低压配电柜的温度场仿真设计方法

摘要

本发明涉及一种低压配电柜的温度场仿真设计方法，其技术特点是：采用三维软件建立等效模型，将模型文件导入到ICEM-CFD软件中，在低压配电柜外围建立空气外场，形成流固耦合散热模型，并使用ICEM-CFD进行网格划分；将ICEM-CFD画好的网格文件导入到Ansys-CFX中，然后对模型进行前处理；采用电磁热流耦合进行分析计算。本发明运用热流-电磁耦合分析的方法，利用三维软件建立低压配电柜仿真模型，再通过Ansys APDL、ICEM CFD、CFX等软件对低压配电柜模型进行仿真分析，大大减小产品的研发周期；同时，省去繁琐的试验过程，提高了产品设计的成功率，提高了产品设计的效率，对优化设计开关电器和保证开关电器的可靠运行有着重要的意义。

说明书

技术领域

本发明属于低压配电柜技术领域，尤其是一种低压配电柜的温度场仿真设计方法。 

背景技术

低压配电柜内部的开关电器工作时，由于焦耳损耗，涡流损耗、磁滞损耗等，其稳态温升会显著升高。开关电器中使用的金属材料和绝缘材料在温度超过一定范围以后，其机械强度和绝缘强度会明显下降。开关电器工作温度过高，其使用寿命会降低，甚至损坏。 

现在低压配电柜发热是一个很严重的问题，如何有效地增大低压配电柜的散热能力显得至关重要，常用的方法是对开关柜的通风口进行优化设计，对通风口的优化设计主要是通过反复试验不断修改通风口大小来达到设计的要求，然而试验这种方法产品开发周期长，研发成本高，严重影响低压配电柜的研发速度。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、准确度高、设计周期短的低压配电柜的温度场仿真设计方法。 

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的： 

一种低压配电柜的温度场仿真设计方法，包括以下步骤： 

步骤1、采用三维软件建立等效模型，将模型文件导入到ICEM-CFD软件中，在低压配电柜外围建立空气外场，形成流固耦合散热模型，并使用ICEM-CFD进行网格划分； 

步骤2、将ICEM-CFD画好的网格文件导入到Ansys-CFX中，然后对模型进行前处理； 

步骤3、采用电磁热流耦合进行分析计算。 

而且，所述步骤1使用ICEM-CFD进行网格划分的具体处理过程为： 

(1)导入几何模型； 

(2)修复几何模型； 

(3)面分组； 

(4)创建Body； 

(5)设置全局网格大小； 

(6)设置面加密网格； 

(7)设置棱柱划分层数和选择需要生成棱柱网格的面； 

(8)进行网格划分并输出Ansys-CFX的网格文件。 

而且，所述步骤2对模型进行前处理的具体过程为： 

(1)导入画好的网格； 

(2)创建材料属性； 

(3)创建Body，同时赋予单元材料属性； 

(4)建立浮力表达式，将浮力加载到流体单元； 

(5)加载导线等效对外散热功率； 

(6)加载外场的边界条件； 

(7)设置迭代歩数和收敛残差的大小。 

而且，所述相关材料属性包括接触电阻、等效层的电阻率和导热系数。 

而且，所述步骤3电磁热流耦合计算分析过程如下： 

(1)利用ANSYS Multi-physics软件计算导体焦耳发热功率； 

(2)利用ANSYS CFX软件计算模型中温度、流速、压力的物理量分布； 

(3)循环求解三维有限元电磁耦合模型和三维流固耦合模型； 

(4)优化设计。 

而且，所述步骤(1)的详细处理过程为： 

首先将三维软件中导电回路的部分，以x_t文件的形式导入ANSYS Multi-physics软件中，并建立外包空气块，从而使其表面与导电回路激发出的磁力线平行； 

其次，对模型中各个部件施加对应的电阻率和磁导率物理属性，并在ANSYS Multi-physics中的mesh模块进行网格划分，并施加三相正弦电流负载和磁力 线平行边界条件，初始化环境温度，从而获得三维有限元电磁耦合模型； 

最后，利用ANSYS Multi-physics中solver模块对上述三维有限元电磁耦合模型进行谐波分析，得到开关柜中导体各处焦耳发热功率，并将结果以.csv文件格式导出。 

而且，所述步骤(2)的详细处理过程为： 

首先，将在ICEM中画好的网格导入到CFX中； 

其次，对各个部件施加材料属性； 

然后，建立流-固、流-流、固-固耦合，设定仿真参数后开始计算直到仿真结果满足收敛条件； 

最后,以.cdb文件格式导出导体温度分布。 

而且，所述步骤(3)的详细处理过程为： 

将计算出的温度载荷文件代替上一步的温度载荷文件，从而得出新的电阻率，再重新计算；若得到的导体温度分布与前一步分析结果最大差异小于1％，则停止循环计算，获得最终稳态温升、流速、压力等物理量分布结果。 

