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電容器柜通風(fēng)孔優(yōu)化設計研究
郭曉雷，呂志盛，黃偉強 (廈門(mén)理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建廈門(mén)361024)
摘 要：配電房中電容器柜內的電器元件運行時(shí)會(huì )發(fā)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(shí)，會(huì )導致柜內配套設備熱老化，嚴重時(shí)會(huì )發(fā)生熱機穿，過(guò)熱運行還會(huì )降低設備運行可靠性。本文利用Fluent仿真軟件對電容器柜進(jìn)行建模；對電容器柜內溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行溫升仿真，分析不同位置的出風(fēng)口對電容柜運行時(shí)散熱的效果，確定最佳位置；討論在相同進(jìn)風(fēng)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(shí)物模型，進(jìn)行實(shí)物模型試驗，驗證仿真分析的準確性。 關(guān)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(chēng)補償柜，用作無(wú)功補償,通過(guò)改善電網(wǎng)功率因數提高電能的質(zhì)量1。電容器柜主要由柜殼、隔離開(kāi)關(guān)、熱繼電器、母線(xiàn)、接觸器、斷路器、避雷器、電容器、一、二次導線(xiàn)、端子排、電抗器、盤(pán)面儀表、功率因數自動(dòng)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(shí)，會(huì )導致配套元件熱老化加快，使用壽命降低，其無(wú)功功率的輸出效率逐漸降低，進(jìn)一步影響提供的電能質(zhì)量。通過(guò)研究確定柜體散熱孔的最優(yōu)位置，對維持配套元器件正常運行有著(zhù)重要意義。 1電容器柜的通風(fēng)散熱要
l.1 通風(fēng)方法
一般在工程中的通風(fēng)方式有自然通風(fēng)和強制通風(fēng)兩大類(lèi)，當自然通風(fēng)滿(mǎn)足不了要求時(shí)，就需要以強制通風(fēng)的手段來(lái)達到散熱目的。 所謂自然通風(fēng)，就是指依靠室外風(fēng)力作用形成的壓差或內外溫差導致的熱壓，使內外空氣進(jìn)行交互，熱空氣通過(guò)上層的通風(fēng)口散出的同時(shí)帶走余熱，而室外冷空氣通過(guò)下層的通風(fēng)口進(jìn)人到內部當中。強制通風(fēng),是借助風(fēng)機的機械動(dòng)力而使得空氣流動(dòng)的一種方法，在電容器柜體上層位置裝設排氣扇，通過(guò)機械動(dòng)力使得柜體內部熱空氣從排氣扇的位置散發(fā)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(fēng)口補充進(jìn)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?xún)鹊哪康?。然而，機械通風(fēng)會(huì )產(chǎn)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(cháng)一倍,運行溫度最好保持在40～45℃。國標GB/T 15576—2008中規定，戶(hù)內低壓成套無(wú)功功率補償裝置的周?chē)諝鉁囟炔粦哂?span>40℃。 2 電容柜發(fā)熱與通風(fēng)的計算
2.1 設備的發(fā)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(lián)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(kāi)關(guān)和LMY母線(xiàn)等，主要考慮發(fā)熱器件部位有LMY鋁母線(xiàn)以及BCMJ0.4-16-3自愈式低壓并聯(lián)電容器。 1) 電容器的發(fā)熱量按下邊公式計算。
式中：Q1為電容器發(fā)熱量，kcal/h；Qc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(fā)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(fā)熱量為
式中：Q2為母排發(fā)熱量，kcal/h；P為母排的發(fā)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(fēng)量的計算
電容柜的自然通風(fēng)量計算為
式中:L為電容柜達到熱平衡時(shí)所要求的冷卻通風(fēng)量，m3/h；C為空氣的比熱，為0.24 kcal/kg℃；rjp為空氣平均容重，kg/m3；tp為出風(fēng)口溫度,℃；tj為進(jìn)風(fēng)口溫度，℃；Q為總發(fā)熱量，kcal/h，Q=Q1+Q2。 設置出風(fēng)口溫度tp=40℃，進(jìn)風(fēng)口溫度tj=25℃。在40℃時(shí)空氣容重為1.127 kg/m3,在25℃時(shí)空氣容重為 1.184 kg/m3，則 rjp=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(fēng)口有 3個(gè)，大小一樣，為0.1m×0.05m×0.lm。進(jìn)風(fēng)口有一個(gè)，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(jìn)風(fēng)口邊界條件定義為“壓力入口”，將出風(fēng)口邊界條件定義為“速度邊界”，模擬排氣扇排氣。 4 實(shí)物制作方案
