配电柜散热系统优化设计
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2)确定。
λ
(
2)
x
式中 λ 为 导 热 系 数,
x 为 元 件 高 度,Nu 为 努 塞
h =Nu
尔数与流速密切相关。
由式(
2)可知,元件温度与其表面流体流速密切
相关,考虑到风速会产生噪音,因此本文在略微提高
送风速度的基础上改变柜内原件排布以优化柜内空
气流道。本文考虑 设 计 柜 内 流 体 流 道 来 实 现 降 温,
行调节。 ②X 轴 与 Z 轴 方 向 的 压 力 为 0,
Y 轴方向
2
的压力设置为 -9
.80665 m/s (竖直向上为 Y 轴正
方向)。 ③ 柜体温 度 高 于 室 温,且 与 室 温 相 差 不 大,
室内空气流通较缓 慢 对 散 热 影 响 较 小,且 柜 体 与 外
笔者基于流体力学 与 传 热 学 原 理,优 化 柜 内 元 件 排
温,元件与风的对流 换 热 可 以 看 作 是 外 部 强 制 对 流
换热,元 件 与 流 体 接 触 面 大 多 为 长 方 体,可 采 用
Chu
r
ch
i
l
l和 Be
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t
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i
n 提出的 针 对 流 体 横 向 外 掠 单
管工况的准则式,对 于 非 圆 型 截 面 的 柱 体 该 公 式 仍
适用。因此对流换热系数可由式(
拟与分布规律研究[
D].徐 州:中 国 矿 业 大 学,
2009.
[
]
7 刘志新 .矿井瞬变电磁场分布规律与应用研究
[
D].徐州:中国矿业大学,
2008.
[
8] 张平松,刘盛 东,李 培 根,等 .矿 井 瞬 变 电 磁 探
测技 术 系 统 与 应 用 [
J].地 球 物 理 学 进 展,
[
1] 郭彦华 .老空水水害事故原因分析及防治措施
作者简介:赵成雨(
1998—),男,硕士研究生,研究方向:分布式储能选址定容。
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
· 107 ·
总第 521 期
内 蒙 古 科 技 与 经 济
本次仿真采用 非 结 构 化 的 网 格 形 式 进 行 划 分,
生成网格 172482,质量如图 1 所示。
温度、元件布局、导 体 材 料 对 柜 内 温 度 有 显 著 影 响。
建立有限元仿真结构时,可将其物理简化,本文
简化如下:① 配电柜 柜 体 上 方 提 手 对 于 整 体 的 温 度
影响可忽略不计,建 模 时 忽 略。 ② 柜 内 不 规 则 形 状
的元件用面积相等的长方体代替。 ③ 配电柜与房间
研究[
J].中 国 安 全 科 学 学 报,
2006,
16(
10):
2011,
26(
3):
1107-1114.
[
9] 刘志新,岳建华,刘仰光 .扇形探测技术在超前
探测中 的 应 用 研 究 [
J].中 国 矿 业 大 学 学 报,
795-805.
[
3] 杜运夯,孙小林,陈小国 .《煤矿防治水细则》专
界的热交换有助于 柜 内 温 度 降 低,忽 略 此 项 不 会 导
布与进出风口,改善柜内风道,验证优化后的配电柜
致实验结果偏低影 响 安 全,故 柜 体 与 外 界 的 热 交 换
有更好的温控能力且柜内各元器件温度均不超标。
2
忽略不计。 ④ 参考压力为 101325
.0 N/m 。
收稿日期:
2022-06-15
2023 年 4 月
第 7 期 总第 521 期
内 蒙 古 科 技 与 经 济
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No.
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配电柜散热系统优化设计
赵成雨
(南京师范大学 电气与自动化工程学院,江苏 南京 210023)
流送风速度为 2 m/s。通过分析各场景的温度场和
流速场,探究优化 柜 内 元 件 散 热 的 方 法。 不 同 季 节
温度场如图 2、图 3 所示。
根据图 2,冬季配电柜运行时采取简单散热措施
即可将各元器件温度控制在较低水准,同时由于夏季
室温较高,辐射传热与对流传热效果较弱,柜内工控
机与端子温度急剧 升 高,超 出 阈 值(见 图 3),因 此 需
的辐射传热影响 较 小,忽 略 不 计。 ④ 柜 内 部 分 非 矩
形的元件,如显示器,用两个体积不同的长方体拼凑
而成,元件热负荷按照体积比例分配。
1.
