低压成套开关设备温升试验方法分析

陆俊阳

（武汉波光源科技有限公司，湖北 武汉 430000）

所谓温升试验就是给设备施加额定电流，模拟设备在满负荷正常条件下的运行，验证设备中各部件的温升极限是否超过国家标准的规定。本研究是以低压成套开关设备温升试验为研究对象。

传统温升试验就是对实际试品模拟正常使用状态进行试验，通过电流源对设备的每个支路施加额定电流，然后在主回路进行短接，从而构成完整的回路，使整个柜体达到额定电流[1]。然后通过温度采集仪器将柜内各温度测量点的温度进行采集，计算出温升值与国家标准进行比较看其是否满足要求。在研究中提到的另一种试验方法为模拟仿真试验方法，模拟仿真试验就是通过模拟仿真软件将试品的各种参数条件输入到电脑中，然后再通过仿真软件建立实体模拟，施加载荷，模拟计算出各测试点的仿真温度值。

本研究将以XL 型低压动力配电柜为例，通过对2 种温升试验方法进行对比，得出模拟仿真试验可行的结论。

1 低压成套开关设备传统温升试验方法解析

1.1 XL 型低压动力配电柜温升试验方法

1.1.1 试验方法

试验前根据柜体的额定电流（InA）和各支路的额定电流（Inc）绘制出温升示意图，如图1 所示。图中标注了主断路器、支路断路器的额定电流、母线尺寸。

图1 XL 型低压动力配电柜温升示意图

试验过程中XL 型低压动力配电柜试品按照正常使用方式放置，所有覆板全部安装到位。试验开始后，所有支路施加额定电流值，直到温升稳定后方可停止试验。判定温升达到稳定的标准:所有温升测量点在1 h 内温度变化不超过1 ℃时，方可认为达到温升稳定状态。

1.1.2 XL 型低压动力配电柜温升试验设备

本次温升试验所使用的试验设备：程控交流恒流源GESHL-Ⅱ-3×100 两台，温度测量及采集使用的是34972A 数据采集器及T 型热电偶。

1.1.3 周围空气温度的测量

本次周围空气温度的测量采用热电偶测量。用两根热电偶均匀布置在试品两侧距离试品1 m 处，高度为试品高度的一半。为防止对流和热辐射对测量结果的影响，将热电偶放入油杯中来测量环境温度。

1.2 XL 型低压动力配电柜温升试验过程

1.2.1 试验导线的连接

根据标准要求，将试验导线依据作业指导书进行连接，如图2 所示。

图2 XL 型低压动力配电柜温升试验现场

本次试验采用逆送电流的方法，给支路分别施加额定电流，然后在主开关进线端进行短接，从而构成完整的回路使主开关达到400 A 的额定电流。

1.2.2 温升测试点的布置

在确认接线无误后，进行温升测试点的布置。根据试验前绘制出温升测试示意图1 进行主回路的温升测试点布置；然后再由柜体内部到外部进行操作手柄、成套设备内、主开关周围、主母线周围、外壳、距接端1 m 处的温升测试点的布置；最后进行周围空气温度测量点的热电偶布置，用至少两根热电偶放在油杯中测量环境温度，均匀分布在试品周围，在试品高度的1/2 处、距离试品约为1 m 处放置[1]。

本试验室采用热电偶进行温度测量，用铝箔胶带压接和胶水粘贴的方法进行热电偶的固定。热电偶固定过程中要确保铝箔和热电偶与测试位置粘贴紧密牢固，以免测试过程中热电偶脱落影响测量结果。

1.2.3 通电温升试验

热电偶粘贴完毕后将开关均闭合，经检查无异常后关闭柜门进行通电试验。

先接通程控交流恒流源试验电源，按照试验要求进行试验电流参数设定，然后进行参数调节，待试验电流稳定后开始试验。同时利用数据采集器和计算机实时监控试验电流和采集到的温度，并且记录试验数据，当温升达到稳定后再记录一组试验数据，停止试验。

1.3 温升试验数据

XL 型低压动力配电柜经过5.5 h 的通电试验后，各测量点的温升均达到稳定值，通过计算得出XL型低压动力配电柜传统温升试验方法的温升试验数据，见表1。

表1 试验实测温升试验结果

2 XL 型低压动力配电柜的ANSYS 16.0 热分析

2.1 温度场模型的热分析数据

对低压动力配电柜进行建模前的结构简化，要通过以下几方面进行:

