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摘要：随着社会的不断发展，对于我国热辐射来说，这个是低压配电柜温升仿真中重要的组成部分，同时也是基于质量守恒、动量守恒以及能量守恒的核心内容。所以，如果要采取相关的耦合方式进行分析的话，那么就需要在能量方程中直接加入到热辐射范围内，不仅如此，还需要考虑到热辐射对配电柜温升的影响。所以热辐射模型就需要采用黑体辐射模型，来分析辐射对低压配电柜温升的影响。
关键词：低压配电柜；热辐射；温升；散热功率
目前，低压配电柜在电网中就已经广泛的应用，而这个时候低压配电柜的发热问题已经成为比较重要的问题，尤其设计在电流层次比较高的范围，就存在温升超标的现象。另外，低压配电柜温升超标就会直接影响到电力设备的正常运行。本文对低压配电柜的发热问题进行稳态温升仿真研究。采用黑体辐射作为热辐射模型，仿真分析了热辐射对低压配电柜温升的影响，计算了热辐射功率占整个散热功率的比例。
1.仿真模型
一般情况下，低压配电柜的仿真模型如下图所示。在最早设计模型之前，就需要有六个进气口，但是进气口高度这个时候就为4mm、长度就为190mm。但是在柜子左右中，就有四个进气口，进气口高度为4mm、长度为110mm。然后在配电柜后面就会有16个出气口，这个时候的出气口高度为4mm、长度为110mm。所以左右有四个出气口，如果是低压配电柜内部有四个断路器的话，从左到右就需要按照顺序连接断路器，这个时候的额定电流就会为630A，期间有一个备用断路器，在实际试验过程中，电流就是从第二个断路器直接流入。第三个和第四个断路器就会为出线断路器，其额定电流为400A。
2.求解方程
2.1 发热功率计算
要想在最大程度上实现电磁、热流耦合，那么在相关的软件中，就需要使用电磁耦合的方式设计三维有限元电磁模型，在这样的情况下，还需要应用语言编程程序文字来计算出导体发热的功率。
基于麦克斯韦方程组计算发热功率分布
▽•（ρ▽Ε）=0
∫=-ρ▽Ε
其实在公式中，Ε代表是电施、ρ代表是电导率、∫代表是电流密度。
2.2 电磁-热流耦合
在规定的计算公式中，发热功率就会相应的导入到相应的范围内，还可以根据施加自然对流空气外场以及对应的边界条件，根据质量守恒以及动量守恒和能量守恒多个方面的求解来不断实现电磁热流耦合。
其实热负荷对于温升的影响不能忽视，因此相对于一般的流体动态方程而言，本文在能量方程中就会直接加入了辐射分量。
需要注意的是，热辐射是通过低压配电柜的表面辐射出现的，而这个时候的配电柜外壳材料是SMC，因此就需要取发射频率的最大值来控制环境温度。
3.热辐射对温升的影响
其实在整体的试验过程中，就需要采用温升测试系统对低压配电柜进行全面的测量，温升测点如下图所示：
配电柜温升测点
3.1 温度云图
其实在此之前，就需要全面的考虑到热辐射模型的温度云图，在这个阶段上，面积是在X-Y面。但是从上述图可以看出来，考虑到热辐射以后，最高的温升就会达到相应的数值，而这个时候的配电柜内部断路器以及周围的温升就会逐渐降低，然而底部温升就会基本不变，一方面来说，配电柜顶部空气温升降低比较明显，由此可见，热辐射对于导体的温升影响也比较大。所以，要想清楚的了解到仿真计算导体的温升，那么就需要先考虑到热辐射对导体温升的主要影响。
3.2 流速矢量图
如果没有考虑到热辐射流速矢量图的情况下，就需要从配电柜下面的进气口，气流直接进入到配电柜中，这样的话就可以在配电柜中形成涡流，其主要的根本原因还是配电柜底部温度比较低，受到的气流比较小，所以自然的对于空气对流会造成很大的影响，最后也会使得流速逐渐减小。
一般来说，气流要是上升到配电柜顶部的时候，因为顶板的原因，就会产生很大的阻挡作用，如果是气流向两侧分流的话，那么出气口就会比较小，气流也没有办法根据出气口流出，最后会造成配电柜顶部形成一定的涡流。
如果在考虑到热辐射以后，那么流速就会降低，这个时候的测点就会提高，那么气流在不变的情况下，热辐射对气流产生的影响不是很大。
热辐射对流速影响
3.3 测点温度
要想在最大程度上测量出热辐射对低压配电柜温升仿真的影响，那么就需要不断做出不同电流层次条件下各个侧面对温升的对比。如果考虑到热辐射以后，对于I=400A，那么温升在最大程度上会缩小到14.68K。对于I=500A，温升就相应的缩小到10.64K。对于I=630A，温升还会相应的减小到13.01K。由此也可以证明热辐射对低压配电柜温升仿真研究的作用比较大，不能忽视。
4.考虑热辐射仿真与试验对比分析
考虑热辐射之后，将仿真与试验结果进行对比，如下图。由图可知，测点的温升与试验结果非常吻合特别是导体上4 ~ 24测点的温升。对于1=400A，导体平均温升由6.06K降到2.16K；对于I=500A，导体平均温升由5.24K降到0.42K；对于1=630A，导体平均温升由3.97K降到0.07K。
低压配电柜在温升达到稳定后，发热功率等于散热功率。发热功率是导体流过电流产生的焦耳热，而散热由下面几个方面组成：
①需要根据配电柜的出气口直接进行散热
②可以通过配电柜外壳和外场空气的对流进行散热
③通过接线端子传导进行散热
④可以根据配电柜对外场热辐射进行散热
以上可以证明，要想进一步研究出热辐射对低压配电柜温升的重要性，那么就需要将导体的发热功率和热辐射的功率进行相应的整理，从下表中可以看出来，如果当电流I=400、500、630A的时候，热辐射就会占到整个散热功率比例的一半，同时也就说明热辐射对低压配电柜温升的影响不能忽视。
数据统计
5.小结
以上所述，基于质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及麦克斯韦方程组，本文以低压配电柜为研究对象，采用电磁一热流耦合的分析方法对低压配电柜进行稳态温升仿真。然后将仿真结果和试验结果进行对比来说明仿真结果的正确性。不仅如此，还需要考虑到热辐射对低压配电柜温升的影响。这样在整个能量方程中就会直接加入了热辐射，辐射模型采用黑体辐射模型。当发热与散热达到平衡时，热辐射占整个散热功率的占比例约为10%，所以热辐射对低压配电柜温升的影响不容忽略。为进一步研究配电柜温升的特点以及提出优化方法提供了有力的依据。
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论文作者:周晓丽
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/12
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