本发明的优点和积极效果是： 

本发明运用热流-电磁耦合分析的方法，利用三维软件建立低压配电柜仿真模型，再通过AnsysAPDL、ICEMCFD、CFX等软件对低压配电柜模型进行仿真分析，大大减小产品的研发周期；同时，省去繁琐的试验过程，提高了产品设计的成功率，提高了产品设计的效率，对优化设计开关电器和保证开关电器的可靠运行有着重要的意义。 

附图说明

图1是本发明等效模型的主视图； 

图2是图1的A-A剖视图； 

图3是图1的B-B剖视图； 

图4是流固耦合散热模型示意图； 

图5是电磁热流耦合分析流程图； 

图6是导体发热计算模型； 

图7是旋转双断点断路器动静触头接触电阻等效图 

图8是X-Y温度分布云图(Z＝0.205m)； 

图9是导体温升云图； 

图中，1：低压柜外壳；2：支撑板；3：母线架；4：A相母线；5：B相母线；6：C向母线；7：In＝630A转接器；8：In＝630A断路器；9：软母线；10：In＝400A转接器；11：导电柱；12:In＝400A断路器；13：进线端子组；14：出线端子组；15：出风口；16：进风口；17：低压配电柜；18：空气外场；19：In＝630A转接器内部导电部分；20：In＝630A断路器内部导电部分；21：In＝400A转接器内部导电部分；22：In＝400A断路器内部导电部分；23：接触电阻等效薄层；24：上进线；25：动导电杆；26：下进线。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述： 

一种低压配电柜的温度场仿真设计方法，包括以下步骤： 

步骤1、采用三维软件建立等效的模型，将模型文件(.x_t)导入到ICEM-CFD软件中，在低压配电柜外围建立空气外场，形成流固耦合散热模型，并使用ICEM-CFD进行网格划分。 

本步骤使用的三维等效模型，如图1至图3所示，在该模型中，支撑板2经螺母与低压柜外壳1预留的螺柱相连接；母线架3经螺钉安装在支撑板2上方，同时把A向母线4、B向母线5、C向母线6固定；In＝630A转接器7挂接在母线ABC上，In＝630A断路器8经软母线9与In＝630A转接器7相连接；In＝400A转接器10挂接在母线ABC上，经导电柱11与In＝400A断路器12相连接。进线端子组13由螺栓连接In＝630A断路器8进线端，出线端子组14由螺栓连接在In＝400A断路器12出线端。低压柜外壳1上设置有进风口16和出风口15。 

三维等效模型文件(.x_t)导入到ICEM CFD后，在低压配电柜17外围建立空气外场18，形成如图4所示的流固耦合散热模型。 

建立好流固耦合散热模型之后，使用ICEM-CFD进行网格划分，画好网格后，将其以.cfx5的格式导出。使用ICEM-CFD进行网格划分的具体处理过程为： 

(1)导入几何模型； 

(2)修复几何模型； 

(3)面分组； 

(4)创建Body； 

(5)设置全局网格大小； 

(6)设置面加密网格； 

(7)设置棱柱划分层数和选择需要生成棱柱网格的面； 

(8)进行网格划分并输出Ansys-CFX的网格文件； 

步骤2、将ICEM-CFD画好的网格文件导入到Ansys-CFX中，然后按照下面步骤对模型进行前处理： 

(1)导入画好的网格； 

(2)创建材料属性； 

(3)创建Body，同时赋予单元材料属性。相关材料属性有接触电阻、等效层的电阻率和导热系数，接触电阻测量及其等效层的电阻率和导热系数的计算过程如下： 

从图1和图6的模型中，我们可以看出，整个开关柜的导电部分是由铜排、转接器、断路器等导电部件形成的回路。导电部件之间并不是我们肉眼看到的一样是完全接触的，实际上它们之间接触面积非常小，是靠有限个导电斑点来导电的。电流通过导电斑点时电流线收缩，电流密度增大，发热功率增大，形成热源产生热量，使得开关柜中的温度升高。因此，准确地建立接触部分的导电模型对分析开关柜内部温升的准确性有着重要的意义。模型中，我们主要考虑断路器动静触头的接触电阻，实际建模中接触电阻的模型用0.5mm的薄壁层23来等效。 