（1）根据低压动力配电柜的结构特点及传热情况对模型进行网格划分，将其转化为有限单元，最后再对有限单元进行模拟仿真。

（2）根据XL 型低压动力配电柜传统温升试验测量点的要求，在模型中选取对应的温度测量点，对这些点进行热分析，计算出模拟仿真结果。

（3）XL 型低压动力配电柜在运行过程中，内部各元器件产生的热会在柜体内部产生对流，在热分析过程中需要处理对流对整个温度场的影响。

对XL 型低压动力配电柜进行热分析时，根据内部元器件的生热机理及温度场模型的要求，需要准备各种元器件制作材料的相关数据及施加载荷的数据，见表2。

表2 施加载荷数据

①相关元器件的材料

壳体:2.0 mm 冷轧钢板。

试验导线:聚氯乙烯绝缘导线；线芯材质：铜；外部防护层：聚氯乙烯；截面积：35 mm2和240 mm2。

主塑料外壳断式路器：NM1-400S/3300；

分支回路塑料外壳式断路器：NM1-125S/3300；

母线规格：主断路器出线：TMY-8×30 mm2；

水平母线：TMY-5×50 mm2；

分支母线：TMY-3×15 mm2；

TMY-20×5 mm2。

②热载荷数据

XL 型低压动力配电柜在正常运行过程中，其壳体内外存在热对流现象，因此在温度场模型中需考虑热对流。由于柜体内部结构简单，各元器件的热辐射影响较小，故忽略不计。

生热率: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周围环境温度

由于XL 型低压动力配电柜的传统温升试验，现场环境温度为25 ℃，因此在仿真试验时选择环境温度为25 ℃，XL 型低压动力配电柜边界温度:θc=25 ℃，断路器表面温度:θs=25 ℃。

2.2 构造实体模型

通过ANSYS 16.0 软件对已经简化处理后的XL 型低压动力配电柜构建模型，进行网格划分，并且对需要进行计算的节点运用软件进行计算求解，计算出低压动力配电柜的温度分布模型。

运用ANSYS 16.0 有限元分析软件对XL 型低压动力配电柜内部温度场分析的过程如下：利用XL型低压动力配电柜的结构特点及各项性能指标，在ANSYS 16.0 软件中搭建的有限元分析数学特征模型[2]。为了达到更加真实的效果，绘制出的模型与实际柜体结构保持一致。为了简化温度场模型，在建模过程中将对整体温度影响较小的辅助电路仪器仪表及设备底部的N、PE 母线忽略不计。所以模拟仿真计算方法得到的结果，与传统温升试验测量的结果存在一定的偏差，但是此偏差在标准允许的误差范围之内。

2.3 施加热生成载荷及温度的边界条件

（1）根据实际发热情况的不同可以将柜体内部的热源分为以下5 种

①主塑料外壳式断路器内部导体的生热率PZ。

②主断路器出线母线的生热率Pc。

③水平母线的生热率Ps。

④支路断路器内部导电体的生热率PF。

⑤分支回路断路器进线母线的生热率Pf。

（2）设置初始温度

在进行传统温升试验时，XL 型低压动力配电柜样机放置在25 ℃的试验室环境中，由于长期放置使试品内各部位的温度与环境温度达到热平衡状态，即初始温度等于环境温度25 ℃。因此，将模拟仿真试验的初始环境条件设定为25 ℃。

2.4 热分析结果

通过定义材料属性、构造实体模型、施加热生成的载荷、定义边界条件等过程后，对模型进行计算得到各节点的温度分布图。通过分析温度分布图发现开关设备的温度分布主要分为两大部分。其主要热源集中在主断路器、支路断路器周围，温度相对较高。主断路器温度在81.7～84.9 ℃，主断路器在整个柜体内最高，最高温度84.9 ℃；支路断路器进出线端温度较高，母线连接处的温度在69.7～73.9 ℃；金属外壳、绝缘操作手柄的温升在37.1～42.4 ℃。

金属外壳表面的温度分布比较均匀，各部分温度相差不大。在柜体顶部主断路器上方及柜体后覆板靠近主发热点的位置温度较高。

将各温升试验测试点从各个温度场模型中提取出来，从而计算得出温升值，模拟仿真计算的温升结果见表3。

表3 模拟仿真计算的温升结果

2.5 计算结果的分析

通过分析温度分布云图可以看出，XL 型低压动力配电柜柜体中部的温度比较高，其他部位温度低。在靠近主发热点的地方温度最高，特别是主断路器周围的温度最高。由于金属外壳本身不发热、且具有良好的导热作用，有利于壳体内部的温度及时向外传递，金属壳体的温度在整个测试点中最低。除主热源区域外，其他区域的温度在33～44 ℃，主断路器周围的温度大概在43.9 ℃左右，支路断路器周围的温度在33～41 ℃，这些区域的温度均符合GB/T 7251.12—2013 规定的温度要求。因此，辅助电路的仪器仪表均可以满足使用条件，可以可靠运行。

