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基于有限元法的配电柜温度埸研究摘要 摘要 本文首先简单介绍了配电柜的发热原因、温升对配电柜正常工作的影响及配 电柜热问题的研究现状，在此基础上，引出了本课题的研究对象配电柜的温 升问题。 针对配电柜的温升问题，提出了配电柜温度埸概念，介绍了热传导、热对流 和热辐射等三种热传递方式及其热流密度方程，介绍了稳态温度埸的热微分方程、 边界条件及其有限元分析法。 进而，阐述了配电柜的热传输机理，建立了典型产品c g h l ( k ) c 型抽出式 低压成套开关设备及其8 e 抽屉单元的热分析简化模型，分析了研究对象的热载 荷及边界约束条件。在介绍配电柜的温升国家标准的基础上，根据国标对c g h l ( k ) 型抽出式低压成套开关设备中的抽屉功能单元进行了温升试验，并用热电偶采集 了各预定节点的温度值；准备了热分析计算模型的材料属性、热约束热载荷数据 及环境温度数据。 最后，构建了抽屉功能单元的三维实体模型，用a n s y s 软件对抽屉单元进行 了温度埸分析，并把计算数据与实测数据进行了比较，比较表明：本文方法的分 析结果是准确的，把本文方法用于配电柜的热设计，有利于提高设计效率，降低 试验费用。 关键词：热传导，对流，热流密度，有限元法，热分析，温度分布 作者：邹斌 导师：钱志良 a b s t r a c t 确ep a p e rf i r s tb r i e f l yi n t r o d u c e st h er e a s o nt h a tt h ed i s t r i b u t i o nc a b i n e tc a u s e s h e a t ，t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r er i s eo nt h en o r m a lw o r ko fd i s t r i b u t i o nc a b i n e ta n d t h es t u d ys i t u a t i o no fd i s t r i b u t i o nc a b i n e t sh e a t o nt h i sb a s i s ，l e a dt ot h es t u d yo ft h e s u b j e c tq 五eq u e s t i o no fd i s t r i b u t i o nc a b i n e t st e m p e r a t u r er i s e p u tf o r w a r dt h ec o n c e p to fd i s t r i b u t i o nc a b i n e t st e m p e r a t u r ef i e l da g a i n s tt h e t e m p e r a t u r er i s eo fd i s t r i b u t i o nc a b i n e t i n t r o d u c et h r e ew a y so fh e a tt r a n s f e r t h e r m a l c o n d u c t i v i t y , t h e r m a lc o n v e c t i o na n dt h e r m a lr a d i a t i o n ，a n dh e a tf l u xe q u a t i o n i n t r o d u c et h eh o td i f f e r e n t i a le q u a t i o n so fas t e a d y s t a t et e m p e r a t u r ef i e l d ，b o u n d a r y c o n d i t i o n sa n dt h e 曩疰t ee l e m e n tm e t h o d 。 f u r t h e r m o r e ，e x p o u n dt h em e c h a n i s mo fd i s t r i b u t i o nc a b i n e t sh e a tt r a n s f e r s e t u pc o m p l e t es e t so fl o w - v o l t a g es w i t c h g e a re q u i p m e n t so ft y p i c a lc g h l 承) 一c t y p e p r o d u c t sa n dt h es i m p l i f i e dt h e r m a la n a l y s i sm o d e lo f8 ed r a w e ru n i t ，a n a l y z et h e r e s e a r c ho b j e c to ft h e r m a ll o a da n db o u n d a r yc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s b a