稳压器是压水堆核动力装置的关键设备之一,主要起到使反应堆冷却剂系统压力维持在一定范围内。稳压器电加热器开关柜用于对稳压器中电加热器各组电加热元件的用电分配和驱动控制功能,在反应堆启堆及正常运行过程中,通过控制电加热元件组的投入和切除来为为稳压器提供足够的热能。
和普通民用和工业用开关柜相比,稳压器电加热器开关柜的结构设计更为紧凑,其柜内安置大量的发热器件,其功率密度更高,因此其发热问题一直是设备的设计和研制过程中需要重点关注的问题。针对开关柜的热设计问题,可通过Flothem等热设计仿真软件对开关柜进行热设计建模仿真,但采用软件建模仿真方法往往需要设计人员首先花费大量时间学会软件的使用方法,且需要对机柜内部各元件有较深入的认识,在此基础上建立机柜以及内部各元器件的模型,其建模过程复杂且耗时较多,不易掌握。若采用做温升试验的方法,则存在不经济且须耗费较大的人力物力的问题。GB/T24276-2009提出了一种计算设备温升的外推法,该方法效果等同于温升试验,设计人员花费较少的时间即可掌握开关柜的热设计验证问题。该方法简便易行、可靠性高,可用于采用自然风冷冷却方式的开关柜的热设计验证问题。本文将基于该外推法对稳压器电加热器开关柜的热设计进行验证。
1 外推法热设计验证的基本流程
采用外推法对开关柜进行设计验证首先应判断本方法是否适用于开关柜的热设计,并收集开关柜的基本资料:外形尺寸、安装方式、基本的热设计信息、机柜内部主要的器件的功率损耗等。
采用外推法验证的基本流程如下:
(1)计算开关柜的发热量:高功率密度开关柜内各发热部件的功率损耗是进行热设计验证工作的基础,正确了解开关柜的工作温度和开关柜内各个元器件的功率损耗,是进行热设计验证工作的基础。通常,开关柜内装电气元器件的功率损耗是由元器件制造商提供,也可依据相关设计标准或者设计手册获取;
(2)计算开关柜外壳的有效散热面积:机柜的实际外形尺寸、安装环境、通风口的面积等都将影响到机柜的实际有效散热面积的大小;
(3)根据经验公式计算开关柜中间高度的空气温升△t0.5以及顶部的空气温升△tn-1;
(4)对热设计进行评价。
2 稳压器电加热器开关柜发热量计算
稳压器电加热器开关柜的内发热部件主要有调功器、断路器、接触器、动力母排、动力电缆、电流互感器、继电器、变送器等。通常,控制线路和信号线路的发热量非常小,可忽略不计。
在实际工作中,元器件的发热功率还应该根据负荷率或者工作温度进行适应性的修正。为简化计算,此处仅按照负荷率进行修正,且电流互感器、继电器和变送器等器件默认其负荷率为100%。
(1)调功器是功率开关器件中的一种,功率开关器件的损耗主要包括通态损耗和开关损耗:通态损耗主要与功率开关器件导通时流过的电流有关;开关损耗主要取决于功率开关器件的开关次数和每次开通关断的损耗。调功器采用了晶闸管作为开关器件,晶闸管仅存在通态损耗,因此调功器的发热功率与其实际通过的电流有关。查样本可知其额定电流为130A时的发热功率为300W。由于实际工作电流为40A,调功器的实际功率损耗为:
P1=144×(40/45)2=114W
(2)针对接触器以施耐德公司的接触器LCID95接触器为例,其运行在额定电流为50A的AC-1类负载的动力回路时功率损耗为15W,当负载的额定电流为40A时该接触器的实际功率损耗变为:
P2=15×(40/50)2=9.6W
(3)同样的,断路器在额定电流63A时的功率损耗为18W,其实际功率损耗为:
P3=18×(40/63)2=7.3W
(4)针对16mm2的动力力线路,依据GB/T24276-2009附录B知其额定工作电流为64A时的功率损耗为2.8W,该动力线路的实际功率损耗变为:
P4=2.8×(40/64)2=1.1W
