低壓成套開關(guān)設(shè)備溫升試驗(yàn)方法分析

陸俊陽

（武漢波光源科技有限公司，湖北 武漢 430000）

所謂溫升試驗(yàn)就是給設(shè)備施加額定電流，模擬設(shè)備在滿負(fù)荷正常條件下的運(yùn)行，驗(yàn)證設(shè)備中各部件的溫升極限是否超過國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。本研究是以低壓成套開關(guān)設(shè)備溫升試驗(yàn)為研究對象。

傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)就是對實(shí)際試品模擬正常使用狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，通過電流源對設(shè)備的每個(gè)支路施加額定電流，然后在主回路進(jìn)行短接，從而構(gòu)成完整的回路，使整個(gè)柜體達(dá)到額定電流[1]。然后通過溫度采集儀器將柜內(nèi)各溫度測量點(diǎn)的溫度進(jìn)行采集，計(jì)算出溫升值與國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較看其是否滿足要求。在研究中提到的另一種試驗(yàn)方法為模擬仿真試驗(yàn)方法，模擬仿真試驗(yàn)就是通過模擬仿真軟件將試品的各種參數(shù)條件輸入到電腦中，然后再通過仿真軟件建立實(shí)體模擬，施加載荷，模擬計(jì)算出各測試點(diǎn)的仿真溫度值。

本研究將以XL 型低壓動力配電柜為例，通過對2 種溫升試驗(yàn)方法進(jìn)行對比，得出模擬仿真試驗(yàn)可行的結(jié)論。

1 低壓成套開關(guān)設(shè)備傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)方法解析

1.1 XL 型低壓動力配電柜溫升試驗(yàn)方法

1.1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前根據(jù)柜體的額定電流（InA）和各支路的額定電流（Inc）繪制出溫升示意圖，如圖1 所示。圖中標(biāo)注了主斷路器、支路斷路器的額定電流、母線尺寸。

圖1 XL 型低壓動力配電柜溫升示意圖

試驗(yàn)過程中XL 型低壓動力配電柜試品按照正常使用方式放置，所有覆板全部安裝到位。試驗(yàn)開始后，所有支路施加額定電流值，直到溫升穩(wěn)定后方可停止試驗(yàn)。判定溫升達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn):所有溫升測量點(diǎn)在1 h 內(nèi)溫度變化不超過1 ℃時(shí)，方可認(rèn)為達(dá)到溫升穩(wěn)定狀態(tài)。

1.1.2 XL 型低壓動力配電柜溫升試驗(yàn)設(shè)備

本次溫升試驗(yàn)所使用的試驗(yàn)設(shè)備：程控交流恒流源GESHL-Ⅱ-3×100 兩臺，溫度測量及采集使用的是34972A 數(shù)據(jù)采集器及T 型熱電偶。

1.1.3 周圍空氣溫度的測量

本次周圍空氣溫度的測量采用熱電偶測量。用兩根熱電偶均勻布置在試品兩側(cè)距離試品1 m 處，高度為試品高度的一半。為防止對流和熱輻射對測量結(jié)果的影響，將熱電偶放入油杯中來測量環(huán)境溫度。

1.2 XL 型低壓動力配電柜溫升試驗(yàn)過程

1.2.1 試驗(yàn)導(dǎo)線的連接

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，將試驗(yàn)導(dǎo)線依據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行連接，如圖2 所示。

圖2 XL 型低壓動力配電柜溫升試驗(yàn)現(xiàn)場

本次試驗(yàn)采用逆送電流的方法，給支路分別施加額定電流，然后在主開關(guān)進(jìn)線端進(jìn)行短接，從而構(gòu)成完整的回路使主開關(guān)達(dá)到400 A 的額定電流。

1.2.2 溫升測試點(diǎn)的布置

在確認(rèn)接線無誤后，進(jìn)行溫升測試點(diǎn)的布置。根據(jù)試驗(yàn)前繪制出溫升測試示意圖1 進(jìn)行主回路的溫升測試點(diǎn)布置；然后再由柜體內(nèi)部到外部進(jìn)行操作手柄、成套設(shè)備內(nèi)、主開關(guān)周圍、主母線周圍、外殼、距接端1 m 處的溫升測試點(diǎn)的布置；最后進(jìn)行周圍空氣溫度測量點(diǎn)的熱電偶布置，用至少兩根熱電偶放在油杯中測量環(huán)境溫度，均勻分布在試品周圍，在試品高度的1/2 處、距離試品約為1 m 處放置[1]。

本試驗(yàn)室采用熱電偶進(jìn)行溫度測量，用鋁箔膠帶壓接和膠水粘貼的方法進(jìn)行熱電偶的固定。熱電偶固定過程中要確保鋁箔和熱電偶與測試位置粘貼緊密牢固，以免測試過程中熱電偶脫落影響測量結(jié)果。

