MOA的冷却结构设计与散热研究

论文摘要

随着我国电网负荷密度和总体容量的增长,系统的短路电流越来越大。基于氧化锌避雷器(Metal Oxide Arrester, MOA)的串联谐振经济型故障限流器,由于其较好的短路电流限制能力,运行可靠性高、技术经济性能好、无需外加控制而实现自动投切等明显优点,可望在高压电网中首先获得实用。发生短路故障时,巨大的短路能量注入到MOA中,金属氧化物压敏电阻(Metal Oxide Varistor, MOV)上有大量短路电流流过,导致其温度快速升高。为保证MOA的可靠运行,延长其使用寿命,需要尽快散热降温。因此,MOA冷却结构的设计和了解MOV阀片柱的温度分布非常重要。本文首先分析了MOA热传递的过程,介绍了包括Tominage模型法、等值热路图法、有限差分法、有限单元法在内的几种热分析方法的主要原理；讨论了氧化锌电阻片在小电流段、转折区的工频电流段、标准操作冲击电流段和标准雷电冲击电流段的功率损耗特性；在总结了傅立叶定律和导热微分方程等传热学理论的基础上,阐述了用有限单元法计算温度场的基本原理和过程,并给出了应用有限元软件ANSYS求解场问题的一般步骤。然后在传统MOA散热结构的基础上提出了一种新型MOA散热结构,即通过在两个ZnO阀片间叠加铝垫块,并在铝垫块上加工冷却通道的方法来改善MOA的散热效果。分别对传统和新型的MOA温度场问题建立了三维有限元模型,并利用ANSYS进行瞬态温度场的仿真计算,得出了相应的温度场分布规律和散热规律。系统地计算分析了冷却通道的条数、直径等几何因素对于通风道内传热特性和MOA散热特性的影响,提出了使散热效果更好的优化的结构参数(冷却通道的条数和直径),结果表明：MOA散热能力随冷却通道直径不同而变化,通道直径存在约为10mm的最优值,此时冷却结构散热效果较好,四条冷却通道比两条冷却通道具有更好的散热效果。计算并给出了MOA在长期运行后达到稳定平衡态时MOV的温度场分布,结果表明温升在允许范围内,MOA在该短路故障下仍能安全可靠运行。分析了残压变化时,MOA的发热和散热规律,计算了MOA可以承受的连续故障发生的最小时间间隔以及连续两次短路故障时MOA的散热特征。本文所做的工作为MOA的冷却结构设计和散热分析提供了理论依据和数据支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 MOA的性能和应用
• 1.2.1 ZnO的非线性特性
• 1.2.2 MOA的性能特点
• 1.2.3 MOA的应用领域
• 1.2.4 基于MOA的串联谐振型限流器
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 MOA的热传递及其分析方法
• 2.1 MOA热特性的影响因素
• 2.2 MOA热传递过程
• 2.3 热分析方法简介
• 2.3.1 Tominage模型
• 2.3.2 等值热路图法
• 2.3.3 有限差分法
• 2.3.4 有限单元法
• 第三章 ZnO电阻片的功率损耗
• 3.1 MOA的全伏安特性
• 3.2 小电流区的功率损耗
• 3.3 转折区的功率损耗
• 3.4 操作冲击电流段的功率损耗
• 3.5 雷电冲击电流段的功率损耗
• 第四章 基于有限单元法的温度场计算
• 4.1 传热学理论基础
• 4.1.1 热量传递的基本方式
• 4.1.2 傅立叶定律
• 4.1.3 导热微分方程的一般表达
• 4.1.4 边界条件
• 4.2 用有限元法求解温度场
• 4.2.1 有限元法的原理及步骤
• 4.2.2 温度场的泛函
• 4.2.3 插值函数
• 4.2.4 基于ANSYS的温度场有限元分析
• 第五章 MOA的冷却结构及其温度场研究
• 5.1 一种新型的MOA冷却结构
• 5.2 计算区域和基本假设
• 5.3 数学模型及边界条件
• 5.4 内热源的计算
• 5.4.1 已知残压和电流的情况
• 5.4.2 功率损耗的人工神经网络（ANN）模型
• 5.5 对流换热系数的确定
• 5.5.1 对流换热系数的求解方法简介
• 5.5.2 外壳对流换热系数
• 5.5.3 径向通风沟内表面换热系数
• 5.5.4 MOV上不同表面的换热系数
• 5.6 不同冷却结构下的MOA温度场
• 5.6.1 计算条件
• 5.6.2 传统MOA和新型MOA的温度场比较
• 第六章 散热的影响因素
• 6.1 通道直径对散热的影响
• 6.2 通道条数对散热的影响
• 6.3 不同残压下MOA的散热曲线
• 6.4 稳定平衡态下MOA的温度场
• 6.5 连续故障的最小间隔及MOA散热曲线
• 第七章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 论文发表和参加科研情况
• 学位论文评阅及答辩情况表