CN111950797B - 一种带连接头的大功率水冷母线局部温度预测方法 - Google Patents

一种带连接头的大功率水冷母线局部温度预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带连接头的大功率水冷母线局部温度预测方法，所述发明预测方法，利用传热学理论与有限元软件结合，针对kA级别以上大功率水冷母线因为带有软连接导致的接触电阻进行最高温度预测。可以有效减少诸如CFD或Fluent流体仿真软件带来的时间浪费和计算机使用内存。本发明提出的这种简单预测方法，可以快速的解决大功率水冷母线的电热耦合问题。利用传热学通用的热损耗和对流换热公式在考虑与不考虑接触的电阻两种情况下，预测母线温度范围，并结合ANSYS中的Thermal‑Electric模块进而估计由于接触电阻导致的局部过高温度。

Description

一种带连接头的大功率水冷母线局部温度预测方法
技术领域
本发明涉及大功率电力传输线领域，主要技术应用于大功率带连接头的母线工作时的局部温度预测从而保证设备正常运行并减小不必要的水冷损耗。
背景技术
随着国家工业化的快速推进，大功率电力设备的使用和研究日益增多。在大功率设备中，因为大电流的通过，使得设备必须要进行外部或是内部冷却以避免发热导致设备损坏。诸如大功率变流器，大功率开关等设备的大功率电力传输母线均需要使用水冷方式工作。而在实际制造和安装中，大功率母线由螺栓或是焊接方式进行连接，这会造成额外的接触电阻。而母线的连接头处因为不能进行水冷，所以会有局部温度过高的问题存在。在设备设计和使用时，需要对该部分的温度进行预测和测量，以保证其不超过温度限制。因此，需要一种能快速估算带接头的母线局部温度的方法，该方法可以节省设计周期、确保整个电力设备的正常工作、并基于该方法优化冷却水冷量，减小不必要的水泵功率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对数kA级别以上的大功率水冷母线因为连接头引入的接触电阻造成的冷却不足而产生的局部过热预测费时且复杂，因此，本发明提供了一种带连接头的大功率水冷母线局部温度预测方法，基于传热学理论和Thermal-Electric模块相结合，对接触温度快速估计。
一种带连接头的大功率水冷母线局部温度预测方法，是基于传热学理论首先根据大功率母线运行工况，在考虑和不考虑接触电阻的情况下，按照设定的母线焦耳热与冷却水发热量的误差，预测母线平均温度范围，并计算出冷却水的平均温度和对流换热系数范围。利用理论计算值，在Thermal-Electric模块中进行快速仿真，在考虑和不考虑接触电阻的情况下，预测连接头处的局部温度范围。基于分析结果，用以判断给定母线电流和水冷量下，母线温度能否满足限制条件。
本发明的技术方案如下：一种带连接头的大功率水冷母线局部温度预测方法，包括如下步骤：
步骤1：首先定义水冷系统的参数：给定母线通过的电流，进口水温，水流量，假设出口水温；
步骤2：给定一个母线主体温度Tw进行后续的功率计算和验证；
步骤3：根据步骤2假设的母线主体温度，考虑导体电阻随温度变化的影响，计算母线本体电阻和接触电阻大小，进而计算母线系统在给定电流下的功率；
步骤4：根据步骤1假设的进口和出口水温，计算冷却水的焦耳热，基于此得到冷却水的温升下带走的功率；
步骤5：校验步骤3和步骤4计算的功率误差是否满足工程应用条件，不满足则重新定义母线系统出口水温，重复步骤1至步骤5直至满足条件，满足后进行下一步骤；
步骤6：基于步骤5结果计算预估的冷却水平均温度Tf和相应的对流换热系数；
步骤7：将步骤6的参数进行热电耦合仿真，估计母线本体温度和接触位置的温度。
进一步的，水冷系统的冷却水通过母线内部水孔，连接头处利用外部软管连接。
进一步的，所述连接头为焊接方式和螺栓铆接方式。
进一步的，所述软管连接的接触电阻用母线通过额定电流并测量电压的方法得到。
进一步的，该方法适用于多个同类型连接头方式同时使用的母线系统。
进一步的，所述母线和连接头使用多种不同金属材料制作和连接。
进一步的，所述步骤6中，以传热学计算的水冷平均温度和冷却水路的平均对流换热系数作为ANSYS中的Thermal-Electric模块的输入，在考虑与不考虑接触电阻的情况下，预测连接头的最大温度。
进一步的，母线和软连接的焦耳热计算如下：
Figure GDA0003937462380000021