①旋转双断点断路器动静触头的接触电阻的计算 

整个触头的回路电阻由5个部分的电阻组成：R_H＝R_SU+R_C1+R_M+R_C2+R_SD，其中R_H表示整个触头的回路电阻，R_SU表示上进线的电阻，R_C1是上面静触头和动触头的接触电阻等效薄层，R_M是动导电杆的电阻，R_C2是动触头和下面静触头的接触电阻等效薄层，R_SD是下进线的电阻，如图7所示。 

用双臂电桥我们可以测得触头回路电阻R_H、上进线电阻R_SU、动导电杆电阻 R_M、下进线的电阻R_SD。由于双臂电桥和被测元件本身之间存在接触电阻，而且接触压力不同，接触电阻值也不相同。所以，本文采用多次测量取最小值的方法来减小误差，最终测量电阻值如表1所示。由于接线端子是用14N*m的预紧力拧上的，所以螺钉接触电阻我们可以忽略不计。 

表1  电阻  单位：μΩ 

测量名称 阻值 A相动静触头回路电阻 87 B相动静触头回路电阻 75 C相动静触头回路电阻 81 上进线 12.5 动导电杆 12 下进线 25.5

为了进一步减小误差，R_H为三相触头回路电阻的平均值，得： 

R_H＝(87+75+81)/3＝81μΩ 

在这里我们假设两个动静触头的接触电阻值相等，根据表1的数据，我们就可以求得，动静触头的接触电阻为： 

R_C1＝R_C2＝(81-12.5-12-25.5)/2＝15.5μΩ 

②动静触头接触电阻等效层的电阻率和导热系数的计算 

断路器动静触头的接触电阻薄层截面积S＝3*10^-4m²，L＝0.5mm，由得ρ＝9.3*10^-6Ω/m 

根据魏德曼弗朗兹洛仑兹定律，导体材料的热导率和电阻率的关系为： 

ρ·λ＝T·L 

其中：ρ—为电导率/Ω·m^-1； 

λ—导热系数/W·m^-1·K^-1； 

T—绝对温度/K； 

L—洛仑兹系数，L＝2.48×10^－8V²·K^-2

由此求得630A额定电流的断路器触头接触电阻等效薄层的导热系数：λ＝0.8613W·m^-1·K^-1。 

同理可得，400A额定电流的断路器触头接触电阻等效薄层的导热系数：ρ＝6.1*10^-6Ω/m，λ＝1.3131W·m^-1·K^-1。 

(4)建立浮力表达式，将浮力加载到流体单元； 

(5)加载导线等效对外散热功率； 

本步骤进行等效散热计算方法如下： 

在对开关柜进行数值热分析时，主电路外接导线13、14对外散热的作用也必须考虑。根据IEC标准和国家标准，通过630A额定电流时，连接导线导体的截面积为390mm²，连接长度为2m。本文在进行热分析时，连接导线的散热作用通过接线端的等效散热边界条件来代替。 

连接导线处于空气中，通过对流和辐射散热。对流系数与导线直径和周围环境温度有关。根据文献，裸导线的对流散热系数为： 

${\alpha }_{\mathrm{con}}=(1.357-\frac{0.078}{100}·\frac{(T_f+T_0)}{2})·\sqrt[4]{\frac{(T_f-T_0)}{d}}$

式中： 

d—连接导线直径/m； 

T₀—周围环境温度/℃； 

T_f—散热表面温度/℃； 

导线辐射散热系数为α_rad，因此，导线的总散热系数为： 

α＝α_con+α_rad

同时，导线中通过电流，因此产生焦耳热，自身温度升高，电流通过导线时由自身的焦耳热引起的导线温升为： 

${\mathrm{\Delta T}}_r=\frac{I^2}{\alpha ·B·A_c·\sigma }$

式中： 

α—导线的散热系数/W·m^-2·K^-1； 

B—导线截面周长/m； 

A_c—导线截面积/m²； 

σ—导线的电导率/Ω^-1·m^-1

设环境温度T₀＝10C，为将α＝12W·m^-2·K^-1W·m^-2·K^-1，B＝190*10^-3m，A_c＝400*10^-6m²，σ＝64267352.19Ω^-1·m^-1带入，求得ΔT_r＝4.77C 

T_r＝T₀+ΔT_r＝10+4.77＝14.7C 

设接线端比裸导线温度高ΔT₀，接线端子温度为T_terminal，裸导线长度为L，温度达到稳定，根据傅里叶定律列出微元dx段的导热微分方程，如下所示： 

${\lambda }_c{A}_c\frac{d^2\Delta T_x}{{\mathrm{dx}}^2}-\mathrm{\alpha \beta \Delta }{T}_x=0$