2 边界条件
本文仿 真 紊 流 模 型 选 用 双 方 程 模 型 即 k
ε模
型,该模型是在单方 程 模 型 中 引 入 与 湍 流 耗 散 率 有
从元器件排布、进风量、风道设计等多方面优化配电柜散热,并将优化后的结果与优化前对比,结果表明
优化后的配电柜散热系统可以有效降低配电柜的温度。
关键词:配电柜;温度场分析;散热设计;有限元分析
中图分类号:
TM64
文献标识码:
A
文章编号:
1007—6921(
2023)
07—0107—02
配电 柜 是 一 种 常 见 的 控 制 电 能 分 配 的 电 气 设
柜工作时各元件工作温度能否在允许范围内。结果
表明,该配电柜在冬季时柜内温度较低,但因为夏季
环境温度较高,柜体与外界的对流换热量减少,柜内
端子与工 控 机 温 度 越 限,需 优 化 配 电 柜 散 热 系 统。
流模型。边界条件 如 下:① 本 文 研 究 自 然 对 流 和 强
0,强迫对流时根据仿真结果与设计需要对进风量进
矿井瞬变电磁物探和钻探相结合的方式累计疏放老
空水约 11 万 m ,取得了不错的效果。 ② 物探、钻探
3
成果显示,物探异常 区 及 疏 放 水 钻 孔 终 孔 位 置 并 未
探到采掘图上旧巷 范 围,但 位 于 旧 巷 南 部 井 田 范 围
内最低处,表明随着 采 动 老 空 水 存 在 向 井 田 低 处 汇
0~1 之间的数来描述网格质量,越接近 1 代 表 网 格
质量越好,由 图 1 可 知,模 型 网 孔 质 量 都 在 0
.8 以
上,
95% 以上的网孔质量接近 1,因 而 划 分 的 网 格 质
量较好,仿真结果具备可靠性。
示对流 换 热 系 数,
tw 表 示 元 件 表 面 温 度,
tt 表 示 室
[
3] XIE ZH,
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差较大,因此设计时 需 要 注 重 不 同 工 况 下 配 电 柜 运
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电柜运行温度有显 著 影 响,不 同 的 季 节 柜 内 元 件 温
著降低成 本,因 而 广 受 国 内 外 学 者 欢 迎。JPau
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等(
2002)利用 ANSYS 对 开 关 柜 进 行 仿 真 设 计,并
通过实物测温验证了恰当参数设置的仿真准确性很
高。Taka
sh
iKobaya
sh
i等 (
2001)以 KYN96
12 出
线柜为对象,针对运行场景进行仿真分析,得出环境
理结构,并将送风口设于柜体右侧上部,出风口设立
度一旦越限,轻则影响元件的工作效果,重则引起负
于柜体左侧下部,形成上供下回的送风方式。
荷端的电压产生 波 动,产 生 大 量 经 济 损 失。 因 而 必
须把控柜内的温度,保证设备稳定运行。
利用计算流体力学软件进行有限元分析是目前
常用设计手段。与 实 物 实 验 相 比,有 限 元 仿 真 可 显
展、问题和 展 望 [
J].煤 炭 学 报,
2014,
39(
5):
2018.
[
]
4 刘盛东,刘静,岳建华 .中国矿井物探技术发展
现状和关键问 题 [
J].煤 炭 学 报,
2014,
39(
1):
19-25.
2007,
36(
6):
822-825.
