低壓配電柜的溫度場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低壓配電柜的溫度場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)方法，其技術(shù)特點(diǎn)是：采用三維軟件建立等效模型，將模型文件導(dǎo)入到ICEM-CFD軟件中，在低壓配電柜外圍建立空氣外場(chǎng)，形成流固耦合散熱模型，并使用ICEM-CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分;將ICEM-CFD畫(huà)好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到Ansys-CFX中，然后對(duì)模型進(jìn)行前處理；采用電磁熱流耦合進(jìn)行分析計(jì)算。本發(fā)明運(yùn)用熱流-電磁耦合分析的方法，利用三維軟件建立低壓配電柜仿真模型，再通過(guò)AnsysAPDL、ICEMCFD、CFX等軟件對(duì)低壓配電柜模型進(jìn)行仿真分析，大大減小產(chǎn)品的研發(fā)周期；同時(shí)，省去繁瑣的試驗(yàn)過(guò)程，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成功率，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電器和保證開(kāi)關(guān)電器的可靠運(yùn)行有著重要的意義。
【專利說(shuō)明】低壓配電柜的溫度場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于低壓配電柜【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種低壓配電柜的溫度場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 低壓配電柜內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電器工作時(shí)，由于焦耳損耗，渦流損耗、磁滯損耗等，其穩(wěn) 態(tài)溫升會(huì)顯著升高。開(kāi)關(guān)電器中使用的金屬材料和絕緣材料在溫度超過(guò)一定范圍以后，其 機(jī)械強(qiáng)度和絕緣強(qiáng)度會(huì)明顯下降。開(kāi)關(guān)電器工作溫度過(guò)高，其使用壽命會(huì)降低，甚至損壞。
[0003] 現(xiàn)在低壓配電柜發(fā)熱是一個(gè)很嚴(yán)重的問(wèn)題，如何有效地增大低壓配電柜的散熱能 力顯得至關(guān)重要，常用的方法是對(duì)開(kāi)關(guān)柜的通風(fēng)口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)通風(fēng)口的優(yōu)化設(shè)計(jì)主 要是通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)不斷修改通風(fēng)口大小來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，然而試驗(yàn)這種方法產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周 期長(zhǎng)，研發(fā)成本高，嚴(yán)重影響低壓配電柜的研發(fā)速度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計(jì)合理、準(zhǔn)確度高、設(shè)計(jì)周期 短的低壓配電柜的溫度場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)方法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種低壓配電柜的溫度場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1、采用三維軟件建立等效模型，將模型文件導(dǎo)入到ICEM-CFD軟件中，在低壓 配電柜外圍建立空氣外場(chǎng)，形成流固耦合散熱模型，并使用ICEM-CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0008] 步驟2、將ICEM-CFD畫(huà)好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到Ansys-CFX中，然后對(duì)模型進(jìn)行前處 理；
[0009] 步驟3、采用電磁熱流耦合進(jìn)行分析計(jì)算。
[0010] 而且，所述步驟1使用ICEM-CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分的具體處理過(guò)程為：
[0011] ⑴導(dǎo)入幾何模型；
[0012] (2)修復(fù)幾何模型；
[0013] (3)面分組；
[0014] (4)創(chuàng)建 Body ;
[0015] (5)設(shè)置全局網(wǎng)格大小；
[0016] (6)設(shè)置面加密網(wǎng)格；
[0017] (7)設(shè)置棱柱劃分層數(shù)和選擇需要生成棱柱網(wǎng)格的面；
[0018] (8)進(jìn)行網(wǎng)格劃分并輸出Ansys-CFX的網(wǎng)格文件。
[0019] 而且，所述步驟2對(duì)模型進(jìn)行前處理的具體過(guò)程為：
[0020] (1)導(dǎo)入畫(huà)好的網(wǎng)格；
[0021] (2)創(chuàng)建材料屬性；
[0022] (3)創(chuàng)建Body，同時(shí)賦予單元材料屬性；