式中，Rb为带软连接母线的电阻，Rcont为软连接引起的接触电阻，I为流过母线的电流，l为母线长度，a、b分别为母线截面的长度和宽度，r为水孔半径，ρal为铝母线的电阻率；因此，电阻率的线性变化通过下式计算：
ρal＝2.6548×10-6×(0.00429×(Tw-25)+1) (2)
其中，Tw是定义的母线主体温度。
假设母线的焦耳损耗完全由冷却水传递。则可以认为：
Pwater＝πr2Vfρf△Tcf (3)
其中，Vf为水孔速度，ρf为水密度，△T为进出水温差，cf为水的比热容；Pwater为冷却水耗散的功率；
由公式(1)至(3)，得到换热过程中的出水温度。冷却水的特征温度Tf可以由进出口温度进行估算：
Figure GDA0003937462380000031
其中，Tinlet和Toutlet分别为冷却水的进口温度和出口温度。此温度用于验证传热效率和查找冷却水物理参数。
进一步的，管道内液体的传热包括湍流和层流，有三个需要用到的参数，分别是雷诺数Re，普朗特数Pr和努赛尔数Nuf，Re的计算方法是：
Figure GDA0003937462380000032
其中，ηf为水特征温度的动态粘度，d为管径；当Re<2200时，按层流计算；当2200<Re<10000时，按过渡区计算；当Re>10000时，按湍流计算。
进一步的，大功率水冷母线属于湍流，对于管内湍流强迫对流换热，努塞尔数Nuf为：
Nuf＝0.023Re0.8 Pr0.4 (6)
Pr是水的特征温度Tf下的普朗特数；
对流换热系数h根据水的性质计算：
Figure GDA0003937462380000033
其中，在特征温度Tf下，流体的导热系数λf；
母线水传递的实际焦耳损耗计算如下：
Figure GDA0003937462380000034
其中：
△Tmax＝Tw-Tinlet (9)
△Tmin＝Tw-Toutet (10)
母线和冷却水之间的功率损耗误差可以表示为：
Figure GDA0003937462380000035
当
Figure GDA0003937462380000041
小于设定值时，满足条件，否则，当水流速度和环境温度保持恒定时，重新定义母线温度Tw。
有益效果：
本发明涉及的接触温度简便预测方法相对于现有技术的优点主要在于其快速可靠的预测由于接触电阻造成的大功率水冷母线局部过热温度。可以用于多种连接头方式和多种金属材料母线的快速温度预测。本发明的关键是利用传热学和Thermal-Electric模块结合，需要构建母线本体温度和局部温度之间的关系，基于母线工作参数的水冷平均温度和对流换热系数的校核。本发明的预测方法，利用传热学理论与有限元软件结合，针对kA级别以上大功率水冷母线因为带有软连接导致的接触电阻进行最高温度预测。可以有效减少诸如CFD或Fluent流体仿真软件带来的时间浪费和计算机使用内存。本发明提出的这种简单预测方法，可以快速的解决大功率水冷母线的电热耦合问题。利用传热学通用的热损耗和对流换热公式在考虑与不考虑接触的电阻两种情况下，预测母线温度范围，并结合ANSYS中的Thermal-Electric模块进而估计由于接触电阻导致的局部过高温度。
附图说明
图1母线功率和温度计算流程图；
图2(a)母线的横截面；
图2(b)直线型软连接+L型软连接；
图2(c)直线型软连接+直线型软连接；
图3软连接接触电阻等效模型；
图4(a)两个直线型软连接组合的母线；
图4(b)直线型和L型软连接组合的母线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的一个实施例，提出一种带连接头的大功率水冷母线局部温度简便预测方法是基于传热学理论首先根据大功率母线运行工况，在考虑和不考虑接触电阻的情况下，按照设定的母线焦耳热与冷却水发热量的误差，预测母线平均温度范围，并计算出冷却水的平均温度和对流换热系数范围。利用理论计算值，在Thermal-Electric模块中进行快速仿真，在考虑和不考虑接触电阻的情况下，预测连接头处的局部温度范围。基于分析结果，用以判断给定母线电流和水冷量下，母线温度能否满足限制条件。
具体计算流程如图1所示：
步骤1：首先定义水冷系统的参数：给定母线通过的电流，进口水温，水流量，假设出口水温；
步骤2：给定一个母线主体温度Tw进行后续的功率计算和验证；
步骤3：根据步骤2假设的母线温度，考虑导体电阻随温度变化的影响，计算母线本体电阻和接触电阻大小，进而计算母线系统在给定电流下的功率；