上述发热器件的功率损耗其主要参数见下表1:
表1 主要发热器件功率损耗表
综合上述数据可得整个开关柜的发热量(功率损耗)为P=569.3W。
通过对上述数据分析可知:
1)调功器是整个开关柜中最主要的发热器件,其功率损耗占到了整个机柜发热量的80%;
2)接触器、接触器、动力线路等动力回路涉及的器件、线路是次要的发热器件,其功率损耗占到了整个机柜发热量的16.5%;
3)电流互感器、中间继电器和电流变送器等二次器件的功率损耗很小,实际计算时为方便起见这部分功率损耗也可以忽略不计。
3 稳压器电加热器开关柜热设计验证
稳压器电加热器开关柜采用了自然风冷方式冷却,机柜内部设置了一整块安装板用于相关元器件的安装,其开关柜内的功率损耗近似于均匀分布,因此其满足GB/T24276-2009中的应用外推法进行温升计算的条件。
3.1 开关柜有效散热面积计算
根据GB/T24276-2009《评估部分型式试验的低压成套开关设备和控制设备(PTTA)温升的外推法》4.2.1小节和表1“计算方法、用途、公式和特性”中介绍的方法,依据开关柜的外形尺寸和安装方式确定开关柜外壳表面积A0、和相对应的表面系数b,计算出开关柜的有效散热面积Ae。
外壳的有效散热面积Ae等于各个表面积AO乘以表面系数b的综合,此表面系数根据外壳安装形式考虑了各个面积的散热能力表面系数b见表2:
表2 安装形式对应的表面系数b
稳压器电加热器开关柜的尺寸为1800mm(高)×800mm(宽)×800mm(深),机柜正面下部进气孔尺寸为500mm×500mm,机柜正面下部出气孔尺寸为600mm×600mm,机柜两侧安装其它开关柜。
开关柜的外部示意图见图1。
依据上述计算方法进行外壳的有效散热面积计算,相应计算结果见表3。
图1 稳压器电加热器开关柜外部示意图
表3 稳压器电加热器开关柜有效散热面积计算表
3.2 开关柜内中间高度处温升的计算
根据GB/T24276-2009中的表1可知机柜内中间高度的温升与机柜的外壳系数、通风口系数、机柜的功率损耗以及温升指数有关,其具体表达式如下:
△t0.5=k×d×Px
其中,k为外壳系数,查图5可得k=0.07
d为通风口系数,查5可得,外壳系数d=1.00
P为机柜的功率损耗(W)
×为指数,体现了温升与功率损耗P之间的函数关系,由表1可知x=0.715
因此稳压器电加热器开关柜内中间高度空气温升为:
△t0.5=k×d×Px=0.07×1.00×569.30.715=6.5K
3.3 开关柜内顶部温升的计算
开关柜内顶部温升与中间高度处温升成比例关系,比例系数为c,代表了外壳温度分布系数,根据表1和图6可知c=1.8,带入具体数据可得:
△t1.0=c×△t0.5=1.8×6.5=11.7K
即开关柜内顶部温升为11.7℃。
开关柜内水平位置上的空气温升几乎是一样的,我们知道开关柜高度方向上的温升是按上升趋势变化的,因此可以知道开关柜内的最大温升即顶部温升11.7K。
3.4 开关柜热设计效果评价
根据经验,稳压器电加热器开关柜所在的电气设备间的温度不超过30℃,考虑到开关柜运行过程中的最大温升为11.7℃,则开关柜内的空气最高温度不超过41.7℃,远低于表1中列出的各主要器件的最高工作温度,因此开关柜的的热设计满足要求。
4 结论
本文采用的热设计验证研究方法是基于GB/T24276-2009并结合了稳压器电加热器开关柜的设备特点开展的,通过本方法验证了稳压器电加热器开关柜的热设计满足开关柜的运行要求。此外,本方法易于实现、具有较强的可操作性且结论可信度高,可以用于设计人员在新研开关柜的设计阶段开展热设计验证,也可以用于那些不适合做温升试验且从经济角度做温升试验也不合理的开关柜。