低压配电柜的温度场仿真设计方法技术

本发明专利技术涉及一种低压配电柜的温度场仿真设计方法，其技术特点是：采用三维软件建立等效模型，将模型文件导入到ICEM-CFD软件中，在低压配电柜外围建立空气外场，形成流固耦合散热模型，并使用ICEM-CFD进行网格划分；将ICEM-CFD画好的网格文件导入到Ansys-CFX中，然后对模型进行前处理；采用电磁热流耦合进行分析计算。本发明专利技术运用热流-电磁耦合分析的方法，利用三维软件建立低压配电柜仿真模型，再通过Ansys APDL、ICEM CFD、CFX等软件对低压配电柜模型进行仿真分析，大大减小产品的研发周期；同时，省去繁琐的试验过程，提高了产品设计的成功率，提高了产品设计的效率，对优化设计开关电器和保证开关电器的可靠运行有着重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
低压配电柜的温度场仿真设计方法
本专利技术属于低压配电柜
，尤其是一种低压配电柜的温度场仿真设计方法。
技术介绍
低压配电柜内部的开关电器工作时，由于焦耳损耗，涡流损耗、磁滞损耗等，其稳态温升会显著升高。开关电器中使用的金属材料和绝缘材料在温度超过一定范围以后，其机械强度和绝缘强度会明显下降。开关电器工作温度过高，其使用寿命会降低，甚至损坏。现在低压配电柜发热是一个很严重的问题，如何有效地增大低压配电柜的散热能力显得至关重要，常用的方法是对开关柜的通风口进行优化设计，对通风口的优化设计主要是通过反复试验不断修改通风口大小来达到设计的要求，然而试验这种方法产品开发周期长，研发成本高，严重影响低压配电柜的研发速度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、准确度高、设计周期短的低压配电柜的温度场仿真设计方法。本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种低压配电柜的温度场仿真设计方法，包括以下步骤：步骤1、采用三维软件建立等效模型，将模型文件导入到ICEM-CFD软件中，在低压配电柜外围建立空气外场，形成流固耦合散热模型，并使用ICEM-CFD进行网格划分；步骤2、将ICEM-CFD画好的网格文件导入到Ansys-CFX中，然后对模型进行前处理；步骤3、采用电磁热流耦合进行分析计算。而且，所述步骤1使用ICEM-CFD进行网格划分的具体处理过程为：(1)导入几何模型；(2)修复几何模型；(3)面分组；(4)创建Body；(5)设置全局网格大小；(6)设置面加密网格；(7)设置棱柱划分层数和选择需要生成棱柱网格的面；(8)进行网格划分并输出Ansys-CFX的网格文件。而且，所述步骤2对模型进行前处理的具体过程为：(1)导入画好的网格；(2)创建材料属性；(3)创建Body，同时赋予单元材料属性；(4)建立浮力表达式，将浮力加载到流体单元；(5)加载导线等效对外散热功率；(6)加载外场的边界条件；(7)设置迭代歩数和收敛残差的大小。而且，所述相关材料属性包括接触电阻、等效层的电阻率和导热系数。而且，所述步骤3电磁热流耦合计算分析过程如下：(1)利用ANSYSMulti-physics软件计算导体焦耳发热功率；(2)利用ANSYSCFX软件计算模型中温度、流速、压力的物理量分布；(3)循环求解三维有限元电磁耦合模型和三维流固耦合模型；(4)优化设计。而且，所述步骤(1)的详细处理过程为：首先将三维软件中导电回路的部分，以x_t文件的形式导入ANSYSMulti-physics软件中，并建立外包空气块，从而使其表面与导电回路激发出的磁力线平行；其次，对模型中各个部件施加对应的电阻率和磁导率物理属性，并在ANSYSMulti-physics中的mesh模块进行网格划分，并施加三相正弦电流负载和磁力线平行边界条件，初始化环境温度，从而获得三维有限元电磁耦合模型；最后，利用ANSYSMulti-physics中solver模块对上述三维有限元电磁耦合模型进行谐波分析，得到开关柜中导体各处焦耳发热功率，并将结果以.csv文件格式导出。而且，所述步骤(2)的详细处理过程为：首先，将在ICEM中画好的网格导入到CFX中；其次，对各个部件施加材料属性；然后，建立流-固、流-流、固-固耦合，设定仿真参数后开始计算直到仿真结果满足收敛条件；最后,以.cdb文件格式导出导体温度分布。而且，所述步骤(3)的详细处理过程为：将计算出的温度载荷文件代替上一步的温度载荷文件，从而得出新的电阻率，再重新计算；若得到的导体温度分布与前一步分析结果最大差异小于1％，则停止循环计算，获得最终稳态温升、流速、压力等物理量分布结果。本专利技术的优点和积极效果是：本专利技术运用热流-电磁耦合分析的方法，利用三维软件建立低压配电柜仿真模型，再通过AnsysAPDL、ICEMCFD、CFX等软件对低压配电柜模型进行仿真分析，大大减小产品的研发周期；同时，省去繁琐的试验过程，提高了产品设计的成功率，提高了产品设计的效率，对优化设计开关电器和保证开关电器的可靠运行有着重要的意义。