（广州白云电器设备股份有限公司）
摘要：本文对低压成套开关设备内部温度场特点进行了简单的介绍，严格按照国家标准的要求，使用先进的电流发生装置，对XL型低压成套开关设备进行温升型式试验。
关键词：低压成套开关设备；内部温度；测试
一、XL21型低压成套开关设备的热分析简化模型
低压成套开关设备有多种型式，以下仅对其中一个在低压成套开关设备CCC型式试验中，最为常见的典型产品一一XL21型低圧成套开关设备进行分析与研究。
图1所示是一个非常典型的XL21型低压成套开关设备，它在低压成套开关设备CCC型式试验中，是最为常见的。设备内部只有一个整体空间，但是在使用过程中又可以细分为４部分，顶部电缆进线空间，中部主电路空间，底部电缆出线空间，中前部仪表空间，仪表部分位于门上。
XL21型低压成套开关设备正常运行时，柜体内存在很多发热部分。其中最为主要的发热元为主电路空间中的断路器，母排，以及母排固定连接处，其中主断路器和汇流母排承载电流为400Ａ，四个分支回路的额定电流为100Ａ；中前部仪表空间中，发热部件主要有：电压表，烙断器，万能转换开关，但是他们的发热量相对较小，和主要的发热元器件发出的热量相比，可以忽略不计；底部电缆出线空间中，有N母排和ＰE母排，由于在试验过程中并不施加电流载荷，所以其对温度场的影响和可以忽略不计。由此可见，XL21型低压成套开关设备的发热元件位置相对集中，多个发热体之间的相对位置也较为固定，内部空间结构及形状相对简单。
下面XL21型低压成套开关设备进行分析与研究。
问题描述：XL21型低压成套开关设备处于额定满载工作状态时，根据电流、功率、初始环温，求解出XL21型低压成套开关设备其内部的温度场的分布情况。
图1.XL２１型低压成套开关设备
首先，对图1所示的XL21型低压成套开关设备进行模型简化。外壳选用厚度为２.０ｍｍ的钢板，如图1中ｂ）所示，其构成为：前面是设备门板，后面、顶部、左右两面为设备壳体，底面无钢板壳体。设备内部装有一个主进线塑料外壳式断路器，型号为CＤＭ１－６３０Ｌ／3300，位于设备内部空间中上部；四个出线分支回路塑稱外壳式断路器，型号为CＭＤ１－２２５Ｌ／3300，位于设备内部空间中部；开关出线母排、水平母排，型号ＴＭＹ４0x５ｍｍ２，截面积为２００ｍｍ２，位于主开关下方；分支回路进线母排，型号ＴＭＹ２０x３ｍｍ２，截面积６０ｍｍ２，位于水平母排下方，连接水平母排和分支回路开关。同时，本文在制作简化模型的时候，忽略了设备内部对温度场影响相对较小的器件，包括：安装支架和安装横梁，位于设备内部下方的N、ＰE母排，主开关右侧的熔断器，辅助回路连接导线，门板上的电压表，万能转换开关。
XL21型低压成套开关设备在额定状态下运行时，发热源主要有四个方面：断路器，包括主回路进线塑料外壳式断路器，其型号为CＤＭ１－６３０Ｌ／3300、四个分支回路塑料外壳式断路器，型号为CＤＭ１－６３０Ｌ／3300；母排本身，包括汇流母排ＴＭＹ４０x５ｍｍ２、水平母排ＴＭＹ４０x５ｍｍ２、分支回路进线母排ＴＭＹ２０x３mm２；元器件接线端与母排的固定连接处；母排间的固定连接处。
接下来，需要对简化后的模型的热载荷部件以及热约束条件进行分析。XL21型低压成套开关设备的门板，顶部、后部左右两侧外壳与内外空气流体介质之间有热对流，其边界条件满足Γ２。其次分析热约束，XL21型低压成套开关设备外壳的边界湿度和主要发热源的边界温度。本文的研究对象：XL21型低压成套开关设备内部，各个元器件的功率大小十分接近，相互间的热福射微乎其微可以忽略，因此在求解过程中忽略热福射的影响，只需要分析热传导、热对流对整个求解过程的影响。
将上述热载荷、热约束条件施加到简化好的模型上的方法有两种，可以在实体模型的点、线、面、体上施加，也可以在节点和单元上施加。以上载荷、边界条件的定义型式有H种，一种为单值，一种为表格，另一种为函数。
本论文所涉及的载荷类型有：温度（TEMP）、对流（CONV）、热流密度（HFLUX）、生热率（HGEN），加上各种器件的数据、边界条件，便可对模型求解。
二、XL21型低压成套开关设备的ANSYS14.0热分析
1.构造实体模型
运用ANSYS 14.0有限元分析软件对XL21型低压成套开关设备温升试验过程进行分析，内部环境温度场分析的过程如下：
图2.XL21型低压成套开关设备的Ｈ维实体构造模型