s e do nt h e n a t i o n a ls t a n d a r d so ft e m p e r a t u r er i s e ，t e s tt h e t e m p e r a t u r er i s eo ft h ed r a w e r f u n c t i o n a lu n i to ft h ec g h l ( k ) 一t y p eo u t t y p el o w v o l t a g es w i t c h g e a r ，a n dc o l l e c tt h e t e m p e r a t u r eo f t h ep r e d e t e r m i n e dn o d et h r o u g ht h e r m o c o u p l e 。p r e p a r et h em a t e r i a l p r o p e r t yo ft h et h e r m a la n a l y s i sc a l c u l a t i o nm o d e l ，t h e r m a ll o a dd a t aa n da m b i e n t t e m p e r a t u r ed a t a 。 f i n a l l y ，b u i l dt h et h r e e - d i m e n s i o n a le n t i t ym o d e lo ft h ed r a w e rf u n c t i o nu n i t ， a n a l y z et h et e m p e r a t u r ef i e l do fd r a w e ru n i tw i t ha n s y ss o f t w a r e ，a n dc o m p a r e c a l c u l a t e dd a t a 、砺氇m e a s u r e dd a t a 。i ti n d i c a t e s ：i nt h i sp a p e r , t h er e s u l t so ft h e a n a l y s i sm e t h o d sa r ea c c u r a t e 弧i sm e t h o d sa r eu s e df o rt h et h e r m a ld e s i g no f d i s t r i b u t i o nc a b i n e t s ，i tw i l lb eh e l p f u lt oi m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c y , a n dr e d u c e t e s tc o s t s 【k e yw o r d 】：t h e r m a lc o n d u c t i o n ， t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h e r m a l a n a l y s i s ， c o n v e c t i o n ，t h e r m a lf l u xd e n s i t y ， t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n w r i t t e nb y ： s u p e r v i s e db y ： z o ub i n q i a nz h i l i a n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其他教育机构的学位证书 而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在本文中以明 确的方式注明。本人承担本声明的法律责任。 ，一 研究生签名：一箜邀日期：受：篁：型 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、 中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大 学学位办办理。 研究生签名： 缉斌 日期： 导师签名：盔立塾暨日期： 基于有限元法的配电柜温度埸研究 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1课题的背景及目的 近年来，智能开关设备在国内外都发展迅速。本课题针对智能开关设备中的 温升特性，采用计算机软件的有限元计算和经典的试验测量控制相结合的计算控 制策略，在发挥开关设备日益增强的智能功能基础上，以最佳的控温方法达到对 配电设备温升的预测性计算控制效果。鉴于国内外同行对本课题的研究极少，本 论文将结合实际，对配电柜的局部抽屉单元作温升计算，旨在为配电柜的温度埸 分析作抛砖引玉的研究和探索。 1 2热问题对电器设计和使用的影响 所有的电器设备在通以电流的情况下都会产生发热现象，电流越大，发热越 厉害。这是因为： a ) 导体通过电流，产生电阻损耗； b ) 导体通过电流，磁性材料在交变磁场作用下产生磁滞及涡流损耗； c ) 绝缘材料在交变磁场作用下产生介质损耗。 