1.2.3 通電溫升試驗(yàn)

熱電偶粘貼完畢后將開關(guān)均閉合，經(jīng)檢查無異常后關(guān)閉柜門進(jìn)行通電試驗(yàn)。

先接通程控交流恒流源試驗(yàn)電源，按照試驗(yàn)要求進(jìn)行試驗(yàn)電流參數(shù)設(shè)定，然后進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，待試驗(yàn)電流穩(wěn)定后開始試驗(yàn)。同時(shí)利用數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)電流和采集到的溫度，并且記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)溫升達(dá)到穩(wěn)定后再記錄一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，停止試驗(yàn)。

1.3 溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)

XL 型低壓動力配電柜經(jīng)過5.5 h 的通電試驗(yàn)后，各測量點(diǎn)的溫升均達(dá)到穩(wěn)定值，通過計(jì)算得出XL型低壓動力配電柜傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)方法的溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表1。

表1 試驗(yàn)實(shí)測溫升試驗(yàn)結(jié)果

2 XL 型低壓動力配電柜的ANSYS 16.0 熱分析

2.1 溫度場模型的熱分析數(shù)據(jù)

對低壓動力配電柜進(jìn)行建模前的結(jié)構(gòu)簡化，要通過以下幾方面進(jìn)行:

（1）根據(jù)低壓動力配電柜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及傳熱情況對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將其轉(zhuǎn)化為有限單元，最后再對有限單元進(jìn)行模擬仿真。

（2）根據(jù)XL 型低壓動力配電柜傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)測量點(diǎn)的要求，在模型中選取對應(yīng)的溫度測量點(diǎn)，對這些點(diǎn)進(jìn)行熱分析，計(jì)算出模擬仿真結(jié)果。

（3）XL 型低壓動力配電柜在運(yùn)行過程中，內(nèi)部各元器件產(chǎn)生的熱會在柜體內(nèi)部產(chǎn)生對流，在熱分析過程中需要處理對流對整個(gè)溫度場的影響。

對XL 型低壓動力配電柜進(jìn)行熱分析時(shí)，根據(jù)內(nèi)部元器件的生熱機(jī)理及溫度場模型的要求，需要準(zhǔn)備各種元器件制作材料的相關(guān)數(shù)據(jù)及施加載荷的數(shù)據(jù)，見表2。

表2 施加載荷數(shù)據(jù)

①相關(guān)元器件的材料

殼體:2.0 mm 冷軋鋼板。

試驗(yàn)導(dǎo)線:聚氯乙烯絕緣導(dǎo)線；線芯材質(zhì)：銅；外部防護(hù)層：聚氯乙烯；截面積：35 mm2和240 mm2。

主塑料外殼斷式路器：NM1-400S/3300；

分支回路塑料外殼式斷路器：NM1-125S/3300；

母線規(guī)格：主斷路器出線：TMY-8×30 mm2；

水平母線：TMY-5×50 mm2；

分支母線：TMY-3×15 mm2；

TMY-20×5 mm2。

②熱載荷數(shù)據(jù)

XL 型低壓動力配電柜在正常運(yùn)行過程中，其殼體內(nèi)外存在熱對流現(xiàn)象，因此在溫度場模型中需考慮熱對流。由于柜體內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，各元器件的熱輻射影響較小，故忽略不計(jì)。

生熱率:PZ=7.89×105W/m3，PF=6.43×105W/m3，Pc=1.29×105W/m3，Ps=0.82×105W/m3，Pf=1.14×105W/m3。

③周圍環(huán)境溫度

由于XL 型低壓動力配電柜的傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)，現(xiàn)場環(huán)境溫度為25 ℃，因此在仿真試驗(yàn)時(shí)選擇環(huán)境溫度為25 ℃，XL 型低壓動力配電柜邊界溫度:θc=25 ℃，斷路器表面溫度:θs=25 ℃。

2.2 構(gòu)造實(shí)體模型

通過ANSYS 16.0 軟件對已經(jīng)簡化處理后的XL 型低壓動力配電柜構(gòu)建模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且對需要進(jìn)行計(jì)算的節(jié)點(diǎn)運(yùn)用軟件進(jìn)行計(jì)算求解，計(jì)算出低壓動力配電柜的溫度分布模型。

運(yùn)用ANSYS 16.0 有限元分析軟件對XL 型低壓動力配電柜內(nèi)部溫度場分析的過程如下：利用XL型低壓動力配電柜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及各項(xiàng)性能指標(biāo)，在ANSYS 16.0 軟件中搭建的有限元分析數(shù)學(xué)特征模型[2]。為了達(dá)到更加真實(shí)的效果，繪制出的模型與實(shí)際柜體結(jié)構(gòu)保持一致。為了簡化溫度場模型，在建模過程中將對整體溫度影響較小的輔助電路儀器儀表及設(shè)備底部的N、PE 母線忽略不計(jì)。所以模擬仿真計(jì)算方法得到的結(jié)果，與傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)測量的結(jié)果存在一定的偏差，但是此偏差在標(biāo)準(zhǔn)允許的誤差范圍之內(nèi)。