[
10] 于景邨,常江浩,苏本玉,等 .老空水全空间瞬
变电磁法探测三维数值模拟研究[
显著冷却,同时由于新增风扇的作用,使得工控机也
获得了较好的对流 换 热 效 果,成 功 将 工 控 机 温 度 控
制在 60℃ 以下,部分元件温度虽有 所 上 升 但 仍 留 有
裕度,可以安全稳定运行,散热优化具备显著效果。
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摘
要:配电柜作为分配电能、对电力线路提供保护作用的设备,在 电 力 系 统 中 起 着 十 分 重 要 的 作
用,但柜内元件工作时会散发出大量的热量,导致柜内温度升高,影 响 元 器 件 的 正 常 运 作。文 章 以 配 电
柜为基础,模拟不同季节不同散热条件下柜内温度场与速度场,针对夏 季 高 温 时 柜 内 温 度 过 高 的 现 象,
J].煤炭科
687-691.
[
]
12 刘树才,岳 建 华,刘 志 新 .煤 矿 水 文 物 探 技 术
与应 用 [M ].徐 州:中 国 矿 业 大 学 出 版 社,
2005.
(上接第 108 页) 温 度 较 低 的 空 气,因 而 端 子 得 到
XIEZ H 等(
2009)通过在闭合柜内安装热管以及改
关 ε的方程,是 目 前 数 值 计 算 中 应 用 最 为 广 泛 的 湍
笔者基于 So
l
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dwo
rks建立 配 电 柜 模 型 结 构,并
迫对流两种情况,自 然 对 流 情 况 下 风 扇 转 速 设 置 为
变风道显著降低了柜内温升。
建立相应的仿真模 型 进 行 有 限 元 热 仿 真,确 定 配 电
对柜内散热进行优化,避免温度过高产生的危害。
2 配电柜散热优化及对比
夏季柜内部分 元 器 件 温 度 会 越 限,需 改 善 散 热
条件。对流换热量可由式(
1)表示:
tw -tt)
q =h(
(
1)
式(
1)中 q 表示元件与空气的对流换热量,
h表
图 1 配电柜网格质量
网格质量显著 影 响 仿 真 结 果 的 可 靠 性,通 常 用
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434-439.
[
2] Taka
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聚的现象,在 今 后 老 空 水 防 治 工 作 中 应 予 以 重 视。
③ 钻探疏放老空水时,应对钻孔轨迹进行测量,以确
保疏放水效果。
[参考文献]
2023 年第 7 期
[
5] 于景 邨 .矿 井 瞬 变 电 磁 法 勘 探 [M].徐 州:中
国矿业大学出版社,
2007.
[
6] 杨海燕 .矿用多匝小回线源瞬变电磁场数值模
rf
o
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n
-
配电柜内风速、柜 内 元 件 排 布、风 道 进 行 全 面 考 虑,
(
4):
267-279.
本设 计 建 立 了 配 电 柜 3D 模 型 及 仿 真 模 型,对
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J].He
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r,
2001,
30
为配电柜设计提供参考,结果表明:① 环境温度对配
备,广泛应用于电 力 系 统 各 级 回 路 中。 其 内 部 通 常
配有大量的元器件,工作时会产生大量热量,需合理
1 模型结构及边界条件
1.
1 有限元仿真模型结构
笔者在 So
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rks 中 按 照 手 册 建 立 配 电 柜 物
设计风道,避免热 量 积 聚 引 起 温 度 超 限 的 问 题。 温
家 解 读 [M ].徐 州:中 国 矿 业 大 学 出 版 社,
学技术,
2015,
43(
1):
95-99,
103.
[
11] 刘白宙 .井 下 瞬 变 电 磁 技 术 在 探 测 煤 矿 老 空
水方面的 应 用 [
J].地 震 地 质,
2007,
29(
3):
141-144.