电器设备的发热有正反两方面的意义：一方面可利用电阻发热原理，制造出 符合使用要求的电器产品，如热水器、熨斗、加热器、电炉等；另一方面，在许 多埸合，电器设备的发热是不利的，是需设法控制的，因为发热会引起材料老化， 减短电器的使用寿命，电器设备的异常发热更会导致电器设备的损坏、运行故障、 引发重大事故，严重影响到人们的生命财产安全。 一般来说，如果超过电器设备的极限允许温度，会产生如下危害： a ) 影响机械性能。例如裸铜导体长期处于发热温度1 0 0 2 0 0 时，它的机械 强度急剧下降。又在短期发热情况下，其软化点为3 0 0 c 。 b ) 引起接触电阻剧增。例如铜触头温度在7 0 8 0 以上，触头表面即开始剧 烈氧化，氧化膜电阻甚大。 c ) 绝缘材料受热超过一定温度，其介电强度下降，甚至损坏。 开关设备是一类广泛应用于社会生活、经济活动及工业生产等众多领域的电器设 备，主要在动力、照明、发电、输电、配电系统中起电流的开关作用。开关设备 内部安装有许多各种用途的电器元件、电器附件等，这些电器元件、电器附件等在工 作状态下都会发热。由此可见，开关设备是一个复杂多变的发热系统，因此开关设备 的发热机理显然也是较为复杂的。 葵l 章缝瓷基子蠢隈元法豹懿电挺涅菠甥研究 开关设备的主回路中产生的焦尔热会使导体温度升高，甚至导致熔敷和熔损、接 递闪络、短路等，冒毙发生重大事故。开关设备孛包含诲多电器元件和多魏导体，在 交流回路中，其内部广泛存在磁滞、涡流损耗和绝缘材料的介质损耗，因此开关设备 熬内部发热不可避免。 导体异常的发展过褪主要为：接魑电阻增大一温度升高_ 熔敷_ 分离一接触电阻 增大的循环过程，直到触头因熔化损耗发生燃弧、接地闪络、短路【l 】。 开关设备孛毫气静态接触发热指电气线路与线路、线路与设备、设备与设备之闻 的固定连接处异常发热，主要有以下几个方面： 妨化学腐蚀造藏匏接触不夷发热； b ) 电化腐蚀造成的接触不良发热多发生予不同材质的金属导体接触丽处， 主要甄因是不厨拇覆、不同电导率的导体籀互接皴时，在接触霞处产生愿电池效应， 久而久之在接触面处形成层不易导电的蕊离子层，使接触面的电阻增大，引起发热。 妨密封气隙加热造成熬发热金属连接面未打磨平整，接触面内凹；螺栓孔有 误差，螺栓连接时使接触面变形丽产生气室；接触面上导电膏涂抹太厚且不均匀，压 接时里面产生气室，当电流流过接头时会产生热量对气隙加热，气隙膨胀，接触面减 少，发热更严重，导致恶性循环，造成接皴面异常温升。 d ) 转移发热多发生于大负荷的电气设备多面、多电和多根电缆并用处。由 予各点的接触情况不一致，接麓毫隘耀差缀大。接皴毫隧小的地方承受较大熬电流面 过负荷发热。发展下去，小电阻变成大电阻丽冷却，其他地方开始发热致使发热游走。 砖应力发热多发生手褒母线与螺栓型设备连接处，母线上存在较大应力。虫 于接触面配合不严实，接触面减少而发热。【2 】 很显然，正常的涅升、绝缘材料的老化秽正常工作时产生的振动不应造成载流部 件的连接有异常变化，尤其应考虑不厨金属材料的热膨胀和电纯腐蚀作用以及寨际温 度对材料耐久性的影响。 谶摇：隔离开关主刃阐发热的重要原因；是融撂表蘧脏污或接触不好产生电阻； 二是触指与触指座的接触处由于弹簧压力不足产生电阻。触指与触指庶接触处电阻偏 大，熟量从这里传递委触指器弹簧，会使弹簧壶子翥溢被烧坏，造藏恶性循环，最后 导致弹簧完全失去弹性，便有可能酿成重大事故。从电桥的测量情况发现，只要触头 有发热，接袋毫阻就编高；电阻编高，烧摸就越厉害翻。 由于过热发生在开关设备内部，从外部很难看到内部变化状况，所以一般簧甭试 验或计算的方法来确定开关设冬内部豹湿度分布及温拜情况。只有保证了开关设备内 部的温升指标不超过国家标准g b7 2 5 1 1 1 9 9 7 规定的温升值，才能说所使焉的温 升控制方法是有效的，同时也可以从温升的角度上说开关设备的送行是安全可靠 2 羹予祷限元法黥瓢毫程湿度攥研究第1 章缝论 的。 随着我国毫力_ i 韭酶迅猛发震，配电桓呈现警嵩密度、小体积等特点，在嵩 防护等级( i p 5 4 、i v 6 5 ) 5 n 超过3 2 0 0 a 大电流的智能化低压配电柜中显得尤为突出。 圭子配毫枢悫各种元器件、电器辫搏、触头系统、母线系统和连接导线等酶工作 温度越高，加上柜内气流不畅，散热效果降低；尤其是在夏季周温高的情况下， 导致桓内元器件等的失效率随温度升离按指数规律增加，它们的可靠性能就越差， 直接影响了配电柜酌可靠性，因诧研究配电柜的温度分布是非常必要的。通过对 传热问题的数值计算，定量分析配电槌的热特性，以便对设备进行有效的热控制， 使它们在标准觏定豹溢度极限蠹歪鬻工作，从两麓保障提高产茹运行的可靠注， 这就是本课题的目标。 1 3 开关柜热闻题研究的概况 依据国凑1 9 9 6 年行业接样谴查，共接样1 7 6 8 家( 实际售计有近4 0 0 0 家，年 产值基有2 0 0 多亿元人民币，生产的台数近t 0 0 万台。年产值达到1 亿元以上的 企业有3 4 家。市场的开放吸弓l 了国外企业在国内的投资，已有几家国外厂商在沿 海地区建立了台资工厂或独资工厂生产低压成套设备。