2.3 施加熱生成載荷及溫度的邊界條件

（1）根據(jù)實(shí)際發(fā)熱情況的不同可以將柜體內(nèi)部的熱源分為以下5 種

①主塑料外殼式斷路器內(nèi)部導(dǎo)體的生熱率PZ。

②主斷路器出線母線的生熱率Pc。

③水平母線的生熱率Ps。

④支路斷路器內(nèi)部導(dǎo)電體的生熱率PF。

⑤分支回路斷路器進(jìn)線母線的生熱率Pf。

（2）設(shè)置初始溫度

在進(jìn)行傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)時(shí)，XL 型低壓動力配電柜樣機(jī)放置在25 ℃的試驗(yàn)室環(huán)境中，由于長期放置使試品內(nèi)各部位的溫度與環(huán)境溫度達(dá)到熱平衡狀態(tài)，即初始溫度等于環(huán)境溫度25 ℃。因此，將模擬仿真試驗(yàn)的初始環(huán)境條件設(shè)定為25 ℃。

2.4 熱分析結(jié)果

通過定義材料屬性、構(gòu)造實(shí)體模型、施加熱生成的載荷、定義邊界條件等過程后，對模型進(jìn)行計(jì)算得到各節(jié)點(diǎn)的溫度分布圖。通過分析溫度分布圖發(fā)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備的溫度分布主要分為兩大部分。其主要熱源集中在主斷路器、支路斷路器周圍，溫度相對較高。主斷路器溫度在81.7～84.9 ℃，主斷路器在整個(gè)柜體內(nèi)最高，最高溫度84.9 ℃；支路斷路器進(jìn)出線端溫度較高，母線連接處的溫度在69.7～73.9 ℃；金屬外殼、絕緣操作手柄的溫升在37.1～42.4 ℃。

金屬外殼表面的溫度分布比較均勻，各部分溫度相差不大。在柜體頂部主斷路器上方及柜體后覆板靠近主發(fā)熱點(diǎn)的位置溫度較高。

將各溫升試驗(yàn)測試點(diǎn)從各個(gè)溫度場模型中提取出來，從而計(jì)算得出溫升值，模擬仿真計(jì)算的溫升結(jié)果見表3。

表3 模擬仿真計(jì)算的溫升結(jié)果

2.5 計(jì)算結(jié)果的分析

通過分析溫度分布云圖可以看出，XL 型低壓動力配電柜柜體中部的溫度比較高，其他部位溫度低。在靠近主發(fā)熱點(diǎn)的地方溫度最高，特別是主斷路器周圍的溫度最高。由于金屬外殼本身不發(fā)熱、且具有良好的導(dǎo)熱作用，有利于殼體內(nèi)部的溫度及時(shí)向外傳遞，金屬殼體的溫度在整個(gè)測試點(diǎn)中最低。除主熱源區(qū)域外，其他區(qū)域的溫度在33～44 ℃，主斷路器周圍的溫度大概在43.9 ℃左右，支路斷路器周圍的溫度在33～41 ℃，這些區(qū)域的溫度均符合GB/T 7251.12—2013 規(guī)定的溫度要求。因此，輔助電路的儀器儀表均可以滿足使用條件，可以可靠運(yùn)行。

3 傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)值與模擬仿真計(jì)算值的分析比較

為了能將傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)結(jié)果與模擬仿真結(jié)果更加直觀地表示出來，通過散點(diǎn)圖的方式繪制了兩條溫度變化曲線，如圖3 所示。

圖3 實(shí)測溫升與仿真計(jì)算溫升散點(diǎn)圖

通過圖3 實(shí)測溫升與仿真計(jì)算溫升散點(diǎn)圖可以看出，傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)實(shí)測值與模擬仿真計(jì)算值的曲線走勢基本相同，總體來看實(shí)測值略高于仿真計(jì)算值，個(gè)別的點(diǎn)仿真計(jì)算值等于或者略高于實(shí)測值，偏差范圍在0～3.2 ℃。在23 個(gè)測試點(diǎn)中，有2 個(gè)點(diǎn)10 號、12 號點(diǎn)實(shí)測值與仿真計(jì)算值完全相同；11號、14 號點(diǎn)的仿真計(jì)算值略高于實(shí)測溫升值，11 號點(diǎn)相差0.1 ℃，14 號點(diǎn)相差0.6 ℃；實(shí)測值略大于模擬仿真計(jì)算值且在2 ℃范圍內(nèi)的點(diǎn)共有13 個(gè)；實(shí)測值與仿真計(jì)算值溫差在2～4 ℃的點(diǎn)共有4 個(gè)；2 號點(diǎn)的溫差最大，仿真計(jì)算值比實(shí)測值小3.2 ℃。

