南瑞集团公司(国家电网电力研究院)、江苏南瑞帕维尔电气有限公司、上海新新电气有限公司的研究员李杜、丁永胜、蒋福树在2017年第11期《电气技术》上撰文指出，温升是衡量开关设备长期稳定运行的重要因素之一。

以典型结构KYN912出线柜为例，探讨了高压开关柜热效应的仿真分析方法。首先，对机柜进行有效简化，生成合理的有限元模型。然后，利用电磁仿真软件对开关柜的加热功率进行仿真分析。最后，通过稳态热分析获得了开关柜导体的温度场数据。

实验数据验证了简化开关柜模型的合理性和热模拟分析方法的正确性。开关柜的模拟数据对其温升的优化设计具有指导意义。

随着我国人民生活水平的不断提高，人们对供电质量和可靠性的要求越来越高。然而，随着城市配电网规模的不断扩大，投入运行的高压开关柜的数量也相应增加，其运行对电网的可靠性有很大影响。

断路器导体部分的梅花触头结构复杂。为了便于仿真计算，采用简单的轴对称零件代替梅花接触模型。根据实际回路电阻、欧姆损耗分布、总体积、表面散热面积等因素一致的原则，对轴对称零件进行建模。

图2和图3分别示出了a相导体简化前后欧姆损耗的分布云图。

图2简化的正面欧姆损耗分布

图3简化的欧姆损耗分布

将实验测量值与软件模拟值进行比较后，简化的开关柜导体模型的回路电阻值与实际测量值基本一致。模型中相互接触的导体根据理想的光滑平面接触进行简化。表1中的数据表明，简化的A相导体模型的回路电阻值与测量数据一致，误差非常小。

表1相导线的电阻值

2.2开关柜壳模型简化

装配式结构的开关柜壳更复杂。在建立壳体模型时，忽略了紧固件，以及几乎不影响发热和散热的小零件，如电线捆绑板、电线保护板、导轨、保护板等。忽略钣金零件的安装孔和折边；并将门板简化成平板；将仪器室简化为一个立方体外壳。

机柜尺寸为2240毫米×800毫米×1500毫米(高×宽×深)。根据实际结构尺寸建立的开关柜壳模型如图4所示。

图4简化壳体模型

3开关柜热模拟分析

3.1 开关柜热源计算

使用Infolytica磁场分析模块磁铁的时间谐波场计算开关柜模型的损耗。假设出线柜的额定电流为1250A，仿真时导体上施加的有效值电流为1.1×1250 A，频率为50Hz，收敛误差设置为1%。导体材料为铜，外壳材料为钢，母线套管安装板和电缆拼接板材料为铝。

图5和图6分别是导体部分和壳体表面的欧姆损耗分布云图。图7是具有隐藏侧板和顶板开关柜的整体的欧姆损耗分布云图。

图5示出导体中的最大欧姆损耗功率在开关柜的移动触点处。图6和7示出了外壳上的欧姆损耗功率的大小与导体的位置相关，并且远离导体的位置具有最小的损耗。由于涡流的影响，母线套管安装板和触头盒安装板在壳体中具有最大的欧姆损耗功率。

图5导体上的欧姆损耗

图6外壳上的欧姆损耗

图7 开关柜总欧姆损耗

表2列出了通过电磁模拟分析获得的开关柜导体的总功率和外壳上的欧姆损耗。从表2中的数据可以看出，导体部分的总欧姆损耗功率约为392瓦，外壳的总欧姆损耗功率约为109瓦..外壳上的欧姆损耗约占出线柜总欧姆损耗的22%。

表2 开关柜的欧姆损耗总功率

3.2 开关柜导体温度场模拟

对开关柜导体模型进行电磁分析后，将获得的损耗数据导入热网热分析模块，计算导体部分的稳态温升。

由于散热环境不同，分支、动、静触头等部件的对流传热系数也不同。KYN 912出线柜无风扇，内部为自然对流换热方式。其对流换热系数可通过流体分析软件计算。

环境温度为22℃时三相传导温升模拟数据和温度场测试数据见表3。表3中的数据表明，模拟数据与温升试验数据吻合良好。模拟数据的最大误差为3℃，位于a相的上支路

表3 开关柜导体温度

结论

1)介绍了通过简化结构建立有限元仿真模型的方法。仿真模型中导体部分的电阻值与回路电阻分析仪测量值基本一致。

2)描述了开关柜仿真模型的电磁场和温度场间接耦合分析过程，给出了开关柜损耗(即热源)的分布和导体零件的温升分布。温升试验结果表明，模拟数据与试验数据基本一致。

3)流体分析软件适用于局部构件的精确流固耦合分析，以获得各构件的散热系数。稳态热分析计算速度快，求解条件可根据各部件的散热系数简单设定，适用于开关柜等复杂组件整体温度场的模拟分析。模拟分析得到的温升结果对开关柜的温升优化设计具有指导意义。

开关电源转换器-开关电源的原理模拟和设计