[
2] 武强 .我国矿井水防控与资源化利用的研究进
· 108 ·
后柜内元件温度对比如图 4 所示。
图 4 优化前后温度对比
由图 4 可 知,优 化 后 柜 内 的 最 高 温 度 降 至
66℃ ,优化后端子表面流过更多
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(下转第 111 页)
唐龙飞 · 残复采煤层老空水探查技术研究
选择在柜体下侧新增一个送风速度为1
.5 m/s的风
扇为工控机散热,同 时 调 整 柜 内 端 子 排 布。 优 化 前
图 2 冬季强迫对流柜内温度场
图 3 夏季强迫对流柜内温度场
笔者基于 Ai
r
pak 对该配电柜进行了数值仿真,
经过迭代计算,得出 了 冬 季 与 夏 季 自 然 对 流 和 强 迫
对流 4 种运行场景 的 温 度 场 和 流 速 场,其 中 强 迫 对
λ
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2)
x
式中 λ 为 导 热 系 数,
x 为 元 件 高 度,Nu 为 努 塞
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尔数与流速密切相关。
由式(
2)可知,元件温度与其表面流体流速密切
相关,考虑到风速会产生噪音,因此本文在略微提高
送风速度的基础上改变柜内原件排布以优化柜内空
气流道。本文考虑 设 计 柜 内 流 体 流 道 来 实 现 降 温,
行调节。 ②X 轴 与 Z 轴 方 向 的 压 力 为 0,
Y 轴方向
2
的压力设置为 -9
.80665 m/s (竖直向上为 Y 轴正
方向)。 ③ 柜体温 度 高 于 室 温,且 与 室 温 相 差 不 大,
室内空气流通较缓 慢 对 散 热 影 响 较 小,且 柜 体 与 外
笔者基于流体力学 与 传 热 学 原 理,优 化 柜 内 元 件 排
温,元件与风的对流 换 热 可 以 看 作 是 外 部 强 制 对 流
换热,元 件 与 流 体 接 触 面 大 多 为 长 方 体,可 采 用
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管工况的准则式,对 于 非 圆 型 截 面 的 柱 体 该 公 式 仍
适用。因此对流换热系数可由式(
拟与分布规律研究[
D].徐 州:中 国 矿 业 大 学,
2009.
[
]
7 刘志新 .矿井瞬变电磁场分布规律与应用研究
[
D].徐州:中国矿业大学,
2008.
[
8] 张平松,刘盛 东,李 培 根,等 .矿 井 瞬 变 电 磁 探
测技 术 系 统 与 应 用 [
J].地 球 物 理 学 进 展,
[
1] 郭彦华 .老空水水害事故原因分析及防治措施
作者简介:赵成雨(
1998—),男,硕士研究生,研究方向:分布式储能选址定容。
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
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总第 521 期
内 蒙 古 科 技 与 经 济
本次仿真采用 非 结 构 化 的 网 格 形 式 进 行 划 分,
生成网格 172482,质量如图 1 所示。
温度、元件布局、导 体 材 料 对 柜 内 温 度 有 显 著 影 响。
建立有限元仿真结构时,可将其物理简化,本文
简化如下:① 配电柜 柜 体 上 方 提 手 对 于 整 体 的 温 度
影响可忽略不计,建 模 时 忽 略。 ② 柜 内 不 规 则 形 状
的元件用面积相等的长方体代替。 ③ 配电柜与房间
研究[
J].中 国 安 全 科 学 学 报,
2006,
16(
10):
2011,
26(
3):
1107-1114.
[
9] 刘志新,岳建华,刘仰光 .扇形探测技术在超前
探测中 的 应 用 研 究 [
J].中 国 矿 业 大 学 学 报,
795-805.
[
3] 杜运夯,孙小林,陈小国 .《煤矿防治水细则》专
界的热交换有助于 柜 内 温 度 降 低,忽 略 此 项 不 会 导
布与进出风口,改善柜内风道,验证优化后的配电柜
致实验结果偏低影 响 安 全,故 柜 体 与 外 界 的 热 交 换
有更好的温控能力且柜内各元器件温度均不超标。
2
忽略不计。 ④ 参考压力为 101325
.0 N/m 。
收稿日期:
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第 7 期 总第 521 期
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配电柜散热系统优化设计
赵成雨
(南京师范大学 电气与自动化工程学院,江苏 南京 210023)
流送风速度为 2 m/s。通过分析各场景的温度场和
流速场,探究优化 柜 内 元 件 散 热 的 方 法。 不 同 季 节
温度场如图 2、图 3 所示。
根据图 2,冬季配电柜运行时采取简单散热措施
即可将各元器件温度控制在较低水准,同时由于夏季
室温较高,辐射传热与对流传热效果较弱,柜内工控
机与端子温度急剧 升 高,超 出 阈 值(见 图 3),因 此 需
的辐射传热影响 较 小,忽 略 不 计。 ④ 柜 内 部 分 非 矩
形的元件,如显示器,用两个体积不同的长方体拼凑
而成,元件热负荷按照体积比例分配。
1.