[0023] (4)建立浮力表達(dá)式，將浮力加載到流體單元；
[0024] (5)加載導(dǎo)線等效對(duì)外散熱功率；
[0025] (6)加載外場(chǎng)的邊界條件；
[0026] (7)設(shè)置迭代歩數(shù)和收斂殘差的大小。
[0027] 而且，所述相關(guān)材料屬性包括接觸電阻、等效層的電阻率和導(dǎo)熱系數(shù)。
[0028] 而且，所述步驟3電磁熱流耦合計(jì)算分析過(guò)程如下：
[0029] (1)利用ANSYS Multi-physics軟件計(jì)算導(dǎo)體焦耳發(fā)熱功率；
[0030] (2)利用ANSYS CFX軟件計(jì)算模型中溫度、流速、壓力的物理量分布；
[0031] (3)循環(huán)求解三維有限元電磁耦合模型和三維流固耦合模型；
[0032] (4)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0033] 而且，所述步驟（1)的詳細(xì)處理過(guò)程為：
[0034] 首先將三維軟件中導(dǎo)電回路的部分，以x_t文件的形式導(dǎo)入ANSYS Multi-physics軟件中，并建立外包空氣塊，從而使其表面與導(dǎo)電回路激發(fā)出的磁力線平 行；
[0035] 其次，對(duì)模型中各個(gè)部件施加對(duì)應(yīng)的電阻率和磁導(dǎo)率物理屬性，并在ANSYS Multi-physics中的mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并施加三相正弦電流負(fù)載和磁力線平行邊 界條件，初始化環(huán)境溫度，從而獲得三維有限元電磁耦合模型；
[0036] 最后，利用ANSYS Multi-physics中solver模塊對(duì)上述三維有限兀電磁稱合模型 進(jìn)行諧波分析，得到開(kāi)關(guān)柜中導(dǎo)體各處焦耳發(fā)熱功率，并將結(jié)果以.CSV文件格式導(dǎo)出。
[0037] 而且，所述步驟（2)的詳細(xì)處理過(guò)程為：
[0038] 首先，將在ICEM中畫(huà)好的網(wǎng)格導(dǎo)入到CFX中；
[0039] 其次，對(duì)各個(gè)部件施加材料屬性；
[0040] 然后，建立流-固、流-流、固-固耦合，設(shè)定仿真參數(shù)后開(kāi)始計(jì)算直到仿真結(jié)果滿 足收斂條件；
[0041] 最后，以.cdb文件格式導(dǎo)出導(dǎo)體溫度分布。
[0042] 而且，所述步驟（3)的詳細(xì)處理過(guò)程為：
[0043] 將計(jì)算出的溫度載荷文件代替上一步的溫度載荷文件，從而得出新的電阻率，再 重新計(jì)算；若得到的導(dǎo)體溫度分布與前一步分析結(jié)果最大差異小于1 %，則停止循環(huán)計(jì)算， 獲得最終穩(wěn)態(tài)溫升、流速、壓力等物理量分布結(jié)果。
[0044] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：
[0045] 本發(fā)明運(yùn)用熱流-電磁耦合分析的方法，利用三維軟件建立低壓配電柜仿真模 型，再通過(guò)AnsysAPDL、ICEMCFD、CFX等軟件對(duì)低壓配電柜模型進(jìn)行仿真分析，大大減小產(chǎn) 品的研發(fā)周期；同時(shí)，省去繁瑣的試驗(yàn)過(guò)程，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成功率，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的 效率，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電器和保證開(kāi)關(guān)電器的可靠運(yùn)行有著重要的意義。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0046] 圖1是本發(fā)明等效模型的主視圖；
[0047] 圖2是圖1的A-A剖視圖；
[0048] 圖3是圖1的B-B剖視圖；
[0049] 圖4是流固耦合散熱模型示意圖；
[0050] 圖5是電磁熱流耦合分析流程圖；
[0051] 圖6是導(dǎo)體發(fā)熱計(jì)算模型；
[0052] 圖7是旋轉(zhuǎn)雙斷點(diǎn)斷路器動(dòng)靜觸頭接觸電阻等效圖
[0053] 圖8是X-Y溫度分布云圖（Z = 0· 205m);
[0054] 圖9是導(dǎo)體溫升云圖；
[0055] 圖中，1 :低壓柜外殼；2 :支撐板；3 :母線架；4 :A相母線；5 :B相母線；6 :C向母 線；7 :In = 630A轉(zhuǎn)接器；8 :In = 630A斷路器；9 :軟母線；10 :In = 400A轉(zhuǎn)接器；11 :導(dǎo)電 柱；12:In = 400A斷路器；13 :進(jìn)線端子組；14 :出線端子組；15 :出風(fēng)口；16 :進(jìn)風(fēng)口；17 : 低壓配電柜；18 :空氣外場(chǎng)；19 :In = 630A轉(zhuǎn)接器內(nèi)部導(dǎo)電部分；20 :In = 630A斷路器內(nèi) 部導(dǎo)電部分；21 :In = 400A轉(zhuǎn)接器內(nèi)部導(dǎo)電部分；22 :In = 400A斷路器內(nèi)部導(dǎo)電部分；23 : 接觸電阻等效薄層；24 :上進(jìn)線；25 :動(dòng)導(dǎo)電桿；26 :下進(jìn)線。

【具體實(shí)施方式】
[0056] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳述：
[0057] -種低壓配電柜的溫度場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
