郭晓雷，吕志盛，黄伟强

(厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建厦门361024)

摘  要：配电房中电容器柜内的电器元件运行时会发出热量，致使电容柜内温度升高。特别是当电容器柜内温度超出规定的上限温度时，会导致柜内配套设备热老化，严重时会发生热机穿，过热运行还会降低设备运行可靠性。本文利用Fluent仿真软件对电容器柜进行建模；对电容器柜内温度场分布情况进行溫升仿真，分析不同位置的出风口对电容柜运行时散热的效果，确定最佳位置；讨论在相同进风总面积、相同数量不同形状的散热孔对柜体散热效果的影响；确定散热孔位置分布、最佳散热孔数量，从而确定最佳的散热方案。制作出实物模型，进行实物模型试验，验证仿真分析的准确性。

关键词：电容器柜；温升仿真；散热孔；模型试验

0 引言

电容器柜，也称补偿柜，用作无功补偿,通过改善电网功率因数提高电能的质量1。电容器柜主要由柜壳、隔离开关、热继电器、母线、接触器、断路器、避雷器、电容器、一、二次导线、端子排、电抗器、盘面仪表、功率因数自动补偿控制装置等组成。

当电容器柜内温度超出上限允许温度时，会导致配套元件热老化加快，使用寿命降低，其无功功率的输出效率逐渐降低，进一步影响提供的电能质量。通过研究确定柜体散热孔的最优位置，对维持配套元器件正常运行有着重要意义。

1电容器柜的通风散热要

l.1 通风方法

一般在工程中的通风方式有自然通风和强制通风两大类，当自然通风满足不了要求时，就需要以强制通风的手段来达到散热目的。

所谓自然通风，就是指依靠室外风力作用形成的压差或内外温差导致的热压，使内外空气进行交互，热空气通过上层的通风口散出的同时带走余热，而室外冷空气通过下层的通风口进人到内部当中。强制通风,是借助风机的机械动力而使得空气流动的一种方法，在电容器柜体上层位置装设排气扇，通过机械动力使得柜体内部热空气从排气扇的位置散发出去，柜体内部气压降低，在大气压的作用下迫使冷空气从下层的通风口补充进柜体内，从而达到维持柜体内部温度恒定在配套元器件允许运行温度范围以内的目的。然而，机械通风会产生噪音以及电能消耗。

1.2 运行温度要求

电容器运行温度每降低10℃，其工作寿命将延长一倍,运行温度最好保持在40～45℃。国标GB/T 15576—2008中规定，户内低压成套无功功率补偿装置的周围空气温度不应高于40℃。

2 电容柜发热与通风的计算

2.1 设备的发热置计算

本文以0.4kV GGD-07型低压交流电容补偿柜为研究对象，柜体内的元器件主要有:BCMJ型自愈式低压并联电容器、JR36型热继电器、CJ19型接触器、DZ47微型断路器、BH互感器、FYS型避雷器、HD17X-400型刀开关和LMY母线等，主要考虑发热器件部位有LMY铝母线以及BCMJ0.4-16-3自愈式低压并联电容器。

1) 电容器的发热量按下边公式计算。

 

式中：Q₁为电容器发热量，kcal/h；Q_c为电容器装置额定容量,kVar；tanδ

电容柜所用10台电容器的型号为BCMJ0.4- 16-3。其损耗角正切值取0.1%,每台额定容量为 16kvar，则总容量为160kvar。

带人上式中得

2)电容柜母排发热量计算。本电容柜母排的型号为LMY100X8,在最高允许温度65℃的情况下载流量为1197 A,母排组的总电阻R=6.3476×l0^-4 Ω。计算母排发热量为

 式中：Q₂为母排发热量，kcal/h；P为母排的发热功率,kW；I为母排的载流量，A；R为母排的电阻，Ω。

 把上边数值代入上式中得

2.2 通风量的计算

电容柜的自然通风量计算为

 

式中:L为电容柜达到热平衡时所要求的冷却通风量，m³/h；C为空气的比热，为0.24 kcal/kg℃；r_jp为空气平均容重，kg/m³；t_p为出风口温度,℃；t_j为进风口温度，℃；Q为总发热量，kcal/h，Q=Q₁+Q₂。

设置出风口温度t_p=40℃，进风口温度t_j=25℃。在40℃时空气容重为1.127 kg/m³,在25℃时空气容重为 1.184 kg/m³，则 r_jp=1.155 5 kg/m³,L=221.12 m²/h。

3 电容器柜的建模仿真

3.1 模型建立

电容器柜柜体大小为1m×0.6m×2.2m。有10台电容器大小为0.056m×0.165m×0.195m，出风口有 3个，大小一样，为0.1m×0.05m×0.lm。进风口有一个，大小为0.2m×0.05 m×0.2 m,以及一系列较复杂的母排，如图1所示。

  