4.1 實(shí)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(xiàn)和電容器沒(méi)有直接的接觸，所以不用考慮傳導。因為是在室內，無(wú)太陽(yáng)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(dòng)成因和流動(dòng)狀態(tài)。 2)流體的物理性質(zhì)（隨種類(lèi)、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(wú)相變(如氣態(tài)與液態(tài)之間的轉化)。 在考慮實(shí)物模型制作的過(guò)程中，需要確定柜體的材料、找到合適發(fā)熱源來(lái)替代柜內母線(xiàn)與電容器的發(fā)熱特性。影響對流換熱系數的因素中，空氣是流體，物理性質(zhì)不變，也沒(méi)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(xiàn)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(fā)熱板。 4.2 實(shí)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(gè)1:1的模型，因此，按 1:0.5的比例做實(shí)物模型。實(shí)物模型參數見(jiàn)表1。
表1 實(shí)物模型參數
5 仿真模擬與模型試驗結果分析
5.1 出風(fēng)口最佳高度優(yōu)化分析
按照通風(fēng)規律，前后貫通的空間是最有利于氣流通過(guò)。進(jìn)風(fēng)口在柜體的正面底部且其位置高度固定不變。出風(fēng)口位置設置在電容器柜的背面，設置風(fēng)速為2m/s來(lái)模擬柜體內外空氣對流情況（模型試驗風(fēng)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(jìn)行模擬。 出風(fēng)口不同高度時(shí)，各個(gè)截面當中出現的最高溫度見(jiàn)表2，其中出風(fēng)口高度在1.9m時(shí)的最高溫度點(diǎn)比其余高度的最高溫度點(diǎn)都要低，對于發(fā)熱較為嚴重的部位有著(zhù)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(fēng)口位置在1.9m為出風(fēng)口最佳通風(fēng)位置。圖2是出風(fēng)口在1.9 m時(shí)的溫度云圖。 表2 出風(fēng)口高度與最高溫度
圖2 出風(fēng)口在1.9m時(shí)溫度云圖
5.2 散熱孔形狀優(yōu)化分析
考慮到進(jìn)風(fēng)口開(kāi)口過(guò)大容易導致老鼠等動(dòng)物通過(guò)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)人柜體內部，采用一系列散熱孔代替進(jìn)風(fēng)口。本文散熱孔形狀考慮兩種，分別是圓形孔和長(cháng)方形孔代替進(jìn)風(fēng)口。為更明顯地體現兩者的差異，將風(fēng)速設置為5 m/s(試驗風(fēng)速為2 m/s)。其他情況和確定進(jìn)、出風(fēng)口最佳高度相同。 圓形散熱孔的散熱效果與長(cháng)方形散熱孔的散熱效果見(jiàn)表3，很明顯，當散熱孔形狀為長(cháng)方形時(shí)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(cháng)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(cháng)方形孔的散熱比較
5.3 散熱孔位置分布及數量?jì)?yōu)化分析
在5.2節中所述的散熱孔全部集中在底部，通過(guò)溫度場(chǎng)分布圖可以清楚地觀(guān)察出柜體中部及上部溫度依舊較高，本節將通過(guò)調整散熱孔位置及散熱孔的數目來(lái)比較散熱效果。進(jìn)風(fēng)口采用長(cháng)方孔形狀，風(fēng)速同樣設置為5m/s(試驗風(fēng)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(shí)的溫度云圖
圖4 散熱孔為長(cháng)方形時(shí)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(guān)系見(jiàn)表4。
表4 散熱孔位置分布與最高溫度關(guān)系
從表4可以看出：當散熱孔位置和數量設置為方案11時(shí)，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(gè)、1.2 m處20個(gè)、1.9 m處30個(gè)，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(yǔ)
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(gè)參考依據。 1)對比分析5組不同出風(fēng)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(cháng)形方孔的散熱影響，仿真結果表明長(cháng)方形孔的散熱效果更顯著(zhù)。 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(gè)、中端和下端20個(gè)時(shí)散熱效果最好，最高溫度仿真模擬為38℃，滿(mǎn)足運行要求，模型試驗為38.9℃：驗證了仿真方案的可靠性。 |