为了提高产品竞争能力， 有些企业开始向集团化发展，采取合资或合股的形式，增加企业的财力、物力、 火力，发展多晶耪、蔫技零含量酌产晶，鞋占领更多的市场份额。鋈嚣年产值l e 亿元以上的企业在国内已越来越多。 我萤熬低压成套设备虽然在产量帮产值方面有了很大鲢提嵩，僵产器鑫释和 性能方面远远不能满足市场的需求。方面集中在几类产品之间相互激烈竞争， 另一方面将我国不能生产的高端产品市场拱手谴绘了国外厂商。譬如，在大电流、 高磅护等级、智能他的低压开关柜的开发方面，我国尚处于剐起步阶段，国外溺 类产黑却已进入商品化阶段。其原因有以下三方面： 幻产品的格届不够合理。低压成套设备壹该具有多层次、多品种的特点，所 谓多层次是指同类产品中有高、中、低档之区别，以满足不同行业的使用需要； 多品瓣是指适应不弱使雳环境条箨斡需要，例如防潮、防尘、防腐、防水等深入 现场使用的薄型靠墙安装的产品。我国能够供成的产品只有一般环境下使用的几 种产品，具有代表性的产品有g c k i ( i a ) 、g c l i 、多米诺、m n s 、g d l 等接羼 柜和p g l 、g g d 等固定柜。它们的性能参数都在一个等级上，而具有更高参数 的产瑟，如母线额定电流3 2 0 0 - - 6 3 0 0 a ，短时醚受电流魏l o o k a ( 千安培) 始固定 间隔式产品及用于二级配电( 工艺现场) 舆有防护等级为i p 5 4 、i p 6 5 的产品，还是 空白。 3 第1 章绪论基于有限元法的配屯柜温度埸研究 b 1 企业的产品开发能力较差。本行业的特点是，大部份工厂都不具备产品的 开发能力，基本上都是经过行业的转让、仿造和买外壳组装等形式组织生产，导 致产品类型集中，市场竞争激烈。个别企业也有自己设计的产品，但由于力量单 薄，打开市场的周期较长，等到产品形成一定的市场规模时，其他厂家能轻而易 举的通过仿造进入市场，所以影响了企业开发自己产品的积极性。 c ) 产品质量的差距不大。为了提高产品的加工能力和质量，不少企业引进了 高精度板金加工设备，但是在装配工艺、母线加工工艺和工装设备方面相对还很 落后，各企业之间处于同等水平。另一方面，目前国内畅销的几类产品都有专业 型材加工厂和附件生产厂，甚至有专业的外壳生产厂，因此高精度板金加工设备 也发挥不了真正的作用。不少企业( 包括大企业) 为了缩短生产周期，适应多样化 市场需要，直接买外壳进行组装，现有的板金加工优势也就没有了，高精度板金 加工设备成为摆设。由于产品型号相同，质量差距不大，因此在本行业中开展名 牌产品活动困难很大。 1 3 1 低压成套设备发展动向 进入9 0 年代，在低压供电系统实现集中监控的基础上，国外的许多大公司开 始了智能化低压开关和智能化低压成套开关设备的研制，目前，相关产品已商品 化进入市场，正在逐渐推广使用。同时在柜体的设计、加工工艺方面也有较大的 突破，表现在母线的异型化、塑料化板材成型的整体结构等方面。 1 3 1 1 多功能的母线系统 母线系统是成套设备的重要组成部分，它决定了低压开关成套设备的电气参 数、进出线的方式、连接方式和柜体温升。国外产品的母线系统在上世纪9 0 年代 开始已广泛采用异型截面的型材，例如：德国金钟默勒公司的6 0 0 0 系列的c 型 母线、法国g e c a l s t h o m 公司的h 型母线和西门子公司的s i v a c o n 系列母 线。采用异型母线的优点有： a ) 提高了母线的抗弯强度，从而提高了抗短路强度的能力。母线搭接面更容 易保持平整，可以降低母线连接处的接触面电阻，从而使搭接处的温升下降。 b ) 实现了母线的无孔连接。在成套设备中，母线系统( 水平母线、垂直母线、 分支母线) 都要与功能单元的主开关连接，而功能单元和主开关都是有变化的，因 此母线上的连接孔位置加工很困难，如果按模块开成排孔，则降低了母线的抗弯 强度和载流能力。一方面，采用异型材之后任意位置都可以随意连接，而且也简 化了母线的加工，从而减少了成套设备的装配工作量。另一方面，由于母线的无 孔连接及定点生产的母线表面粗糙度的减小会降低母线连接处的电阻，所以可使 4 萋予誉隈露法的既惫辍溢霾塌研究 繁1 零绪论 搭接处的温升下降。 站在同等熬截面积或挽弯强度的条件下，异型母线薛表面积可默增加，因此 散热情况更好，可降低母线的温升或增加母线的载流量。 矗 悬挂式母线系统。近几年来开发出一种将电器元件悬挂在母线上的成套设 备，母线不但与电器元件端予直接相接，而且起支撑电器元件的作淄，当然这种 母线及电器元件是同步开发的新型元件产品。这种悬挂式母线系统还可以带电装 拆，给设备的维嫠带来很大的好处，霹时使得设备鹩电器元髂的安装密度大大提 高，因此很有发展前途。电器元件的悬挂武搭接可以降低连接处的电阻，对控制 溢升有磐筵。相爱，产晶结构的紧凑妊然会提高温升的控铡要求。 1 3 1 2 塑料零部件的使用 低驻开关成套设备孛广泛使餍塑料零部粹酌趋势越来越臻显。离子塑料鲢绝 缘性能好、容易加工、外形美观、色彩鲜艳、防腐蚀等优点，所以塑料的使用能 使成套设备的绝缘性熊提高、体积缩小、安全性与骶靠性增强。如露门子公司的 8 h p 产品及企钟默勒公司的c i 系列产品都采鲻全塑井壳，其防护等级达到i p 6 5 ， 可以在潮湿、多尘、喷水、腐蚀性气体等恶劣环境中使用。