步骤4：根据步骤1假设的进口和出口水温，计算冷却水的焦耳热，基于此得到冷却水的温升下带走的功率；
步骤5：校验步骤3和步骤4计算的功率误差是否满足工程应用条件(一般定义为误差<5％)，不满足则重新定义母线系统出口水温，重复步骤1至步骤5直至满足条件，满足后进行下一步骤；
步骤6：基于步骤5结果计算预估的冷却水平均温度Tf和相应的对流换热系数；
步骤7：将步骤6的参数输入ANSYS中的Thermal-Electric模块进行热电耦合仿真，估计母线本体温度和接触位置的温度。
根据本发明的一个实施例，螺栓铆接的母线接头有L型和直线型两种。其中，每个接头有8个接触面，同侧接触面的面积一致。而不同位置的接触面可以根据实际情况选择不同的大小。在图2(b)示意为小接触面积为200mm*90mm，大接触面的面积为300mm*90mm。直流母线横截面尺寸为200mm*60mm，在其中心处预留一个直径为20mm的水孔。直流母线横截面和两种软连接的形状如图2所示。
根据实际测量后的每个接触面的接触电阻，可以利用图3得到等效后的接触电阻，进而进行接触电阻的焦耳热计算。将八个软连接面按照各自电阻的串并联进行等效即可得到最终的接触电阻，200mm*90mm接触面的接触电阻按照4uΩ计算，300mm*90mm接触面的接触电阻按照6uΩ计算。最终可得L型软连接的等效接触电阻Rcont为4.4uΩ，直线型软连接为4uΩ。
根据本发明的另一个可选实施例，连接头采用焊接连接；对于焊接式连接头，同样可以利用图3的等效方法，根据实际情况，进行接触电阻等效，进而得到等效电阻。
母线和软连接的焦耳热计算如下：
Figure GDA0003937462380000061
式中，Rb为带软连接母线的电阻，Rcont为软连接引起的接触电阻，I为流过母线的电流，l为母线长度，a、b分别为母线截面的长度和宽度，r为水孔半径，ρal为铝母线的电阻率。电阻率具有明显的温度变化，因此，电阻率的线性变化通过下式计算：
ρal＝2.6548×10-6×(0.00429×(Tw-25)+1) (2)
其中，Tw是定义的母线主体温度。
假设母线的焦耳损耗完全由冷却水传递。则可以认为：
Pwater＝πr2Vfρf△Tcf (3)
其中，Vf为水孔速度，ρf为水密度，△T为进出水温差，cf为水的比热容；Pwater为冷却水耗散的功率。
由(1)至(3)，可以得到换热过程中的出水温度。冷却水的特征温度Tf可以由进出口温度进行估算：
Figure GDA0003937462380000062
其中，Tinlet和Toutlet分别为冷却水的进口温度和出口温度。此温度用于验证传热效率和查找冷却水物理参数。
根据传热理论的相关知识，管道内液体的传热包括湍流和层流。有三个需要用到的参数，分别是雷诺数Re，普朗特数Pr和努赛尔数Nuf。Re的计算方法是：
Figure GDA0003937462380000063
其中，ηf为水特征温度的动态粘度，d为管径。这些值是可以在热工手册中找到的水特征温度参数。当Re<2200时，按层流计算；当2200<Re<10000时，按过渡区计算；当Re>10000时，按湍流计算。不同情况下应采用不同的经验公式。
为了更好的冷却效果，大功率水冷母线属于湍流。对于管内湍流强迫对流换热，努塞尔数Nuf为：
Nuf＝0.023Re0.8 Pr0.4 (6)
Pr是水的特征温度Tf下的普朗特数。
对流换热系数h根据水的性质计算：
Figure GDA0003937462380000071
其中，在特征温度Tf下，流体的导热系数λf。
母线水传递的实际焦耳损耗计算如下：
Figure GDA0003937462380000072
其中：
△Tmax＝Tw-Tinlet (9)
△Tmin＝Tw-Toutet (10)
母线和冷却水之间的功率损耗误差可以表示为：
Figure GDA0003937462380000073
当
Figure GDA0003937462380000074
小于设定值时，满足条件，否则，当水流速度和环境温度保持恒定时，重新定义母线温度Tw。