3 传统温升试验值与模拟仿真计算值的分析比较

为了能将传统温升试验结果与模拟仿真结果更加直观地表示出来，通过散点图的方式绘制了两条温度变化曲线，如图3 所示。

图3 实测温升与仿真计算温升散点图

通过图3 实测温升与仿真计算温升散点图可以看出，传统温升试验实测值与模拟仿真计算值的曲线走势基本相同，总体来看实测值略高于仿真计算值，个别的点仿真计算值等于或者略高于实测值，偏差范围在0～3.2 ℃。在23 个测试点中，有2 个点10 号、12 号点实测值与仿真计算值完全相同；11号、14 号点的仿真计算值略高于实测温升值，11 号点相差0.1 ℃，14 号点相差0.6 ℃；实测值略大于模拟仿真计算值且在2 ℃范围内的点共有13 个；实测值与仿真计算值温差在2～4 ℃的点共有4 个；2 号点的温差最大，仿真计算值比实测值小3.2 ℃。

依据国家标准中对试验数据可复现性≤10%的要求[2]。由此可以看出，XL 型低压动力配电柜的传统温升试验数据与模拟仿真计算值的偏差在标准要求的范围之内，因此，模拟仿真方法在低压动力配电柜温升试验中是可行的。

产生这种现象的原因有以下几点：

（1）在传统温升试验过程中，外接试验导线在试验过程中会发热，对柜内温度有一定影响，而模拟仿真过程中忽略了外接导线对整个柜体的影响。

（2）传统温升试验过程中由于各连接处的紧固螺钉的连接力矩有所差别，可能造成个别部位接触电阻增大，温度升高。

（3）传统温升试验过程中，导体中的电阻会随着温度的升高发生变化，而在模拟仿真计算过程中给导体施加了一个固定的接触电阻值。

（4）传统温升试验过程中热电偶采用铝箔纸粘贴，可能会因为粘贴不牢固而导致温度偏低。

（5）用ANSYS 16.0 软件进行模拟仿真时，通过为导体施加热载荷的方式来模拟导体中通过电流产生的热量，可能也会造成一定的误差[3]。

4 结论

目前，在国内的所有第三方检测机构中还没有一家机构通过运用电脑软件对低压成套开关设备温升试验进行模拟仿真来代替传统的温升试验。近几十年来，传统的温升试验方法有了很大的改变，但是还没有从传统的模式中完全摆脱出来，试验过程依然比较繁琐，需要消耗大量的人力资源、电能及时间。但是，目前低压成套开关设备进入快速发展阶段，各种集成化、智能化的新产品不断涌现出来，低压成套开关设备实现了智能化、自动化的发展。面对这些高科技新产品，现有检测手段确实已经无法完全满足产品发展的需要，不能为产品的高质量发展保驾护航。

为了探究解决以上问题的途径，本研究首先通过传统温升试验方法对XL 型低压动力配电柜进行温升试验，测量出各测量点的温升值；然后通过电脑模拟仿真的方法进行XL 型低压动力配电柜温升试验，利用ANSYS 16.0 软件仿真计算出各测量点的温升值，最后将两者进行比较分析，得出以下结论：

（1）通过ANSYS 16.0 软件对XL 型低压动力配电柜仿真计算得出的结果与传统试验结果的偏差在标准要求的范围之内，说明此方法的可行性。

（2）模拟仿真方法克服了传统温升试验需要消耗大量人力、电能及时间的弊端，为检测机构节约出大量的人力资源和电能消耗，为试验人员腾出大量时间进行试验方法的研究和改进。

（3）模拟仿真在使用初期可以根据不同产品建立实体模型，在后续试验中遇到同类产品只需调用已有模型，稍微修改个别参数即可使用，方便快捷。

（4）模拟仿真试验可以直观的生成整个柜体的温度分布云图，在输出测量点温度值的同时，可以直观地观测其他部位的温度情况，了解设备整体的温度分布情况，为企业的产品升级改进提供理论支撑。

在不久的将来，模拟仿真试验将代替传统的温升试验方法成为电器产品检测的重要手段，并逐步推广运用到整个检验检测领域中去，为我国的电工电器产品的转型升级和高质量发展做出巨大的贡献。