0  引言

    高压开关柜柜体封闭，负荷电流大，柜体内部散热性差，设备发热问题较为严重。而封闭式高压开关柜箱体的温度是其内部元件运行状态分析的主要依据。已有对柜内基于载流元件温度的故障检测研究，文献[1]介绍了运用于开关柜的若干种测温方法及其优缺点。与蜡片变色测温的操作简单、准确度低相比，光纤光栅技术的准确性稳定性高、价格昂贵，推广难度大^[2-5]。文献[6-8]介绍了非接触式的红外测温技术在开关柜故障检测中的应用，然而它无法直接监测到开关柜内部温度。

    为了更好针对封闭开关柜的内部热故障精准运维，本文提出基于有限元的开关柜热场传导仿真。首先，通过三维绘图软件SolidWorks建立开关柜模型，再利用有限元方法对此模型温度场进行仿真分析，得到不同负载电流情况下开关柜柜体温度变化情况。之后，利用红外热成像仪对10 kV封闭内开关柜的柜体温度进行测量，将仿真温度与红外温度进行比较，验证模型的准确性，为开关柜故障诊断奠定基础。

1  基于SolidWorks的开关柜模型构建

1.1  KYN28-12开关柜结构

    目前，在供电系统中，投入运行的开关柜主要是XGN型开关柜及KYN型开关柜。KYN型高压开关柜由于操作方便、载流量大、结构完善，已经成为高压开关柜的主流产品。本文就主要针对KYN28-12开关柜进行研究。

    KYN28-12开关柜是3.6~12 kV三相交流50 Hz的户内成套配电装置，用于接收和分配网络电能并对电路实行控制保护及监测。其模型结构相对复杂，主要分为母线室、断路器手车室、电缆室、继电器仪表室四个部分，其柜内结构如图1所示。

1.2  开关柜模型建立

    利用ANSYS Workbench进行有限元仿真时，可利用软件本身包含的Design Model平台建立开关柜3D模型。但是考虑到开关柜结构的复杂性以及在DM平台上建模的复杂性，为提高建模的速度和准确度，本文将SolidWorks与ANSYS Workbench建立好接口，先使用SolidWorks三维绘图软件对开关柜进行建模，画出开关柜的3D模型，再将模型导入ANSYS Workbench有限元软件中。

    开关柜内部包含了许多零部件，其尺寸差异较大，因此需要对开关柜进行简化，得到的简化模型如图2所示。

2  热传递理论

    开关柜在工作时所产生的热能与载流导体中通过的电流有关。载流导体中存在电阻，根据焦耳定律Q=I2Rt（其中Q为产生的热量，I为通过导体截面的电流大小，R为电流通过的材料的阻值，t为时间），当电流通过载流导体时，将会产生热能，一部分热能会传递到周围介质中，一部分会使开关柜中零件温度升高。

    开关柜的传热包括热传导、热对流、热辐射。热辐射是指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热的能量交换过程。温度越高，辐射出的总能量就越大。一般情况下，开关柜即使出现热故障，温度也不会达到几百摄氏度。因此，热辐射对开关柜的影响并不大，本文将忽略此因素对温度的影响。

    热传导是指物体各部分或不同物体之间由于温度梯度所引起的内能的交换。只要物体存在温度差异，为了平衡这种温度差异，就会有热传导产生，遵循傅里叶定律，其关系式为：

式中，P_k为传导功率（W），A_k为热传导物体截面（m²），l_k为热传导物体长度（m），Δt为物体两端温度差（℃），λ为热传物体热导率（W/(m·K)）。

    热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间由于温差的存在引起的热量交换。热对流用牛顿冷却方程来描述，其关系式为：

式中，q为热流量（W），h_j为对流传热系数（W/m²），A_j为壁面面积（m²），T_S为物体表面温度（℃），T_B为周围流体温度（℃）。

    上述的传热方式其根本都是能量的传递，遵循能量守恒定律。对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出）,有：

式中，Q为热量，W为做功，ΔU为系统热力学能，ΔKE为系统动能，ΔPE为势能。

    对于大多数工程传热问题：

    通常考虑没有做功，即W=0，则Q=ΔU。

    热分析分为稳态热分析和瞬态热分析。若热能流动不随时间而变化，则热传递是稳态的。稳态热分析中流入系统的热量与流出的热量相等，用公式表示为Q=ΔU=0。瞬态热分析中系统的温度场随时间变化明显，流入或流出的热传递速率q用公式表示为q=dU/dt。利用红外热像仪拍摄红外图片时，开关柜已经处于热平衡状态，因此本文针对的热分析为稳态热分析。

3  有限元仿真

3.1  有限元简介

    有限元方法是由COURANT R于1943年首次提出并在20世纪50年代由航空结构工程师们所发展起来的，是数值计算的一种。由于其网格计算的灵活性、程序计算的通用性等优势，有限元方法迅速地发展和应用起来。它的基本原理是将具有无限个自由度的连续求解区域离散为具有有限个自由度、且按一定方式相互连接在一起的离散体，即将连续体划分为数目有限的离散单元。在一定的精度要求下，对每个单元用有限个参数来描述其特性，而整个特性即为这些单元特性的总和，从而求得整个连续求解域的规律。目前，市场上存在若干种有限元分析软件，ANSYS Workbench有限元软件因其界面友好、操作简便、适合做工程应用等特征被人们广泛使用，本文就利用ANSYS Workbench软件进行有限元分析。