附图说明图1是本专利技术等效模型的主视图；图2是图1的A-A剖视图；图3是图1的B-B剖视图；图4是流固耦合散热模型示意图；图5是电磁热流耦合分析流程图；图6是导体发热计算模型；图7是旋转双断点断路器动静触头接触电阻等效图图8是X-Y温度分布云图(Z＝0.205m)；图9是导体温升云图；图中，1：低压柜外壳；2：支撑板；3：母线架；4：A相母线；5：B相母线；6：C向母线；7：In＝630A转接器；8：In＝630A断路器；9：软母线；10：In＝400A转接器；11：导电柱；12:In＝400A断路器；13：进线端子组；14：出线端子组；15：出风口；16：进风口；17：低压配电柜；18：空气外场；19：In＝630A转接器内部导电部分；20：In＝630A断路器内部导电部分；21：In＝400A转接器内部导电部分；22：In＝400A断路器内部导电部分；23：接触电阻等效薄层；24：上进线；25：动导电杆；26：下进线。具体实施方式以下结合附图对本专利技术实施例做进一步详述：一种低压配电柜的温度场仿真设计方法，包括以下步骤：步骤1、采用三维软件建立等效的模型，将模型文件(.x_t)导入到ICEM-CFD软件中，在低压配电柜外围建立空气外场，形成流固耦合散热模型，并使用ICEM-CFD进行网格划分。本步骤使用的三维等效模型，如图1至图3所示，在该模型中，支撑板2经螺母与低压柜外壳1预留的螺柱相连接；母线架3经螺钉安装在支撑板2上方，同时把A向母线4、B向母线5、C向母线6固定；In＝630A转接器7挂接在母线ABC上，In＝630A断路器8经软母线9与In＝630A转接器7相连接；In＝400A转接器10挂接在母线ABC上，经导电柱11与In＝400A断路器12相连接。进线端子组13由螺栓连接In＝630A断路器8进线端，出线端子组14由螺栓连接在In＝400A断路器12出线端。低压柜外壳1上设置有进风口16和出风口15。三维等效模型文件(.x_t)导入到ICEMCFD后，在低压配电柜17外围建立空气外场18，形成如图4所示的流固耦合散热模型。建立好流固耦合散热模型之后，使用ICEM-CFD进行网格划分，画好网格后，将其以.cfx5的格式导出。使用ICEM-CFD进行网格划分的具体处理过程为：(1)导入几何模型；(2)修复几何模型；(3)面分组；(4)创建Body；(5)设置全局网格大小；(6)设置面加密网格；(7)设置棱柱划分层数和选择需要生成棱柱网格的面；(8)进行网格划分并输出Ansys-CFX的网格文件；步骤2、将ICEM-CFD画好的网格文件导入到Ansys-CFX中，然后按照下面步骤对模型进行前处理：(1)导入画好的网格；(2)创建材料属性；(3)创建Body，同时赋予单元材料属性。相关材料属性有接触电阻、等效层的电阻率和导热系数，接触电阻测量及其等效层的电阻率和导热系数的计算过程如下：从图1和图6的模型中，我们可以看出，整个开关柜的导电部分是由铜排、转接器、断路器等导电部件形成的回路。导电部件之间并不是我们肉眼看到的一样是完全接触的，实际上它本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低压配电柜的温度场仿真设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、采用三维软件建立等效模型，将模型文件导入到ICEM‑CFD软件中，在低压配电柜外围建立空气外场，形成流固耦合散热模型，并使用ICEM‑CFD进行网格划分；步骤2、将ICEM‑CFD画好的网格文件导入到Ansys‑CFX中，然后对模型进行前处理；步骤3、采用电磁热流耦合进行分析计算。

【技术特征摘要】
1.一种低压配电柜的温度场仿真设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、采用三维软件建立等效模型，将模型文件导入到ICEM-CFD软件中，在低压配电柜外围建立空气外场，形成流固耦合散热模型，并使用ICEM-CFD进行网格划分；步骤2、将ICEM-CFD画好的网格文件导入到Ansys-CFX中，然后对模型进行前处理；步骤3、采用电磁热流耦合进行分析计算，过程如下：(1)利用ANSYSMulti-physics软件计算导体焦耳发热功率；(2)利用ANSYSCFX软件计算模型中温度、流速、压力的物理量分布；(3)循环求解三维有限元电磁耦合模型和三维流固耦合模型；(4)优化设计；所述步骤(1)的详细处理过程为：首先将三维软件中导电回路的部分，以x_t文件的形式导入ANSYSMulti-physics软件中，并建立外包空气块，从而使其表面与导电回路激发出的磁力线平行；其次，对模型中各个部件施加对应的电阻率和磁导率物理属性，并在ANSYSMulti-physics中的mesh模块进行网格划分，并施加三相正弦电流负载和磁力线平行边界条件，初始化环境温度，从而获得三维有限元电磁耦合模型；最后，利用ANSYSMulti-physics中solver模块对上述三维有限元电磁耦合模型进行谐波分析，得到开关柜中导体各处焦耳发热功率，并将结果以.csv文件格式导出。2.根据权利要求1所述的低压配电柜的温度场仿真设计方法，其特征在于：所述步骤1使用ICEM-CFD进行网格划分的具体处理过程...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾文卓，张婕，王侨举，黑锦慧，杨法，顾德明，
申请(专利权)人：国家电网公司，天津市三源电力设备制造有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11