2 边界条件
本文仿 真 紊 流 模 型 选 用 双 方 程 模 型 即 k
ε模
型,该模型是在单方 程 模 型 中 引 入 与 湍 流 耗 散 率 有
从元器件排布、进风量、风道设计等多方面优化配电柜散热,并将优化后的结果与优化前对比,结果表明
优化后的配电柜散热系统可以有效降低配电柜的温度。
关键词:配电柜;温度场分析;散热设计;有限元分析
中图分类号:
TM64
文献标识码:
A
文章编号:
1007—6921(
2023)
07—0107—02
配电 柜 是 一 种 常 见 的 控 制 电 能 分 配 的 电 气 设
柜工作时各元件工作温度能否在允许范围内。结果
表明,该配电柜在冬季时柜内温度较低,但因为夏季
环境温度较高,柜体与外界的对流换热量减少,柜内
端子与工 控 机 温 度 越 限,需 优 化 配 电 柜 散 热 系 统。
流模型。边界条件 如 下:① 本 文 研 究 自 然 对 流 和 强
0,强迫对流时根据仿真结果与设计需要对进风量进
矿井瞬变电磁物探和钻探相结合的方式累计疏放老
空水约 11 万 m ,取得了不错的效果。 ② 物探、钻探
3
成果显示,物探异常 区 及 疏 放 水 钻 孔 终 孔 位 置 并 未
探到采掘图上旧巷 范 围,但 位 于 旧 巷 南 部 井 田 范 围
内最低处,表明随着 采 动 老 空 水 存 在 向 井 田 低 处 汇
0~1 之间的数来描述网格质量,越接近 1 代 表 网 格
质量越好,由 图 1 可 知,模 型 网 孔 质 量 都 在 0
.8 以
上,
95% 以上的网孔质量接近 1,因 而 划 分 的 网 格 质
量较好,仿真结果具备可靠性。
示对流 换 热 系 数,
tw 表 示 元 件 表 面 温 度,
tt 表 示 室
[
3] XIE ZH,
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通过实物测温验证了恰当参数设置的仿真准确性很
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12 出
线柜为对象,针对运行场景进行仿真分析,得出环境
理结构,并将送风口设于柜体右侧上部,出风口设立
度一旦越限,轻则影响元件的工作效果,重则引起负
于柜体左侧下部,形成上供下回的送风方式。
荷端的电压产生 波 动,产 生 大 量 经 济 损 失。 因 而 必
须把控柜内的温度,保证设备稳定运行。
利用计算流体力学软件进行有限元分析是目前
常用设计手段。与 实 物 实 验 相 比,有 限 元 仿 真 可 显
展、问题和 展 望 [
J].煤 炭 学 报,
2014,
39(
5):
2018.
[
]
4 刘盛东,刘静,岳建华 .中国矿井物探技术发展
现状和关键问 题 [
J].煤 炭 学 报,
2014,
39(
1):
19-25.
2007,
36(
6):
822-825.
[
10] 于景邨,常江浩,苏本玉,等 .老空水全空间瞬
变电磁法探测三维数值模拟研究[
显著冷却,同时由于新增风扇的作用,使得工控机也
获得了较好的对流 换 热 效 果,成 功 将 工 控 机 温 度 控
制在 60℃ 以下,部分元件温度虽有 所 上 升 但 仍 留 有
裕度,可以安全稳定运行,散热优化具备显著效果。
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要:配电柜作为分配电能、对电力线路提供保护作用的设备,在 电 力 系 统 中 起 着 十 分 重 要 的 作
用,但柜内元件工作时会散发出大量的热量,导致柜内温度升高,影 响 元 器 件 的 正 常 运 作。文 章 以 配 电
柜为基础,模拟不同季节不同散热条件下柜内温度场与速度场,针对夏 季 高 温 时 柜 内 温 度 过 高 的 现 象,
J].煤炭科
687-691.