3.2  参数设定

    开关柜母排、断路器静触头、动触头、触臂的材质为铜，静触头盒材质为绝缘材料，柜体外壳为镀锌钢板，其材料参数如表1所示。

3.3  网格划分

    网格划分是整个有限元分析的关键工作，其质量和优劣对计算结果会产生相当大的影响。开关柜的部件尺寸相差大，有些部件尺寸相对较小但对传热影响较大，若这些部位网格划分处理不当，会使得网格划分效果差，对最终的结果造成很大的影响^[9]。同时，划分的单元的个数过多不仅不能提升计算结果的准确度，还会使计算机的计算量变大而导致计算速度变慢，甚至求解不出来结果。本文首先采用自动网格划分对开关柜进行网格划分，然后对重点部位以及网格发生较大变形的位置采用局部网格划分法再进一步细化，网格数为94 340，网格划分示意图如图3所示。

3.4  仿真

    开关柜虽然呈封闭状态，但其顶部有用于通风散热的通风孔，也有风机向外排风，同时，开关柜下部与地面贴合，因此柜体上部的对流会比下部大。参考文献[10]可知，柜体四周的对流换热系数为12 W/m²·℃，本文设定开关柜下部对流系数为10 W/m²·℃，上部为35 W/m²·℃。仿真结果如图4所示。

4  实验结果

    对珠海供电局220 kV变电站实际运行的开关柜拍摄红外图片，结合红外热像仪配套的分析软件，可以得到开关柜柜体的红外图片如图5所示。

    为了更好地对比分析仿真结果的准确性，利用红外热像仪分析软件，取红外图片中开关柜柜体不同位置的线平均温，如图6所示。

    用上述方法得到开关柜在不同负荷情况下柜体温度变化，如表2所示。

    利用ANSYS Workbench有限元软件，得到3.4节的仿真结果。为了得知开关柜柜体部分的温度值，在仿真求解结果中，利用探针得到其对应位置的具体温度值，如图7所示。

    通过对开关柜红外图片的处理以及仿真结果的分析，得到在不同负荷下开关柜红外拍摄的温度与其对应的仿真温度，如表3所示。

    从表3可以看出，红外温度与仿真温度的结果是比较接近的，最大误差不超过3℃，可以作为实际开关柜运行的仿真模型，为开关柜进一步的故障诊断提供依据。其中出现误差的可能原因在于：（1）红外热像仪拍摄过程中受大气吸收、周围物体热辐射、设备运行工况等影响，使其拍摄的红外图片存在一定的误差；（2）本文所建立的开关柜模型与实际开关柜并不是完全一样，温度传导过程中可能还受到开关柜内其他因素的影响。在今后的研究中，可以对此进行深入分析。

5  结论

    开关柜是电力系统中非常关键的电力设备，它的安全稳定运行对社会的经济发展有着重大的影响。本文基于ANSYS Workbench有限元分析软件，对开关柜热场传导进行仿真，并将其与实际拍摄的红外图片进行对比，验证其仿真的准确度，为开关柜后续的故障诊断奠定基础，可以从更多角度分析开关柜运行情况，提高开关柜运行的稳定性、安全性，从而使电力系统更高效地运行。

参考文献

[1] 刘柳. 高压开关柜故障诊断系统研究[D]. 成都: 西南交通大学，2015. 

[2] 李成榕, 马国明．光纤布喇格光栅传感器应用于电气设备监测的研究进展[J] .中国电机工程学报，2013，33(12)： 114-122．

[3] 廖志军, 黄新波. 基于光纤光栅的高压开关柜温度监测系统设计[J]. 广东电力, 2015, 28(3): 50-55．

[4] 祁欣, 王金帅, 王恺笛. 光纤光栅传感器在高压开关柜温度监测中的应用[J]. 山东工业技术, 2016(24): 264. 

[5] 陈强, 李庆民．高压开关设备触头温度监测技术研究进展[J]．高电压技术, 2015, 51(9): 146-153．

[6] 邹睿, 边瑞恩, 杨夏. 大电流开关柜发热故障分析与红外测温技术应用[J]．电工技术, 2017(2): 36-37．

[7] 史宏伟, 王俊平. 基于红外测温技术的开关柜非接触式测温系统研究[J]. 机电工程技术, 2014, 43(1): 63-66. 

[8] 张振全. 应用红外热成像仪进行设备检测及故障分析[J]. 科技资讯, 2012(19): 110-112. 

[9] 贾文卓. 基于ANSYS的开关柜电场与温度场仿真计算 [D]. 天津: 天津大学, 2013. 

[10] 徐国政. 高压断路器原理和应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2010: 46-63. 

作者信息:

肖立军1，邹国惠1，蓝鹏昊1，周可慧2，臧晓春2

(1. 广东电网公司珠海供电局, 广东 珠海 519000；

2.华南理工大学 电力学院, 广东 广州 510640)