[0058] 步驟1、采用三維軟件建立等效的模型，將模型文件（.x_t)導(dǎo)入到ICEM-CFD軟件 中，在低壓配電柜外圍建立空氣外場(chǎng)，形成流固耦合散熱模型，并使用ICEM-CFD進(jìn)行網(wǎng)格 劃分。
[0059] 本步驟使用的三維等效模型，如圖1至圖3所示，在該模型中，支撐板2經(jīng)螺母與 低壓柜外殼1預(yù)留的螺柱相連接；母線架3經(jīng)螺釘安裝在支撐板2上方，同時(shí)把A向母線 4、B向母線5、C向母線6固定；In = 630A轉(zhuǎn)接器7掛接在母線ABC上，In = 630A斷路器 8經(jīng)軟母線9與In = 630A轉(zhuǎn)接器7相連接；In = 400A轉(zhuǎn)接器10掛接在母線ABC上，經(jīng)導(dǎo) 電柱11與In = 400A斷路器12相連接。進(jìn)線端子組13由螺栓連接In = 630A斷路器8 進(jìn)線端，出線端子組14由螺栓連接在In = 400A斷路器12出線端。低壓柜外殼1上設(shè)置 有進(jìn)風(fēng)口 16和出風(fēng)口 15。
[0060] 三維等效模型文件（.x_t)導(dǎo)入到ICEM CFD后，在低壓配電柜17外圍建立空氣外 場(chǎng)18,形成如圖4所示的流固耦合散熱模型。
[0061] 建立好流固耦合散熱模型之后，使用ICEM-CH)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，畫(huà)好網(wǎng)格后，將其 以.cfx5的格式導(dǎo)出。使用ICEM-CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分的具體處理過(guò)程為：
[0062] (1)導(dǎo)入幾何模型；
[0063] (2)修復(fù)幾何模型；
[0064] (3)面分組；
[0065] (4)創(chuàng)建 Body ;
[0066] (5)設(shè)置全局網(wǎng)格大??；
[0067] (6)設(shè)置面加密網(wǎng)格；
[0068] (7)設(shè)置棱柱劃分層數(shù)和選擇需要生成棱柱網(wǎng)格的面；
[0069] (8)進(jìn)行網(wǎng)格劃分并輸出Ansys-CFX的網(wǎng)格文件；
[0070] 步驟2、將ICEM-CFD畫(huà)好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到Ansys-CFX中，然后按照下面步驟對(duì)模 型進(jìn)行前處理：
[0071] (1)導(dǎo)入畫(huà)好的網(wǎng)格；
[0072] (2)創(chuàng)建材料屬性；
[0073] (3)創(chuàng)建Body，同時(shí)賦予單元材料屬性。相關(guān)材料屬性有接觸電阻、等效層的電阻 率和導(dǎo)熱系數(shù)，接觸電阻測(cè)量及其等效層的電阻率和導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算過(guò)程如下：
[0074] 從圖1和圖6的模型中，我們可以看出，整個(gè)開(kāi)關(guān)柜的導(dǎo)電部分是由銅排、轉(zhuǎn)接器、 斷路器等導(dǎo)電部件形成的回路。導(dǎo)電部件之間并不是我們?nèi)庋劭吹降囊粯邮峭耆佑|的， 實(shí)際上它們之間接觸面積非常小，是靠有限個(gè)導(dǎo)電斑點(diǎn)來(lái)導(dǎo)電的。電流通過(guò)導(dǎo)電斑點(diǎn)時(shí)電 流線收縮，電流密度增大，發(fā)熱功率增大，形成熱源產(chǎn)生熱量，使得開(kāi)關(guān)柜中的溫度升高。因 此，準(zhǔn)確地建立接觸部分的導(dǎo)電模型對(duì)分析開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部溫升的準(zhǔn)確性有著重要的意義。模 型中，我們主要考慮斷路器動(dòng)靜觸頭的接觸電阻，實(shí)際建模中接觸電阻的模型用〇. 5_的 薄壁層23來(lái)等效。
[0075] ①旋轉(zhuǎn)雙斷點(diǎn)斷路器動(dòng)靜觸頭的接觸電阻的計(jì)算
[0076] 整個(gè)觸頭的回路電阻由5個(gè)部分的電阻組成：RH = Rsu+Ra+RM+RC2+RSD，其中R H表示 整個(gè)觸頭的回路電阻，Rsu表示上進(jìn)線的電阻，Ra是上面靜觸頭和動(dòng)觸頭的接觸電阻等效薄 層，R M是動(dòng)導(dǎo)電桿的電阻，R?是動(dòng)觸頭和下面靜觸頭的接觸電阻等效薄層，RSD是下進(jìn)線的 電阻，如圖7所示。
[0077] 用雙臂電橋我們可以測(cè)得觸頭回路電阻RH、上進(jìn)線電阻Rsu、動(dòng)導(dǎo)電桿電阻R M、下 進(jìn)線的電阻rsd。由于雙臂電橋和被測(cè)元件本身之間存在接觸電阻，而且接觸壓力不同，接 觸電阻值也不相同。所以，本文采用多次測(cè)量取最小值的方法來(lái)減小誤差，最終測(cè)量電阻值 如表1所示。由于接線端子是用14N*m的預(yù)緊力擰上的，所以螺釘接觸電阻我們可以忽略 不計(jì)。
[0078] 表1電阻單位：μ Ω
[0079]

【權(quán)利要求】
