郭曉雷，呂志盛，黃偉強

(廈門理工學院電氣工程與自動化學院，福建廈門361024)

摘  要：配電房中電容器柜內的電器元件運行時會發出熱量，致使電容柜內溫度升高。特別是當電容器柜內溫度超出規定的上限溫度時，會導致柜內配套設備熱老化，嚴重時會發生熱機穿，過熱運行還會降低設備運行可靠性。本文利用Fluent仿真軟件對電容器柜進行建模；對電容器柜內溫度場分布情況進行溫升仿真，分析不同位置的出風口對電容柜運行時散熱的效果，確定最佳位置；討論在相同進風總面積、相同數量不同形狀的散熱孔對柜體散熱效果的影響；確定散熱孔位置分布、最佳散熱孔數量，從而確定最佳的散熱方案。制作出實物模型，進行實物模型試驗，驗證仿真分析的準確性。

關鍵詞：電容器柜；溫升仿真；散熱孔；模型試驗

0 引言

電容器柜，也稱補償柜，用作無功補償,通過改善電網功率因數提高電能的質量1。電容器柜主要由柜殼、隔離開關、熱繼電器、母線、接觸器、斷路器、避雷器、電容器、一、二次導線、端子排、電抗器、盤面儀表、功率因數自動補償控制裝置等組成。

當電容器柜內溫度超出上限允許溫度時，會導致配套元件熱老化加快，使用壽命降低，其無功功率的輸出效率逐漸降低，進一步影響提供的電能質量。通過研究確定柜體散熱孔的最優位置，對維持配套元器件正常運行有著重要意義。

1電容器柜的通風散熱要

l.1 通風方法

一般在工程中的通風方式有自然通風和強制通風兩大類，當自然通風滿足不了要求時，就需要以強制通風的手段來達到散熱目的。

所謂自然通風，就是指依靠室外風力作用形成的壓差或內外溫差導致的熱壓，使內外空氣進行交互，熱空氣通過上層的通風口散出的同時帶走余熱，而室外冷空氣通過下層的通風口進人到內部當中。強制通風,是借助風機的機械動力而使得空氣流動的一種方法，在電容器柜體上層位置裝設排氣扇，通過機械動力使得柜體內部熱空氣從排氣扇的位置散發出去，柜體內部氣壓降低，在大氣壓的作用下迫使冷空氣從下層的通風口補充進柜體內，從而達到維持柜體內部溫度恒定在配套元器件允許運行溫度范圍以內的目的。然而，機械通風會產生噪音以及電能消耗。

1.2 運行溫度要求

電容器運行溫度每降低10℃，其工作壽命將延長一倍,運行溫度最好保持在40～45℃。國標GB/T 15576—2008中規定，戶內低壓成套無功功率補償裝置的周圍空氣溫度不應高于40℃。

2 電容柜發熱與通風的計算

2.1 設備的發熱置計算

本文以0.4kV GGD-07型低壓交流電容補償柜為研究對象，柜體內的元器件主要有:BCMJ型自愈式低壓并聯電容器、JR36型熱繼電器、CJ19型接觸器、DZ47微型斷路器、BH互感器、FYS型避雷器、HD17X-400型刀開關和LMY母線等，主要考慮發熱器件部位有LMY鋁母線以及BCMJ0.4-16-3自愈式低壓并聯電容器。

1) 電容器的發熱量按下邊公式計算。

 

式中：Q₁為電容器發熱量，kcal/h；Q_c為電容器裝置額定容量,kVar；tanδ

電容柜所用10臺電容器的型號為BCMJ0.4- 16-3。其損耗角正切值取0.1%,每臺額定容量為 16kvar，則總容量為160kvar。

帶人上式中得

2)電容柜母排發熱量計算。本電容柜母排的型號為LMY100X8,在最高允許溫度65℃的情況下載流量為1197 A,母排組的總電阻R=6.3476×l0^-4 Ω。計算母排發熱量為

 式中：Q₂為母排發熱量，kcal/h；P為母排的發熱功率,kW；I為母排的載流量，A；R為母排的電阻，Ω。

 把上邊數值代入上式中得

2.2 通風量的計算

電容柜的自然通風量計算為

 

式中:L為電容柜達到熱平衡時所要求的冷卻通風量，m³/h；C為空氣的比熱，為0.24 kcal/kg℃；r_jp為空氣平均容重，kg/m³；t_p為出風口溫度,℃；t_j為進風口溫度，℃；Q為總發熱量，kcal/h，Q=Q₁+Q₂。

設置出風口溫度t_p=40℃，進風口溫度t_j=25℃。在40℃時空氣容重為1.127 kg/m³,在25℃時空氣容重為 1.184 kg/m³，則 r_jp=1.155 5 kg/m³,L=221.12 m²/h。

3 電容器柜的建模仿真

3.1 模型建立

電容器柜柜體大小為1m×0.6m×2.2m。有10臺電容器大小為0.056m×0.165m×0.195m，出風口有 3個，大小一樣，為0.1m×0.05m×0.lm。進風口有一個，大小為0.2m×0.05 m×0.2 m,以及一系列較復雜的母排，如圖1所示。

  

