变电站户外机柜的热仿真分析

 

本文运用有限元分析软件，对密闭户外机柜及内部设备进行热分析。针对不同结构方式、机柜内部不同流体控制方式，对机柜内部流体运动及温度场分布情况进行仿真模拟分析，获得在不同情况下内部流场、温度场的变化情况，从而为实际应用提供一个理论支撑。

　　一、前言

　　由于变电站业务需求及技术的进步，促使变电站一、二次设备的融合，功能向智能化发展，也产生了智能终端设备配置及安装的变化，使其从原来的户内开放式放置向户外密闭式放置过渡。在户外无遮挡情况下，阳光辐射以及设备本身耗散的热量作用使得密封机柜内部温度有可能超出设备允许的范围，装置长时间在超负荷高温下运行，会引起元器件性能的降低，进而导致装置故障，影响整个系统的稳定性，因此在密封的户外机柜中如何控制内部的温度，成为户外机柜设计的关键。

　　目前对于复杂系统热负荷设计分析，大多采用有限元分析方法。本文以SolidWorks Simulation软件对户外机柜内部的流场、温度场进行计算分析，为户外机柜热仿真提供一种直观效果，提高计算的阅读力。另外根据仿真结果可方便地修改局部结构，使结构设计逐步达到最优。

　　二、 热传递机理

　　通常，热量的传输有三种方式。

　　(1)传导。传导是固体中热传递的主要方式。其传热量与材质的热导率、温差、通过的面积成正比，与通过的长度成反比。

　　(2)对流。对流是固体表面与附近流体间的传热方式。传热量的大小与对流系数、表面积、表面与流体间的温差成正比。

　　(3)辐射。热辐射是在一定温度下的物体通过电磁波的形式向外发射的过程。物体热辐射的大小与物体表面积、物体表面辐射系数和温度的4次方成正比。

　　密闭户外机柜的散热设计就是遵循以上原理，对机柜结构进行优化，合理布局内部元件，选择合适的散热方式，达到对装置内部元器件散热的目的。

　　三、建立数学模型

　　1.控制方程

　　在计算过程中，要考虑流体、传热的综合效果，其计算基础如下。

　　在稳态情况下：流体的连续方程为。 其中u、v、w为x、y、z方向的速度分量。

　　动量方程为

　　其中p为压力，为粘滞系数。

　　能量方程为。

　　仿真计算就是通过求解3个方程，获得流体在稳态时各点的u、v、w分布以及P和T分布情况。

　　2.建立物理模型

　　整个机柜外壳尺寸为1000mm×600mm×550mm。内部装有2个6U 半宽机箱，2个1U全宽 机箱，2个风机对2个半宽机箱进行强制风冷，机柜内部靠下的空间安装1个风机进行空气的强制对流，机箱上下排列。为使仿真结果更加准确，根据每块印制板上不同散热模块进行细分，对2个半宽机箱的内部元件布置进行仿真建模处理。印制板设定为绝热材料。机箱内部元件热量主要靠对流与辐射传递给空气及壳体，热量再通过户外机柜外壳与外界进行热交换。考虑到风机会影响内部流体分布，结构设计时在风机与机箱间加装导流罩。系统整体模型见图1。

　　四、设定仿真结构方案

　　户外机柜在热设计时应满足的要求及需考虑的问题。

　　(1)应满足设备可靠性的要求。

　　(2)应满足设备预期工作的热环境要求。

　　(3)应符合相关标准、规范要求。

　　(4)应对冷却方法进行权衡分析，使设备在寿命周期内费用最低，可靠性最高。

　　(5)应提高设备的可维修行性。

　　(6)应考虑太阳辐射给设备带来的热问题。

　　(7)应防止各种微粒的沉积，以免增大设备热阻，降低冷却效果。

　　(8)应尽量防止工作周期、功率、热环境变化引起的热瞬变，使温度波动减小到最少。

　　根据热设计的要求及需考虑的问题，户外环境、内部空间及装置确定后，能够影响整个系统散热的因素只有结构方案，即外壳加不加遮阳板、内外气体有无强制对流、密闭空间内部有无风机等。

　　根据以上所述，确定五种方案进行分析。

　　(1)单层结构，不通风，不加风机，机箱自然散热。

　　(2)单层结构，不通风，散热风机在机箱上部。

　　(3)双层结构，不通风，散热风机在机箱上部。

　　(4)单层结构，不通风，散热风机在机箱下部。

　　(5)单层结构，有通风，散热风机在机箱下部。

　　五、设定参数

　　此次分析的环境参数如表1所示。2U半宽装置内部的单板分布如图2所示，参数设置如表2所示。

　　六、算例分析

　　对以上五种情况进行热分析，计算出内部机箱表面温度与平均流体温度的差别，从而得到最佳的设计方案，如图3～图7所示。

　　从分析数据及两种分布图可以看出以下几点。

　　(1)方案1中箱体内部空气的流动靠自身重力驱动，流速缓慢，热交换较慢。从流场及温度场的分布图看出内部温度不同层的温差较大，装置局部有过热现象，不利于装置的散热，不符合正常运行要求，只能靠加装防护层、内循环风机或开孔通风解决局部过热的问题。

　　(2)方案2从内部温度场分布图的颜色对比看，内部空气温度较为平均，机箱表面温度在正常应用条件之间，符合运行要求。

　　(3)方案3与方案2相比，内部平均温度下降4°左右，符合运行要求。

　　(4)方案 4 与方案 2 相比，风机在机箱下部的散热效果较好，平均温度比方案2更低，其结果符合运行要求。

　　(5)方案5与以上不与外界通风的方案相比，箱体开通风孔后的散热效果最好，其结果符合运行要求。但开通风孔增加了箱体对灰尘及雨雪的防护难度。

　　七、结论

　　本文以变电站内户外机柜为例，对户外机柜热设计过程 中的设计要素和设计方案进行仿真比较。从以上方案分析的 数据可以看出：

　　(1)开通风孔与无通风孔两种情况都能满足当前内部元件正常运行的温度要求，但考虑到防护要求，结构设计时，柜体不用开通风孔。

　　(2)单层与双层结构都能满足元器件正常运行，考虑到成本需求，柜体应设计为单层结构。

　　(3)当机箱强制对流散热时，把风机安装在装置下部效果最好。

　　从以上热分析可以得出户外机柜的结构设计方案为：单层结构、箱体不开孔、内部增加强制对流风机，就可满足此系统的散热需求。