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但是这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员可以对不同母线和连接头的尺寸和结构进行改变和应用，也可根据水冷量进行传热学经验公式的选择，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种带连接头的大功率水冷母线局部温度预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：首先定义水冷系统的参数：给定母线通过的电流，进口水温，水流量，假设出口水温；
步骤2：给定一个母线主体温度Tw进行后续的功率计算和验证；
步骤3：根据步骤2给定的母线主体温度，考虑导体电阻随温度变化的影响，计算母线本体电阻和接触电阻大小，进而计算母线系统在给定电流下的功率；母线和软连接的焦耳热计算如下：
Figure FDA0003894323430000011
式中，Rb为带软连接母线的电阻，Rcont为软连接引起的接触电阻，I为流过母线的电流，l为母线长度，a、b分别为母线截面的长度和宽度，r为水孔半径，ρal为铝母线的电阻率；因此，电阻率的线性变化通过下式计算：
ρal＝2.6548×10-6×(0.00429×(Tw-25)+1) (2)
其中，Tw是定义的母线主体温度；
假设母线的焦耳损耗完全由冷却水传递，则可以认为：
Pwater＝πr2Vfρf△Tcf (3)
其中，Vf为水孔速度，ρf为水密度，△T为进出水温差，cf为水的比热容；Pwater为冷却水耗散的功率；
由公式(1)至(3)，得到换热过程中的出水温度，冷却水的特征温度Tf由进出口温度进行估算：
Figure FDA0003894323430000012
其中，Tinlet和Toutlet分别为冷却水的进口温度和出口温度，此温度用于验证传热效率和查找冷却水物理参数；
管道内液体的传热包括湍流和层流，有三个需要用到的参数，分别是雷诺数Re，普朗特数Pr和努赛尔数Nuf，Re的计算方法是：
Figure FDA0003894323430000021
其中，ηf为水特征温度的动态粘度，d为管径；当Re<2200时，按层流计算；当2200<Re<10000时，按过渡区计算；当Re>10000时，按湍流计算；
大功率水冷母线属于湍流，对于管内湍流强迫对流换热，努塞尔数Nuf为：
Nuf＝0.023Re0.8 Pr0.4 (6)
Pr是水的特征温度Tf下的普朗特数；
对流换热系数h根据水的性质计算：
Figure FDA0003894323430000022
其中，在特征温度Tf下，流体的导热系数λf；
母线水传递的实际焦耳损耗计算如下：
Figure FDA0003894323430000023
其中：
△Tmax＝Tw-Tinlet (9)
△Tmin＝Tw-Toutet (10)
母线和冷却水之间的功率损耗误差可以表示为：
Figure FDA0003894323430000024
当
Figure FDA0003894323430000025
小于设定值时，满足条件，否则，当水流速度和环境温度保持恒定时，重新定义母线温度Tw；
步骤4：根据步骤1给定的进口水温和假设的出口水温，计算冷却水的焦耳热，基于此得到冷却水的温升下带走的功率；
步骤5：校验步骤3和步骤4计算的功率误差是否满足工程应用条件，不满足则重新定义母线系统出口水温，重复步骤1至步骤5直至满足条件，满足后进行下一步骤；
步骤6：基于步骤5结果计算预估的冷却水平均温度Tf和相应的对流换热系数；
步骤7：将步骤6的参数进行热电耦合仿真，估计母线主温度和接触位置的温度。
2.根据权利要求1所述的一种带连接头的大功率水冷母线局部温度预测方法，其特征在于：
水冷系统的冷却水通过母线内部水孔，连接头处利用外部软管连接。
3.根据权利要求1所述的一种带连接头的大功率水冷母线局部温度预测方法，其特征在于：
所述连接头包括焊接方式和螺栓铆接方式。
4.根据权利要求3所述的一种带连接头的大功率水冷母线局部温度预测方法，其特征在于：
所述连接头处采用L型或直线型软连接，软连接包括多个接触面，接触面的接触电阻用母线通过额定电流并测量电压的方法得到。
5.根据权利要求4所述的一种带连接头的大功率水冷母线局部温度预测方法，其特征在于：
该方法适用于多个同类型连接头方式同时使用的母线系统。
6.根据权利要求1所述的一种带连接头的大功率水冷母线局部温度预测方法，其特征在于：
所述母线和连接头使用多种不同金属材料制作和连接。
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