[
]
12 刘树才,岳 建 华,刘 志 新 .煤 矿 水 文 物 探 技 术
与应 用 [M ].徐 州:中 国 矿 业 大 学 出 版 社,
2005.
(上接第 108 页) 温 度 较 低 的 空 气,因 而 端 子 得 到
XIEZ H 等(
2009)通过在闭合柜内安装热管以及改
关 ε的方程,是 目 前 数 值 计 算 中 应 用 最 为 广 泛 的 湍
笔者基于 So
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迫对流两种情况,自 然 对 流 情 况 下 风 扇 转 速 设 置 为
变风道显著降低了柜内温升。
建立相应的仿真模 型 进 行 有 限 元 热 仿 真,确 定 配 电
对柜内散热进行优化,避免温度过高产生的危害。
2 配电柜散热优化及对比
夏季柜内部分 元 器 件 温 度 会 越 限,需 改 善 散 热
条件。对流换热量可由式(
1)表示:
tw -tt)
q =h(
(
1)
式(
1)中 q 表示元件与空气的对流换热量,
h表
图 1 配电柜网格质量
网格质量显著 影 响 仿 真 结 果 的 可 靠 性,通 常 用
i
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434-439.
[
2] Taka
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聚的现象,在 今 后 老 空 水 防 治 工 作 中 应 予 以 重 视。
③ 钻探疏放老空水时,应对钻孔轨迹进行测量,以确
保疏放水效果。
[参考文献]
2023 年第 7 期
[
5] 于景 邨 .矿 井 瞬 变 电 磁 法 勘 探 [M].徐 州:中
国矿业大学出版社,
2007.
[
6] 杨海燕 .矿用多匝小回线源瞬变电磁场数值模
rf
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配电柜内风速、柜 内 元 件 排 布、风 道 进 行 全 面 考 虑,
(
4):
267-279.
本设 计 建 立 了 配 电 柜 3D 模 型 及 仿 真 模 型,对
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J].He
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r,
2001,
30
为配电柜设计提供参考,结果表明:① 环境温度对配
备,广泛应用于电 力 系 统 各 级 回 路 中。 其 内 部 通 常
配有大量的元器件,工作时会产生大量热量,需合理
1 模型结构及边界条件
1.
1 有限元仿真模型结构
笔者在 So
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dwo
rks 中 按 照 手 册 建 立 配 电 柜 物
设计风道,避免热 量 积 聚 引 起 温 度 超 限 的 问 题。 温
家 解 读 [M ].徐 州:中 国 矿 业 大 学 出 版 社,
学技术,
2015,
43(
1):
95-99,
103.
[
11] 刘白宙 .井 下 瞬 变 电 磁 技 术 在 探 测 煤 矿 老 空
水方面的 应 用 [
J].地 震 地 质,
2007,
29(
3):
141-144.
[
2] 武强 .我国矿井水防控与资源化利用的研究进
· 108 ·
后柜内元件温度对比如图 4 所示。
图 4 优化前后温度对比
由图 4 可 知,优 化 后 柜 内 的 最 高 温 度 降 至
66℃ ,优化后端子表面流过更多
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唐龙飞 · 残复采煤层老空水探查技术研究
选择在柜体下侧新增一个送风速度为1
.5 m/s的风
扇为工控机散热,同 时 调 整 柜 内 端 子 排 布。 优 化 前
图 2 冬季强迫对流柜内温度场
图 3 夏季强迫对流柜内温度场
笔者基于 Ai
r
pak 对该配电柜进行了数值仿真,
经过迭代计算,得出 了 冬 季 与 夏 季 自 然 对 流 和 强 迫
对流 4 种运行场景 的 温 度 场 和 流 速 场,其 中 强 迫 对