本文通过建立简化模型，并在两个温度场求解模块中进行对比分析，解决了环网柜的温升问题。
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本文内容
摘要
摘要
环网柜（RMU）是用于连接和分配电能的配电系统中的关键设备。然而，由于其内部结构紧凑且电流负载较高，散热问题尤为突出。为解决这一问题，本研究创新性地提出了一种简化的环网柜模型，采用有限元仿真方法，精确求解导体在实际运行条件下的欧姆损耗，并获取各部件的欧姆损耗数据。这是首次采用如此综合的方法对环网柜温升问题进行深入研究。随后，利用两个不同的温度场分析模块求解温度场，并对仿真结果进行详细比较与分析，以识别温度分布的共性、差异及变化趋势。结果表明，考虑对流换热的温度场求解模型更为准确，且更符合实际运行工况。本研究为环网柜的设计与优化提供了创新思路和实用解决方案。未来的研究可进一步探索多物理场耦合分析方法，以应对高压及超高压环网柜及其他电气设备的结构设计与强制验证问题，从而为工程设计提供重要参考。
引言
环网柜是一组安装在钢制金属柜内或由电气设备组装而成的环网供电单元。负荷开关和导电回路的整体结构由导电回路组成，其中包含构成环网柜核心的多个部件。然而，由于其内部结构紧凑，环网柜在散热方面面临挑战。在高温环境下长时间运行时，可能导致热变形和老化。这些问题不仅影响设备的使用寿命，还会降低其绝缘性能，带来安全隐患。特别是设备损坏和电气事故的发生概率增加，构成重大的安全风险。
在不同研究领域，学者们针对架空线路开关设备的温升问题开展了一系列研究，并分析了影响温度分布的各种因素1。Polykrati 等人2提出了一种数学模型，用于估算配电网络中设备在短路故障期间的温升情况。该模型应用于网络中常见的隔离开关，并根据短路电流波形中非对称部分的不同形式以及短路直流分量的初始值，绘制了结果特性曲线。Guan 等人则通过构建等效接触桥来模拟接触界面，考虑了接触电阻和电磁斥力的影响，并进一步分析了电磁-热耦合场及温升实验3。此外，研究人员还利用有限元仿真方法，研究了环网柜内动、静触头的温度场和热应力分布，为断路器寿命的研究提供了依据4。最后，Mueller 等人聚焦于散热器的几何特性，评估了材料选择、总表面积、温度均匀性以及最大表面温度对散热性能的影响5。这些研....
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方案
1. 模型
注意：由于环网柜主单元结构复杂（图1A），选择使用在线设计软件以简化环网柜主单元的操作。
- 模型简化
- 对模型进行部分简化，保留环网柜（RMU）的气箱部分，同时移除或简化其他组件，如绝缘拉杆、紧固螺栓、螺母、密封件和压力支撑支架。简化后的模型如（图1B）所示。
- 在简化630A型环网柜的过程中，移除连接断路器室与仪表箱的绝缘拉杆以及大量固定用的螺栓和螺母。取出密封件和承压支架，在确保整体结构导电电流相同的前提下，将隔离静触头梁的静触头与下分支母线连接，仅保留真空断路器、断路器固定板、静触头及真空断路器本体。
- 仅保留真空断路器、断路器固定板、静触头和真空断路器挡板。整体上从模型中移除所有螺栓和垫片，用实体填充拆除螺栓后留下的孔洞，减少网格划分的部件数量，并优化零件的不规则形状。移除对温升仿真过程无影响的操作面板仪表、安装板、支架及其他操作部件，例如仪表箱。
- 部分组件的绝缘外壳在仿真中可忽略，因其对仿真结果影响较小。此外，正常运行时对设备使用无影响的接地开关也可移除，仅保留断路器室用于仿真。
- 如需删除任意部分，只需选中该部分并点击删....
- 对模型进行部分简化，保留环网柜（RMU）的气箱部分，同时移除或简化其他组件，如绝缘拉杆、紧固螺栓、螺母、密封件和压力支撑支架。简化后的模型如（图1B）所示。
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结果
根据表3中的数据，可以得出以下结论：A、B 和 C 三个相的总体损耗相对接近。具体而言，A 相的总损耗为 16.063 W/m³，B 相为 16.12 W/m³，C 相为 19.57 W/m³。损耗较高的位置可能出现在各个组件的连接处，这主要是因为在这些连接点通常存在接触电阻和导体电阻。当电流通过这些连接部位时，会产生显著的热量，导致局部温度升高，从而增加该区域的损耗。
环网单元的上、下出线支路存在一定的损耗，尤其是在承载主负载时。三相出线支路中的损耗大致相同，这是因为该部分电流相对集中，且由于形状规则，电阻值较小，因此这些部分的损耗基本相等。
分支母线的损耗相对较高，主要由于其存在大量弯折部分以及倾斜段。大部分电流集中在弯折区域及拐角附近。除了真空断路器部分外，母线铜管部分的损耗也相对较高，总计为22.32 W/m³，占三相总欧姆损耗的40%。静触头部分的损耗与总体损耗相比则较小。
其他组件，如断路器固定板、断路器挡板以及环网柜的外壳，.......
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讨论
本文基于工程建模软件和有限元软件，对环网柜的温升进行了对比仿真分析，并通过两个有限元温度场求解模块分析了最符合实际温升状况的解决方案。Icoz23 指出，热管理是维持电子元器件高效率和高可靠性的关键且必要组成部分。借鉴 Steiner24 的研究工作，本文总结了开展对比分析的意义：已采用 COMSOL 和 ANSYS Mechanical 进行了对比分析。因此，在实际环网柜（RMU）的制造过程中，可通过有限元仿真软件对其温度分布进行分析，从而大幅节约人力和生产成本。
可以使用 SolidWorks 创建 RMU 的三维模型，如图 1A所示。在步骤 1.1 中，强调了模型简化是有限元分析中的关键步骤23。由于 RMU 包含大量组件，可能影响求解精度和计算结果，因此在仅考虑导电组件的基础上，移除了不必要的部分。主要工作部件被保留下来，如图 1B.......
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披露
作者不存在任何利益冲突。
致谢
作者感谢吴先生、孙硕士、王先生、穆先生和李先生提供的帮助。本研究由中国博士后科学基金（2022M721604）和温州重点科技攻关计划项目（ZG2023015）资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 空气 | / | / | 常规气体 |
| 铝 | / | / | 合金材料 |
| 铜 | / | / | 合金材料 |
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参考文献
- Xia, H., et al. Temperature rise test and analysis of high current switchgear in distribution system. J Engg. , 754-757 (2019).
- Polykrati, A. D., Karagiannopoulos, C. G., Bourkas, P. D. Thermal effect on electric power network components under short-circui....
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重印与许可