塑料零部件在固定桓 帮抽屉耱孛用俸带宅体支撑件、隔板、护投，枢蠹甚至使霜了塑料螺拴。滨大剩 亚的i n t e l l e c t i o n 产品，除外壳使用钢板之外，其它都采用塑料制品，成为 全绝缘翁抽属框。当然，在开关残套设备审，塑料零部件静规械、绝缘、热性能 指标非常重要。 王313 。加- r - i 芝翡改进 在加工工艺方面主要表现为无螺母连接，即所有连接都采用自攻螺丝。在承 重部位也有采用拉铆螺母，如汉森公司s a s 产品中母线的连接就采用拽铆螺母， 采用鸯攻螺篓连接，除了加工方便、装配速度提高、空闯节约之外，在纛墙安装 框体中还可实现正面安装和检修。水平母线和垂直母线之间的电气连接采用专用 过渡连接头，可降低母线过渡搭接温羚。捷嵩转接释熬热容量，可较大幅度篷降 低转接件温升给接插件、电缆头、间隔板等带来的附加温升。 在教材加工方嚣除使用异型毒砉嚣絮之辨，诲多大型公霹利用高精度檄金热王 设备加工整体成型板材，在受力部位采用双叠成型，侧壁上可以安装横梁，这样 减少了许多过渡霉彳掌。羼时逐使熙三维弯板成型设备加工撼屉，嚣门予公司瓣 s i v a c o n 系列中的抽屉就是利用这种加工设备一次弯制成型。这种方法熊馒框 内部空间扩大，这对予涅升控制及柜体的小型化有好处。 1 3 1 4 电力电子藕微电子技术的庭耀 l 、智能化低压成套设备：9 0 年代初期，智能化低压成套设备是在低压供电 5 粲l 睾 绪逢基予奄限元法熬配龟柜涅度蝼研究 系统集中监控的基础上发展起来的产品，它除了具有监控系统的所有功能之外， 还具有对线路及设备( 包括电动祝) 的保护功能。采用微机保护具有以下优点： 工作可靠，它不受环境温度的影响，在一2 0 。c + 6 0 均能可靠的工作。 工作特性稳定，精度高，不存在分散系数。 特性曲线由软侔确定，整定很方便，而且调节范围广。 保护功能齐全，除了一般的三段保护、接地保护、过电压保护、欠电压保 护之外，还具有三相不平衡、欠电流、逆电流、电机转子电流等保护。因为它具 有运算功能，所以其他设备不能实现的保护功能，它都可通过数学模型的运算实 现保护的功能。 可靠的上下级保护协调：可以经过屏幕显示将多条保护曲线同时在显豕器 上进行调整，另外由于动l 乍速度快，它可对上级进行封锁两达到区域性保护。 具有系统质量分析、记录和监控，如：波形分析、电压、电流瞬间变化， 频率变化。 2 、智能化低压成套设备的类型： 采用智能化元件的低压成套设备：指设备内所选用的主断路器是智能化元 件。如a b b 的s a c em e g a m a x f 、s a c ee m a x 系列空气断路器，它豢四个单元组 成：保护单元p r l p 、电流计量单元p r l a 、控制单元p r l c 、对话单元p r l d 组成，基本单元是保护单元( p r i p ) ，其它三个单元可任选。该公司昀i s o m a xs 型塑壳断路器也由四个单元组成：保护单元p r 2 1 2 、信号单元p r 2 1 2 k 、控制单 元p r 2 1 2 f r 、对话单元p r 2 1 2 t r d ，监控系统的组合方式为p r l p c d 。另外如常熟 开关制造有限公司的c w l - 2 0 0 0 - 5 0 0 0 系列断路器等等。 采用模块化智能低压成套设备：即主开关配置一个智能模块，智能模块具 有计量、保护、控制、信号显示、通讯诸功能，不同的负荷对象配不同的智能模 块，如：进线、母联、电动机直接控制、软起动、供电等等。由于在系统中采用 了智麓模块，使得回路选用翡断路器可不需要有饪何保护、信号显承等附件，这 样有利于断路器体积更小，性能更加提高。象英国g e c - a i s t h o m 公司的 ”g e m s t a r t 3 ”智能模块加上i c i s 监控系统就构成了智能化的开关扳。 智能化低压成套开关设备的构成智能化设备是由各开关板上的智能模块通过 鼹卡与中央计算机相连接瓶构成的智麓化系统。主计算机进行智能化的管理，以 实现集中监控、数据采集及分析处理、集中调度、每条电路的参数设定、建立设 备档案等。 3 、智能化系统的主要优点： 改善系统管理： 6 基予蠢瀑元法豹既电框涅发埸硪究 燕l 章绪论 a 记录供电系统运行状态，以便了解每天或季节性负载的特性。 b 。可以迅速对负载输入的需求作国响应。 c 在设施内准确地进行能量消耗的分配。 d 。均衡负载可减少潜在的停车事件。 按计划进行维修，降低成本。 对潜在的问题进行预报。 可以随时了解到有关故障的信患。 对设备具有高可靠的保护性能。 智能化开关设备的出现和发震是有技术、经济和社会鹜景的。近年来，在毫 力电子、微电子、计算机和现代通信技术基础上发展起来的信息技术突飞猛进， 面技术的发展需要寻找新的增长点，需要新的市场。这种现代信息技术在成套设 备上的广泛应用既满足了电力自动化的需求，又提高了电力能源效率。 薹。3 2 从i e c4 3 9 的修改看低压成套设备的发展 i e c4 3 9 国际标准的修改，主要从过电压类别、污染等级、材料的c t i 值之 闻的关系等方面，对低压成套设备的绝缘配合蛾定了电气闻隙、爬电距离、试验 的工频耐压及冲击耐压，对型式试验产品t t a 和部分型式试验产品p t t a 的试验 项毯和要求也作了详细说明，对温舞试验、隔离形式，电磁兼容等方面增加了新 的章节或作了补充的规定。