流方式采用开关柜中部接线端作为电流流入端,上部与下部接线端作为电流流出端时所测关键点温升值,普遍高于采用下接线端作为电流流入端,上接线端作为电流流出端时,所测开关柜温升关键点温升值。试验结果表明前种通流方式对试品开关柜温升的考核较后种严格。     

高压开关柜温升在线监测系统

为了能即时监测高压开关柜的温升情况,笔者研发了基于ZigBee的高压开关柜温度在线监测系统;采用DS18B20实时采集开关柜的元件温度,利用ZigBee实现柜内多点温度的无线实时传输;设计了一个能方便套在触壁上的专用感应线圈,提供系统所需的低压电源;设计了RS485和CAN接口与电力控制中心连接,实现了对高压开关柜内元件温度的远程在线监测。