 圖1  電容柜模型

3.2 邊界條件定義

1)將柜體、電容器和母排的面邊界條件定義為“壁面”。

2)將進風口邊界條件定義為“壓力入口”，將出風口邊界條件定義為“速度邊界”，模擬排氣扇排氣。

4 實物制作方案

4.1 實物制作原理分析

熱量傳遞的方式有3種:傳導、對流、輻射。配 電房電容器柜內，母線和電容器沒有直接的接觸，所以不用考慮傳導。因為是在室內，無太陽直接照射，電容器之間電磁波的干擾也可以忽略不計，所以只需考慮對流方式對于散熱的影響。影響對流傳熱強弱的主要因素有：

1)對流運動成因和流動狀態。

2)流體的物理性質（隨種類、溫度和壓力而變化)。

3)傳熱表面的形狀、尺寸和相對位置。

4)流體有無相變(如氣態與液態之間的轉化)。

在考慮實物模型制作的過程中，需要確定柜體的材料、找到合適發熱源來替代柜內母線與電容器的發熱特性。影響對流換熱系數的因素中，空氣是流體，物理性質不變，也沒有相變，因此主要考慮的影響因素就是傳熱表面的形狀、尺寸和相對位置。所以熱源替代物主要考慮柜體、母線和電容器傳熱表面的形狀、尺寸和相對位置。柜體材料為亞克力板，熱源替代物為可定做的具有溫控功能的發熱板。

4.2 實物制作方案參數

低壓電容器柜的高度達2.2 m,激光切割機的操作范圍有限,難于做出一個1:1的模型，因此，按 1:0.5的比例做實物模型。實物模型參數見表1。

表1  實物模型參數

 

5 仿真模擬與模型試驗結果分析

5.1 出風口最佳高度優化分析

按照通風規律，前后貫通的空間是最有利于氣流通過。進風口在柜體的正面底部且其位置高度固定不變。出風口位置設置在電容器柜的背面，設置風速為2m/s來模擬柜體內外空氣對流情況（模型試驗風速為2m/s)，高度分別取2、1.9、1.8、1.7、1.6m(模型試驗高度取半)不同高度進行模擬。

出風口不同高度時，各個截面當中出現的最高溫度見表2，其中出風口高度在1.9m時的最高溫度點比其余高度的最高溫度點都要低，對于發熱較為嚴重的部位有著較好的散熱效果，試驗溫度數據同樣符合仿真效果，所以確定出風口位置在1.9m為出風口最佳通風位置。圖2是出風口在1.9 m時的溫度云圖。

表2  出風口高度與最高溫度

  

圖2  出風口在1.9m時溫度云圖

5.2 散熱孔形狀優化分析

考慮到進風口開口過大容易導致老鼠等動物通過進風口進人柜體內部，采用一系列散熱孔代替進風口。本文散熱孔形狀考慮兩種，分別是圓形孔和長方形孔代替進風口。為更明顯地體現兩者的差異，將風速設置為5 m/s(試驗風速為2 m/s)。其他情況和確定進、出風口最佳高度相同。

圓形散熱孔的散熱效果與長方形散熱孔的散熱效果見表3，很明顯，當散熱孔形狀為長方形時散熱效果更好，其最高溫度比圓形散熱孔的要低1℃多，試驗溫度數據同樣符合仿真效果。圓形孔以及長方形孔的局部模型及溫度云圖如圖3-4所示。

 表3  圓孔與長方形孔的散熱比較

 

 5.3 散熱孔位置分布及數量優化分析

在5.2節中所述的散熱孔全部集中在底部，通過溫度場分布圖可以清楚地觀察出柜體中部及上部溫度依舊較高，本節將通過調整散熱孔位置及散熱孔的數目來比較散熱效果。進風口采用長方孔形狀，風速同樣設置為5m/s(試驗風速為2 m/s)。不用的散熱孔用隔板擋住，防止空氣吋流。

  

圖3  散熱孔為圓形孔時的溫度云圖

  

圖4  散熱孔為長方形時的溫度云圖

為了方便分別將柜體正面0.1、1.2 m及1.9 m 處標記為下、中、上端(試驗高度取半）。散熱孔位置分布置與最交溫度關系見表4。

表4  散熱孔位置分布與最高溫度關系

 

從表4可以看出：當散熱孔位置和數量設置為方案11時，最大溫度表現上，仿真為38℃和試驗為38.9℃均為最低，所以散熱孔最佳位置和數目，仿真結果確定為在0.1 m處20個、1.2 m處20個、1.9 m處30個，并且試驗的結果支持軟件仿真的結論。方案11模擬的溫度云圖如圖5所示。

  

圖5  方案11的溫度圖

6 結束語

本設計建立了仿真模型，對散熱孔形狀、位置分布全面考慮，為電容器柜設計提供一個參考依據。

1)對比分析5組不同出風口高度的散熱情況，仿真結果表明高度在1.9 m處的排氣散熱效果最好。不同的電容器柜由于尺寸規格及內部元件布局不統一，其最佳出口高度將不一致。

2)對比分析圓形孔和長形方孔的散熱影響，仿真結果表明長方形孔的散熱效果更顯著。

3) 對比分析散熱孔分配在電容器柜的下、中、上端，仿真結果表明：當上端30個、中端和下端20個時散熱效果最好，最高溫度仿真模擬為38℃，滿足運行要求，模型試驗為38.9℃：驗證了仿真方案的可靠性。