从i e c4 3 9 标准的修改可以看出，对低压成套设备的 绝缘性能要求提高了，人身防护要求提高? ，装入电力电子器件增加了。为了提 高绝缘性能，采用了隔室绝缘功能板和有效的绝缘附件；例如，在c g h l ( k ) 型抽 出式低压成套开关设备的m c c 柜中，其垂直母线及一次接插件就被制造于绝缘 功能板内部；防护等级的提高和电力电子器件增加等因素有消极的一面，会使成 套开关设备内部的发热现象加重，向柜外的散热能力降低。 l 、绝缘配合主要是指成套设备的电气间隙和爬电距离，它们与使用场所和 所安装的供电系统位置、所用绝缘材料性能等有关。过电压类别在标准中分为4 类，主类为特殊保护、嚣类为负载( 装置设备) 、王至l 类为黧电电路、至v 类为电源迸 线点，越靠近电源端所承受的额定冲击电压值越高。 国外低压成套设备在执行新的i e c 标准时都将用于一级配电的成套设备额定 绝缘电压提高到1 0 0 0 v ，工频耐压为3 5 0 0 v ，而我国的成套额定绝缘电压只有 6 6 0 v ，i 频耐压为2 5 0 0 v 。国外有些产品还进行了冲击电压试验，以考核其承受 过电压的能力。 2 、关于温升试验的概念，柜体温升试验是考核成套设备在通以额定工作电 7 第l 睾绪论基予鸯疆元法熬瓣电框湿度埸研究 流之后其绝缘性能、保护性能不变，能长期地正常工作，并对正常操作人员不构 成危害。如i e c4 3 9 1 中对温升的监测只在操作手柄、可接近的外壳和覆板、连 接外部的绝缘导线的端子等位置作了硬性温升规定，其他部位只要不改变导电材 料的性能，绝缘材料的机槭性能和绝缘性能允许提高。另外，还要测出柜内空间 的温度，符合元器件的要求，保证其可靠工作。为此，国外低压电器标出了使用 予5 5 c 环境温度的电器，选用了耐高温的绝缘材料，还给出了不同规格的电器元 件的耗散功率，以便于成套设备的正确选用。 3 、关于t t a 和p t t a 的规定：低压成套设备其方案很多，而且非标设备也 很多，不可能每个柜形都做型式试验。如何来考核那些没有逶过型式试验的柜子 呢? 在标准中，使用t t a 表示通过型式试验的设备，p t t a 表示部份通过型式试验 的设备，并给出了两种不同的试验要求，重点是p t t a 的温舞极限允许透过t t a 的外推法进行验证( i e c8 9 0 ：1 9 8 7 ) ，短路耐受强度也可以通过外推法来验证，i e c 提供了这两类外推法的验证公式。国乡卜产晶都要自觉地进行很多散热试验，以求 得柜体的耗散功率蓝线，或以所装元器件总耗散功率按外推法求得湓升极限。如 西门子公司对温升条件等通过了电流至3 2 0 0 a 的试验，每个母线系统对防护等 级i p 5 5 的配电桓的降容使用，6 3 0 a 以下降容5 ，6 3 0 a 以上降容1 5 ，来满足 产品的动、热稳定性。我国的低压电器元件很少有厂家能在样本中提供其正确的 耗散功率，因此p t t a 就无法验证湿升了。医此对柜体两言，也就无法获知其耗 散功率曲线。为此天津电气传动设计研究所早在六、七年前就向低压电器厂提出 此要求，嚣前还没有弓| 起足够重视。 根据国际标准i e c8 9 0 温升计算经验公式岛端a t x s k ( 其中，是功率 损耗，矽；矗r 是柜内、夕 温度差，o c ；s 是柜教热面积，搬2 ；k = 5 5 w m 2 o c ， 是涂漆金属传导系数) ，对于接线端子和母线，其功率损耗设为开关设备总值的 3 0 ，并列安装的配电桓功率损耗乘以0 9 。 众所周知，电力开关行业内配电柜的热设计一直采用经验设计法或沿用传统 产品的设计方法，配电柜只是通过了p t t a 的温升试验、动热稳定试验，对于实 际运行中的配电柜熬特性并没有足够把握，迄今为止，国内配电系统酶设计工程 师对此仍未有深刻认识1 4 l 瓢6 j 。 必须指出：标准孛规定验证瀛舞试验时周蟹环境温度瘕控制在+ 1 0 c + 4 0 之间，如果实际运行时环境温度超过+ 4 0 或低子+ 1 0 c ，则标准不适用，制造厂 和用户应另订专门的协议。很显然，对于实际安装在户外或高温场合的开关设备， 当周围环境温度超出+ 1 0 c - - + 4 0 范围时，原来做过的温升试验报告因无法反映 真实情况而失去说服力，甚至可以说这个报告是不适用的。1 7 8 基鸯陵元法的既电梃溢度甥磅究 露1 睾绪论 4 、对安全防护的隔离形式：i e c4 3 9 标准要求制造厂在产品的铭牌或技术文 件孛给出内部的隔离形式。新标准的隔离形式越来越完善，要求也更高，功能单 元与水平母线、垂直母线、出线端子及其它功能单元之间应全部隔离。很显然， 伴随著柜内采用多形式、多位置的隔离，其内部的气体流通性变差，热量散发出 去的难度增加。 5 、i e c 新标准还提出了电磁兼容性的要求，这说明低压成套设备中采用电力 电予及微电子技术越来越多了，设计人员应当足够重视电力电子及微电子产品对 柜内高温的敏感性。 4 1 1 4 研究配电柜的热问题的意义 进入二十一世纪、特别是我国成功加入w t o 后，墓外厂商生产的大量优质 产品相继涌入中国。