1. 一種低壓配電柜的溫度場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟1、采用三維軟件建立等效模型，將模型文件導(dǎo)入到ICEM-CFD軟件中，在低壓配電 柜外圍建立空氣外場(chǎng)，形成流固耦合散熱模型，并使用ICEM-CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分； 步驟2、將ICEM-CFD畫(huà)好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到Ansys-CFX中，然后對(duì)模型進(jìn)行前處理； 步驟3、采用電磁熱流耦合進(jìn)行分析計(jì)算。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓配電柜的溫度場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟1 使用ICEM-CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分的具體處理過(guò)程為： (1) 導(dǎo)入幾何模型； (2) 修復(fù)幾何模型； (3) 面分組； (4) 創(chuàng)建 Body ; (5) 設(shè)置全局網(wǎng)格大?。? (6) 設(shè)置面加密網(wǎng)格； (7) 設(shè)置棱柱劃分層數(shù)和選擇需要生成棱柱網(wǎng)格的面； (8) 進(jìn)行網(wǎng)格劃分并輸出Ansys-CFX的網(wǎng)格文件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓配電柜的溫度場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟2 對(duì)模型進(jìn)行前處理的具體過(guò)程為： (1) 導(dǎo)入畫(huà)好的網(wǎng)格； (2) 創(chuàng)建材料屬性； (3) 創(chuàng)建Body，同時(shí)賦予單元材料屬性； (4) 建立浮力表達(dá)式，將浮力加載到流體單元； (5) 加載導(dǎo)線等效對(duì)外散熱功率； (6) 加載外場(chǎng)的邊界條件； (7) 設(shè)置迭代歩數(shù)和收斂殘差的大小。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的低壓配電柜的溫度場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述相關(guān) 材料屬性包括接觸電阻、等效層的電阻率和導(dǎo)熱系數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓配電柜的溫度場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟3 電磁熱流耦合計(jì)算分析過(guò)程如下： (1) 利用ANSYS Multi-physics軟件計(jì)算導(dǎo)體焦耳發(fā)熱功率； (2) 利用ANSYS CFX軟件計(jì)算模型中溫度、流速、壓力的物理量分布； (3) 循環(huán)求解三維有限元電磁耦合模型和三維流固耦合模型； (4) 優(yōu)化設(shè)計(jì)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的低壓配電柜的溫度場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟 (1)的詳細(xì)處理過(guò)程為： 首先將三維軟件中導(dǎo)電回路的部分，以X_t文件的形式導(dǎo)入ANSYS Multi-physics軟 件中，并建立外包空氣塊，從而使其表面與導(dǎo)電回路激發(fā)出的磁力線平行； 其次，對(duì)模型中各個(gè)部件施加對(duì)應(yīng)的電阻率和磁導(dǎo)率物理屬性，并在ANSYS Multi-physics中的mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并施加三相正弦電流負(fù)載和磁力線平行邊界 條件，初始化環(huán)境溫度，從而獲得三維有限元電磁耦合模型； 最后，利用ANSYS Multi-physics中solver模塊對(duì)上述三維有限元電磁稱合模型進(jìn)行 諧波分析，得到開(kāi)關(guān)柜中導(dǎo)體各處焦耳發(fā)熱功率，并將結(jié)果以.csv文件格式導(dǎo)出。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的低壓配電柜的溫度場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟 (2) 的詳細(xì)處理過(guò)程為： 首先，將在ICEM中畫(huà)好的網(wǎng)格導(dǎo)入到CFX中； 其次，對(duì)各個(gè)部件施加材料屬性； 然后，建立流-固、流-流、固-固耦合，設(shè)定仿真參數(shù)后開(kāi)始計(jì)算直到仿真結(jié)果滿足收 斂條件； 最后，以.cdb文件格式導(dǎo)出導(dǎo)體溫度分布。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的低壓配電柜的溫度場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟 (3) 的詳細(xì)處理過(guò)程為： 將計(jì)算出的溫度載荷文件代替上一步的溫度載荷文件，從而得出新的電阻率，再重新 計(jì)算；若得到的導(dǎo)體溫度分布與前一步分析結(jié)果最大差異小于1%，則停止循環(huán)計(jì)算，獲得 最終穩(wěn)態(tài)溫升、流速、壓力等物理量分布結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104217061SQ201410323095
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】賈文卓, 張婕, 王僑舉, 黑錦慧, 楊法, 顧德明 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 天津市三源電力設(shè)備制造有限公司