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12kV开关柜温度场分析及优化设计

郑伟龙  
【摘要】:在电力系统中,中压开关柜是确保电力运行安全可靠的重要设备,而发热故障是其中最易发生的故障之一。而且在大多数发热故障中,开关柜的触头是引起发热的主要因素,它所产生的热量是最主要的热源,导致开关柜温度难以达到国家标准,在长时间运行的工作状态下,会造成开关柜内部部件的损坏,甚至造成短路波及其它设备,最终影响到电力系统的稳定性,带来不可挽回的损失。本文系统地分析了12 k V开关柜在自然对流条件下的温度场和流场,针对开关柜断路器的发热和散热进行了优化设计,主要研究内容如下:首先,介绍开关柜内部发热和散热的基本原理,如电器学、传热学等理论。介绍有限热分析理论,了解有限元软件对热场的计算。研究接触电阻和电阻损耗等因素对载流导体发热功率的影响,分析热对流和热辐射对其散热系数的影响。其次,利用ANSYS有限元仿真软件对12k V开关柜进行温度场和流场的仿真分析,包括建立该型号开关柜的简化模型,设定相应的导体材料属性,在综合考虑载流导体集肤效应及邻近效应影响的基础上,建立多物理场的耦合模型,对开关柜的流体进行仿真求解,并对开关柜的三相导体在自然对流条件下进行了不同空间位置气体流动规律的分析,对开关柜顶部泄压板气体进出面积进行了对比和总结。最后,通过温升试验检验了仿真结果的合理性,分析误差产生的因素并进行仿真参数的修正。在分析仿真结果和温升试验数据的基础上,对开关柜内断路器结构和开关柜散热通道进行优化设计,通过改变梅花触头触片的大小和数量,增大触臂内外径和极柱端子的搭接面,使用高导热性环氧树脂填充的极柱,对开关柜顶部泄压板更换为黑色波纹网板等优化措施,改善了开关柜的热性能。最终的温升试验结果表明,优化后的开关柜温升能够满足当前国家标准的要求,验证了将铜材质的触臂和极柱出线端子更换为铜铝材料,通过螺栓搭接触臂和梅花触头的可行性。


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