依据国外新技术、新产品的发展趋向以及所面临的市场形势， 在开发新产瑟时，应对配电枢的热问题加以重视，以不断提高低压配电糖的整体 水平，逐渐缩短与国外先进产品的差距，增加产品的市场竞争的能力。本课题旨 在通过配电柜抽屉单元内的三维热场探索，提供一种切实可行的配电柜温度埸分 析技术，为糖内元器件的保护和产品的实际运行安全往提供更有效的保障，这对 于提高我国电力工业配电系统的供电质量有着十分积极的意义。 本课题的意义在于：在配电柜开发设计过程中，利震计算机软件对其内部的 温度场进行预测性计算，可前瞻性的了解当前设计方案的合理性，以便对设计方 案进行必要的修正；或者也可以用这种方法对类似的电器产墨作溢升验证。这种 预测性算法既能够缩短配电产品的开发时间，又能够使产品内部的元器件得到优 化布置，避免局部温升过高，满足了产品温升控制的设计需要，使得产品型式试 验( 温升指标、动热稳定指标等) 能够一次性顺利通过，从而改变以往在产品型 式试验时温升指标常不达标、需二次设计的的情况。本课题的目的就是要引导工 程设计人员在配电柜设计过程中重视溢度埸分析，并有针对性地对萁温升进行预 测性计算监控，进而能在准确把握产品运行温升特性的情况下进行产品的设计。 1 5 本课题的主要工作 本论文的主要研究对象是聚电框中的温度场闻题及其湿升计算控制方法。由 于配电系统的复杂性和实验条件的限制，本论文只研究配电柜中抽屉单元的重要 温升特性指标，同时考虑配电系统的方案变化和内部配置情况等约束条件，对于 其中元器件自身的温升特性、相邻抽屉单元间的温度传递及其湓升控制剡不进行 讨论。 9 第】章 绪论基于有限元法的配电柜温度埸研究 本论文在微机计算控制和经典控制理论基础上提出了温升的预测性控制方 法，运用该方法，能对配电柜系统进行有效的温度埸分析和良好的温升控制。本 论文主要进行以下几方面工作： 1 、传热现象的研究：主要研究配电柜元器件、触头系统、母线系统和连接导 线等辅件的热量产生原因、机理、特性、传热方式等。 2 、抽屉单元热计算：进行配电柜特征单元抽屉单元的内部热计算。分析 抽屉单元的结构特点，建立数学模型；运用有限元数值解法，合理分析边界条件， 正确施加温度载荷数据，利用a n s y s 软件在计算机上进行计算。 3 、温度特性的分析和应用：把抽屉单元的试验结果与a n s y s 的计算结果进 行比较，分析配电柜抽屉单元的温度特性，得出合理的结论，提出控制配电柜内 部温升的具体措施。 4 、结果表明：与传统的实验测量数据外推法相比较，本论文提出的温度埸分 析方法具有明显的优越性，可获得更令人满意的温升预测性控制效果。 l o 萎子衡器元洼翁配亳捱湿度塌鹾究 舞2 毒温度拯分桥鲍饔陵元法 第2 章温度场分析的有限元法 2 。1配电桓中的温度场问题 温度场的计算是配电柜设计中的基本内容之一，只有通过对温度场的计算，才能 保证配电柜的绝缘不会因温度避高( 即超过极限允许温度) 两损坏或寿命降低，并且触 头、导体和结构部件不致因温度过高丽发生熔焊或视械经能降低。 配电柜在工作时所产生的热能与载流导体中通过的电流有关，载流导体总有一定 翡奄阻，会产生焦尔热。毫流透过动静触头舞豹过渡区域( 即辩热接触电阻或透过弧 柱时) 也产生热量，会使触头温度升高，甚至产生熔焊现象。 交流电流通过载流导体霹，还会由予交变电磁场的佟耀，产生集趺效应鬻邻近效 应，使载流导体电阻增加，产生附加热熊损耗；在铁磁体内产生涡流和磁滞损耗；在 绝缘介质中产生介质损耗。 所有上述这些损耗，都会转变为热辘，一部分传递到周围介质中，一部分使配毯 柜零部件中的温度升高。当温升超过标准规定的极限温升时，将会影响配电柜产品的 祝械性藐、电气绝缘性藐及其工作可靠性。特别是对于大容量鹣配魄柜产品，螽高孤 断路器、接触器、熔断器等，发热问题是影响工作可靠性的重要因素。“温度8 效应” 指斑：电器设备静温度每舞高8 ，其寿命就会减半，墓焉对配亳挺进行热计算彝溢 度控制十分重簧。 琵电柜产品豹发热耱散热是极萁复杂的过毽，其影魄嚣素穰多，缀难建立一个包 括切影响因素的解析公式( 特别是对于结构复杂的配电槭产品) 。传统的用热阻模拟 和靠经验决定嬲方法，已不能满足配电橙工业飞速发展的需要，因为这种方法只能对 不太复杂的产品进行分析，并且正确性差，不能精细地描述场域各酝电柜情况。 随着计算技术和计算机的发展和应用，使得用数值方法计算经过离散化处理的场 翦边德闻题威秀可麓。新的一翔辩学。计算枫传热学就是在科学发震的实践孛逐步 形成的、与工程实践密切结合的- - 1 7 应用基础科学，其内容为根据需要求解实际问题， 建立会理的数学模型，剩焉离散伍蕊数值处理方法，焉计算襁求解传热离题。 研究配电柜的热计算问题，对于保证配电糨的可靠性、延长配电柜的寿命、 缩小配电柜产品的体积、减轻重量和节约原材料等方面具有重大的实际意义雕。 2 。2温度场有限元分析的数学模型 2 2 1传热学经典理论 第2 章温度场豹有限元法基于有限元法的配毫柜疆度埸研究 热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律。