图2是利用图1所示的XL21型低压成套开关设备的各项结构性能指标，在ANSYS 14.0软件中，利用图形系统，直接搭建的有限元分析数学特征模型。绘制出的XL21型低压成套开关设备应用模型的空间尺寸和主要热源主进线断路器、分支回路出线断路器、主进线断路器出线母排、分支回路出线断路器进线母排、水平母排等，位置与实际情况保持一致。但是，同实际样机相比，此模型并没有将发热量对温度场影响较小的次要热源考虑在内，只保留了发热量较大，对整体温度场影响较大的热源。如：设备内部下方的Ｎ、ＰＥ母排，主进线断路器右侧的烙断器，门上的仪表、开关，辅助回路连接导线等。所以模拟仿真计算方法得到的结果，同型式试验测量得到的结果之间，必然的会存在一定的偏差，但是这个偏差只要是在标准的检测范围允许内，仿真结果也是可以得到认可的。
2.划分单元网格
图3.ANSYS 14.0对兰维实体模型的自适应网格划分
对图2所示的模型进行自适应网格划分，得到的结果如图3所示。由图可见：模型中主要热源，塑壳断路器、主回路出线母排、水平母排、分回路进线母排的网格密度大，网格划分较细，因此在计算的时候取的节点较多；壳体的网格密度较小，网格划分较粗.相应地在计算的时候取的节点较少。壳体部分的计算节点相对较少，计算精度相比于主要发热源较低，如此划分主要原因是在于，壳体本身面积较大，外表平整光滑，几何模型相对简单，材质热传导性能较好，小区域內媪差不会很大。这里运用四面体自适应网格划分的方法对实体模型进行网格划分，这种网格划分方法可以将所要作的计算和分析产生的偏差降至最小，所以这种网格的划分方法是可行的，其计算结果是可信的。
3.热分析结果
图4是在定义材料属性、网格划分基础上，经过施加热生成的载荷，定义边界条件，依据设定参数进行计算，最终得到的各节点温度分布云图。
图４.ANSYS 14.0对Ｈ维实体模型计算出的节点温度分布
а）为XL21型低压成套开关设备内部温度分布云图。由图可以看出，开关设备的温度分布主要分为两大部分。
其主要热源的体积同整个设备相比体积非常小，因此产生的热量比较集中，温度相对较高。主开关温度最高，总体温度在64.8044℃至81.7492℃之间，整套设备的最高温度81.7492℃，出现在主开关进线端Ｂ相；分支回路断路器，母排连接端子温度较高，而塑料外壳的侧面温度较低；母排系统的温度比较平均，总体分布在59.1561℃至70.4527℃之间，母线间相互搭接，以及同断路器端子相连接的部分温度较高。
由顶板、侧板、后板組成的壳体部分，温度总体分布较为平均，温差不大。温度相对较高的区域，位于后板在靠近主发热部件的区域，以及顶板主断路器正上方的位置。湿度范围大致在30.9146℃至42.2112℃之间，最低温度为30.9146℃，出现在整个设备的最底部，最高温度为41.79℃，位于后板，主断路器后侧稍微偏上的位置。
b）为XL21型低压成套开关设备外部总体温度分布云图。由图可看出，整台设备壳体的口板部分，温度总体分布较为平均，温差不大。温度相对较高的区域，位于主发热器件的正前方。由于外壳的网格密度较为稀疏，分布云图呈规则分布状态，形状较为突兀。
为了方便将两种试验方法所得到的结果值进行比较，我们将传统试验方法的测试点位置，全部转化为模型中坐标点的位置，然后将每个坐标点的位置输入计算结果当中，然后软件会自动提取出与坐标点位置最为接近的关键点的计算结果值。将用来作为测试点的未知温度的节点，通过分析计算得到的温度值，从整个输出结果中提取出来，汇总成表1。
结束语
近几年来，型式试验的方法有所改变，但是形式始终无法脱离旧有的模式，必然伴随着大量的人力资源和电能资源损耗；在检测方法发展缓慢的几十年里，计算机科学技术飞速发展，高精尖的科学技术正逐步运用于低压成套开关设备的开发与设计之中。希望本论文能为国内同行业的科研人员提供一些有益参考，让合理化的检测手段早日运用到低压成套开关设备的型式试验当中。
参考文献：
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[2]天津电气传动设计研究所有限公司等．GB72511-2013低压成套开关设备和控制设备第２部分：成套电力开关和拉制设备[Ｓ]．北京：中国惊准出版社2014
[3]叶丽萍．低压配电柜的开发与应用探讨[Ｊ]．中小企业管理与科技2014．
[4]郑立新．低压成套开关设备的发展现状及风脸监测分析[Ｊ]．广西质量监督导报，2015
论文作者:郭洁锋
论文发表刊物:《河南电力》2019年3期
论文发表时间:2019/10/10
标签：低压论文; 开关设备论文; 断路器论文; 回路论文; 温度论文; 模型论文; 网格论文; 《河南电力》2019年3期论文;