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)中對試驗(yàn)數(shù)據(jù)可復(fù)現(xiàn)性≤10%的要求[2]。由此可以看出，XL 型低壓動力配電柜的傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬仿真計(jì)算值的偏差在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍之內(nèi)，因此，模擬仿真方法在低壓動力配電柜溫升試驗(yàn)中是可行的。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有以下幾點(diǎn)：

（1）在傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)過程中，外接試驗(yàn)導(dǎo)線在試驗(yàn)過程中會發(fā)熱，對柜內(nèi)溫度有一定影響，而模擬仿真過程中忽略了外接導(dǎo)線對整個(gè)柜體的影響。

（2）傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)過程中由于各連接處的緊固螺釘?shù)倪B接力矩有所差別，可能造成個(gè)別部位接觸電阻增大，溫度升高。

（3）傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)過程中，導(dǎo)體中的電阻會隨著溫度的升高發(fā)生變化，而在模擬仿真計(jì)算過程中給導(dǎo)體施加了一個(gè)固定的接觸電阻值。

（4）傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)過程中熱電偶采用鋁箔紙粘貼，可能會因?yàn)檎迟N不牢固而導(dǎo)致溫度偏低。

（5）用ANSYS 16.0 軟件進(jìn)行模擬仿真時(shí)，通過為導(dǎo)體施加熱載荷的方式來模擬導(dǎo)體中通過電流產(chǎn)生的熱量，可能也會造成一定的誤差[3]。

4 結(jié)論

目前，在國內(nèi)的所有第三方檢測機(jī)構(gòu)中還沒有一家機(jī)構(gòu)通過運(yùn)用電腦軟件對低壓成套開關(guān)設(shè)備溫升試驗(yàn)進(jìn)行模擬仿真來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溫升試驗(yàn)。近幾十年來，傳統(tǒng)的溫升試驗(yàn)方法有了很大的改變，但是還沒有從傳統(tǒng)的模式中完全擺脫出來，試驗(yàn)過程依然比較繁瑣，需要消耗大量的人力資源、電能及時(shí)間。但是，目前低壓成套開關(guān)設(shè)備進(jìn)入快速發(fā)展階段，各種集成化、智能化的新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)出來，低壓成套開關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了智能化、自動化的發(fā)展。面對這些高科技新產(chǎn)品，現(xiàn)有檢測手段確實(shí)已經(jīng)無法完全滿足產(chǎn)品發(fā)展的需要，不能為產(chǎn)品的高質(zhì)量發(fā)展保駕護(hù)航。

為了探究解決以上問題的途徑，本研究首先通過傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)方法對XL 型低壓動力配電柜進(jìn)行溫升試驗(yàn)，測量出各測量點(diǎn)的溫升值；然后通過電腦模擬仿真的方法進(jìn)行XL 型低壓動力配電柜溫升試驗(yàn)，利用ANSYS 16.0 軟件仿真計(jì)算出各測量點(diǎn)的溫升值，最后將兩者進(jìn)行比較分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過ANSYS 16.0 軟件對XL 型低壓動力配電柜仿真計(jì)算得出的結(jié)果與傳統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果的偏差在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍之內(nèi)，說明此方法的可行性。

（2）模擬仿真方法克服了傳統(tǒng)溫升試驗(yàn)需要消耗大量人力、電能及時(shí)間的弊端，為檢測機(jī)構(gòu)節(jié)約出大量的人力資源和電能消耗，為試驗(yàn)人員騰出大量時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)方法的研究和改進(jìn)。

（3）模擬仿真在使用初期可以根據(jù)不同產(chǎn)品建立實(shí)體模型，在后續(xù)試驗(yàn)中遇到同類產(chǎn)品只需調(diào)用已有模型，稍微修改個(gè)別參數(shù)即可使用，方便快捷。

（4）模擬仿真試驗(yàn)可以直觀的生成整個(gè)柜體的溫度分布云圖，在輸出測量點(diǎn)溫度值的同時(shí)，可以直觀地觀測其他部位的溫度情況，了解設(shè)備整體的溫度分布情況，為企業(yè)的產(chǎn)品升級改進(jìn)提供理論支撐。

在不久的將來，模擬仿真試驗(yàn)將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溫升試驗(yàn)方法成為電器產(chǎn)品檢測的重要手段，并逐步推廣運(yùn)用到整個(gè)檢驗(yàn)檢測領(lǐng)域中去，為我國的電工電器產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。