 图1  电容柜模型

3.2 边界条件定义

1)将柜体、电容器和母排的面边界条件定义为“壁面”。

2)将进风口边界条件定义为“压力入口”，将出风口边界条件定义为“速度边界”，模拟排气扇排气。

4 实物制作方案

4.1 实物制作原理分析

热量传递的方式有3种:传导、对流、辐射。配 电房电容器柜内，母线和电容器没有直接的接触，所以不用考虑传导。因为是在室内，无太阳直接照射，电容器之间电磁波的干扰也可以忽略不计，所以只需考虑对流方式对于散热的影响。影响对流传热强弱的主要因素有：

1)对流运动成因和流动状态。

2)流体的物理性质（随种类、温度和压力而变化)。

3)传热表面的形状、尺寸和相对位置。

4)流体有无相变(如气态与液态之间的转化)。

在考虑实物模型制作的过程中，需要确定柜体的材料、找到合适发热源来替代柜内母线与电容器的发热特性。影响对流换热系数的因素中，空气是流体，物理性质不变，也没有相变，因此主要考虑的影响因素就是传热表面的形状、尺寸和相对位置。所以热源替代物主要考虑柜体、母线和电容器传热表面的形状、尺寸和相对位置。柜体材料为亚克力板，热源替代物为可定做的具有温控功能的发热板。

4.2 实物制作方案参数

低压电容器柜的高度达2.2 m,激光切割机的操作范围有限,难于做出一个1:1的模型，因此，按 1:0.5的比例做实物模型。实物模型参数见表1。

表1  实物模型参数

 

5 仿真模拟与模型试验结果分析

5.1 出风口最佳高度优化分析

按照通风规律，前后贯通的空间是最有利于气流通过。进风口在柜体的正面底部且其位置高度固定不变。出风口位置设置在电容器柜的背面，设置风速为2m/s来模拟柜体内外空气对流情况（模型试验风速为2m/s)，高度分别取2、1.9、1.8、1.7、1.6m(模型试验高度取半)不同高度进行模拟。

出风口不同高度时，各个截面当中出现的最高温度见表2，其中出风口高度在1.9m时的最高温度点比其余高度的最高温度点都要低，对于发热较为严重的部位有着较好的散热效果，试验温度数据同样符合仿真效果，所以确定出风口位置在1.9m为出风口最佳通风位置。图2是出风口在1.9 m时的温度云图。

表2  出风口高度与最高温度

  

图2  出风口在1.9m时温度云图

5.2 散热孔形状优化分析

考虑到进风口开口过大容易导致老鼠等动物通过进风口进人柜体内部，采用一系列散热孔代替进风口。本文散热孔形状考虑两种，分别是圆形孔和长方形孔代替进风口。为更明显地体现两者的差异，将风速设置为5 m/s(试验风速为2 m/s)。其他情况和确定进、出风口最佳高度相同。

圆形散热孔的散热效果与长方形散热孔的散热效果见表3，很明显，当散热孔形状为长方形时散热效果更好，其最高温度比圆形散热孔的要低1℃多，试验温度数据同样符合仿真效果。圆形孔以及长方形孔的局部模型及温度云图如图3-4所示。

 表3  圆孔与长方形孔的散热比较

 

 5.3 散热孔位置分布及数量优化分析

在5.2节中所述的散热孔全部集中在底部，通过温度场分布图可以清楚地观察出柜体中部及上部温度依旧较高，本节将通过调整散热孔位置及散热孔的数目来比较散热效果。进风口采用长方孔形状，风速同样设置为5m/s(试验风速为2 m/s)。不用的散热孔用隔板挡住，防止空气吋流。

  

图3  散热孔为圆形孔时的温度云图

  

图4  散热孔为长方形时的温度云图

为了方便分别将柜体正面0.1、1.2 m及1.9 m 处标记为下、中、上端(试验高度取半）。散热孔位置分布置与最交温度关系见表4。

表4  散热孔位置分布与最高温度关系

 

从表4可以看出：当散热孔位置和数量设置为方案11时，最大温度表现上，仿真为38℃和试验为38.9℃均为最低，所以散热孔最佳位置和数目，仿真结果确定为在0.1 m处20个、1.2 m处20个、1.9 m处30个，并且试验的结果支持软件仿真的结论。方案11模拟的温度云图如图5所示。

  

图5  方案11的温度图

6 结束语

本设计建立了仿真模型，对散热孔形状、位置分布全面考虑，为电容器柜设计提供一个参考依据。

1)对比分析5组不同出风口高度的散热情况，仿真结果表明高度在1.9 m处的排气散热效果最好。不同的电容器柜由于尺寸规格及内部元件布局不统一，其最佳出口高度将不一致。

2)对比分析圆形孔和长形方孔的散热影响，仿真结果表明长方形孔的散热效果更显著。

3) 对比分析散热孔分配在电容器柜的下、中、上端，仿真结果表明：当上端30个、中端和下端20个时散热效果最好，最高温度仿真模拟为38℃，满足运行要求，模型试验为38.9℃：验证了仿真方案的可靠性。