ΔT_x|_x＝0＝ΔT₀

$\frac{d\left(\Delta T_x\right)}{\mathrm{dx}}{|}_{x=\frac{l}{2}}=0$

求解得到：${\mathrm{\Delta T}}_x={\mathrm{\Delta T}}_0·\mathrm{ch}(\eta ·(\frac{l}{2}-x))/\mathrm{ch}\left(\eta \frac{l}{2}\right)$其中：$\eta =\sqrt{\frac{\mathrm{\alpha \beta }}{{\lambda }_c{A}_c}}$

从接线端流入导线的热量为： 

$W={\lambda }_c{A}_c{\left[\frac{\mathrm{d\Delta }{T}_x}{\mathrm{dx}}\right]}_{x=0}={\mathrm{\Delta T}}_0·\sqrt{\alpha ·{\lambda }_c·B·A_c}\left(\mathrm{th}\frac{l}{2}\sqrt{\frac{\mathrm{\alpha B}}{{\lambda }_c{A}_c}}\right)$

当l→∞时，$W={\mathrm{\Delta T}}_0·\sqrt{\alpha ·{\lambda }_c·B·A_c},$ΔT₀＝T_terminal-T_r

端子散热功率:$P=\frac{W}{S}=\frac{(T_{\mathrm{ter}\min \mathrm{al}}-T_r)·\sqrt{\alpha ·{\lambda }_c·B·A_c}}{S}$

这里P为进线端子对外等效的散热功率。同理，可以求得出线端子对外等效的散热功率。 

在CFX中，端子温度T_terminal我们可以实时测得，计算出接线端子等效散热功率后，在CFX中我们通过施加表达式来等效对外散热。 

(6)加载外场的边界条件； 

(7)设置迭代歩数和收敛残差的大小。 

步骤3、采用电磁热流耦合进行分析计算。 

如图5所示，电磁热流耦合计算分析过程如下： 

(1)利用ANSYS Multi-physics软件计算导体焦耳发热功率，详细步骤如下： 

首先将三维软件中导电回路的部分，以x_t文件的形式导入ANSYS Multi-physics软件中，并建立外包空气块，从而使其表面与导电回路激发出的磁力线平行。其次，对模型中各个部件施加对应的电阻率和磁导率物理属性，并在ANSYS Multi-physics中的mesh模块进行网格划分，并施加三相正弦电流负载和磁力线平行边界条件，初始化环境温度，从而获得三维有限元电磁耦合模型。最后，利用ANSYS Multi-physics中solver模块对上述三维有限元电磁耦合模型进行谐波分析，得到开关柜中导体各处焦耳发热功率，并将结果以.csv文件格式导出。 

(2)利用ANSYS CFX软件计算模型中温度、流速，压力等物理量分布，详细步骤如下： 

首先，将在ICEM中画好的网格导入到CFX中，其次，对各个部件施加材料属性，然后，建立流-固、流-流、固-固耦合，设定仿真参数后开始计算直到仿真结果满足收敛条件，最后以.cdb文件格式导出导体温度分布。 

(3)循环求解三维有限元电磁耦合模型和三维流固耦合模型，详细步骤如下： 

考虑电阻率随温度的变化，将计算出的温度载荷文件代替上一步的温度载荷文件，从而得出新的电阻率，再重新计算。若得到的导体温度分布与前一步分析结果最大差异小于1％，则停止循环计算，获得最终稳态温升、流速、压力等物理量分布结果。 

(4)优化设计。若计算结果不满足国标要求，则对模型进行修改，例如：加粗导体直径，改变出气口位置、数量、大小等，再利用上述步骤(1)、(2)、(3)获得优化后的计算结果。 

电磁热流耦合分析的优点：可以准确计算重力驱动对流换热。考虑涡流、 集肤效应、相间效应对导体生热功率分布的影响。考虑温度对电导率的影响，准确定位温度超标点。 

通过以上步骤，即可实现低压配电柜的温度场仿真设计功能，仿真结果如下： 

I＝500A时，穿过各断路器内导体的竖直平面X-Y面，Z＝0.205m的温度分布云图，如图8所示。从图中可以发现，柜子下方温度低，柜子顶端的温度高。由于进线断路器的通过的电流为500A，从图中我们可以清晰地看到进线断路器温升较高，发热比较严重，进线断路器上方空气的温升比它两边温升高。 

图9给出了导电排温升的云图，从该云图中，我们也可以看到进线断路器的温升较高，出线断路器次之。所以，有效地降低断路器的温升是减小开关柜温升的关键。 

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方n式，同样属于本发明保护的范围。