对于一个封闭的系统( 没有质 量的流入或流出) ，剡能量平衡方程为 q w = u + 5 k e + p e ( 2 1 ) 式中：q 热量( 矽) ； 作功( 矽) ； u 系统内能( w ) ； 5 k e 系统动能( 形) ； 刖绣系统势能( w ) ； 对于大多数工程传热问题：刖笾= a p e = 0 ；对子不作功情况：w = 0 ，爱| j q = a u ； 对于稳态热分析：q 端5 u = 0 ，即流入系统的热量g 等于流出系统的 j ，r 热量；对于瞬态热分析：譬= 半，基瑟流入或流出的热传递速率等于系统内能豹 础 变化。 2 2 2 热传递的方式 自然界和工程实际中的传热方式一般可分为三种：热传导、热对流和热辐射。 热传导是指物体各部分或不同物体之间完全接触而由于温度梯度所引起的内 能的交换。热量的传递是依靠物质的分子、原子以及鸯由电子等微观粒子的热运 动而进行的，只要物体内有温差，就会有热传导产生，所以热传导过程和物体内 部温度的分布状况有密切的关系。热传导现象存在子固体、液体、气体之中，热 传导需要热传介质，并遵循傅立叶定律。 熟对流是指固体的表面与它周圈接触的流体之间，由于温差的存在引起的热 量的交换。靠近发热体的流体质点因温度升高而向上方升起，它的位置就有较冷 的质点来填充，此过程不断进行，称为自然对流。热对流可以分为两类：自然对 流和强迫对流。熟对流需要热传介质；热对流用牛顿冷却方程来描述。 热辐射是指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。 物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。熟辐射无须任何介质，真空中的辐射 率最高。工程中通常需考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同 时辐射并吸收热量。它们中闻的净热量传递鼍以用斯蒂芬一波尔兹曼方程来计算。 对于三种不同的传热方式，相应的数学描述是极其不同的。 1 热传导的热流密度为： 刃 q = 一露? o r 1 2 ( w m 2 ) ( 2 2 ) 蓥予有疆元法戆配毫褪滤废臻骚究 第2 章湿度场分辑羹鸯隈元法 式中k 为导热系数，w m 。c ；“”表示热量流向温度降低的方向，兰为温 d 强 度梯度。 根据傅立叶定律，热量的传递公式为： q ：尼华s ：妒) ( 2 3 ) 。 ，p 、7 式巾，k 为导熟系数，w m o c ，t ，、t ：为物体两侧温度值，o c ；f 为两侧温 差，。e ；z 为物体长度；s 为物体豹截面积，掰2 ；r ，= 去为热阻，。c w 。 导热系数k 的大小标志着物质的导热能力，各种物质的导热系数的数值范围 和性质有所不同，导热系数k 不麓认为在经何情况下都是常量，一般地说，不同 物质的导热系数k 分别与压力、温度、密度、体积、湿度等因素有关，必要时要 通过实验来确定。 气体的导热实质上是气体分子的熟运动与相互碰撞作用而传递能量的过程， 气体导热系数约在0 0 0 6 0 6 形m 。o c 之间，其值随温度升高而上升。对空气而 言，在1 0 0 - - 1 5 0 0 c 的范围内，其导热系数露= o 2 4 4 o 7 5 1 0 w m o c 。 上式表明，物体经热传导散出的功率与温差成正比，与热阻成反比。而热阻 又与导热路径的长度成正院，与导热系数及导热路径的截嚣积成反比，即物体的 导热系数越大，通过传导散发出的功率越多。 2 。热对流的热流密度戈： q = 口( o j 一氏) ( 矽m 2 ) ( 2 4 ) 式中，口为对流换热系数( w m 。c ) ，1 9 ，为物体表面温度( ) ，吼为周围流 体温度( o c ) ，且秽， 乱。 根据经验，对流散出的热量公式为： q = a ( o j - o 。) s = e r r s缈) ( 2 5 ) 式中，f 为温井( o c ) ，s 为散发热表瑟积( 嬲2 ) 。 根据对流散热的不同情况来确定对流散热系数，对于空气吹拂且散热面向上 的水平平板壁的对流散热系数的经验公式为： 口= 3 2 5 何虿 ( 妒聊。c )( 2 6 ) 从式( 2 5 ) 可知，物体经对流散出的功率与温差、散热丽积及对流系数有关， 对流系数越大，物体经对流散发的功率越多。 1 3 第2 章温度场的有限元法 基于有限元法的配电柜温度埸研究 3 热辐射的能流密度为： g2 e c r a ，只( f f ) ( w m 2 ) ( 2 7 ) 式中，占为辐射率( 黑度或辐射系数) ，绝对黑体，s = 1 ，其它物体的辐射率占 可查相关资料确定：仃为斯蒂芬一波尔兹曼常数，约为5 6 7 x 1 0 撂w m 2 k4 ；a ，为 辐射面r 的面积( 所2 ) ，r 为由辐射面，到受辐射面s 的形状系数；z 为辐射面r 的 绝对温度( 。c ) ；c 为受辐射面s 的绝对温度( 。c ) 。 上述三种散热方式是同时存在的。通常为了便于分析计算，常采用牛顿公式 进行热计算，牛顿公式中的散热系数，由实验确定，它综合考虑了三种散热方式 【9 1 0 1 1 ，1 2 】 o 配电柜本身温度高于周围介质温度，经过热传导、热对流、热辐射向周围散 热，温差越高，散热越甚。 2 2 3 稳态传热 按照物体内部温度分布是否随时问改变，热传导可分为稳定热传导和非稳定 热传导。 温度场用于表明某