贲安然，解鹏程，皇甫星星,于海波

(南京南瑞继保工程技术有限公司，江苏 南京211102)

作者简介：贲安然（1987—），男，工程师，硕士，主要研究方向为电力系统一、二次设备，benanran@nrec.com.

摘要：采用有限元方法对模块化直流电源柜散热方式进行分析和设计。以标准尺寸的模块化直流电源柜为研究对象，在ICEPAK软件中分别建立其集中式散热和分布式散热的柜体仿真模型，通过仿真计算分别得到了两种散热方式下散热器的温度分布和模块前后的风压分布。对比了两种散热方式的优缺点，选择分布式散热作为模块化直流电源柜的散热方式。试验中测量了散热器的实际温升，其结果与仿真结果相符，验证了设计方法的正确性。

关键词：直流电源柜；模块化；集中式散热；分布式散热；ICEPAK

中图分类号：TM461.3   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)04-0057-05

随着负载容量的增加，传统的小功率直流电源的拓扑不再适用于大功率电源。同时，采用工频隔离方案的电源柜由于功率增大从而导致输入变压器体积过大，不再适用于现代变电站。

模块化直流电源柜由多个标准化的电源模块并联组成，若单个电源模块出现故障则其自动退出，不影响整个系统的运行。直流电源柜采用并联结构不仅可以减小系统的体积，加快系统的动态响应速度，还可以提高电源的通用性和灵活性，使系统的设计、安装、组合、检修、备料等环节更加方便，进一步提高了现场设备的可靠性、安全性、可维护性，因此在变电站直流供电系统中具有较高的推广应用价值［1］。

据统计，电子设备的主要失效形式是热失效，有55%的电子设备失效是温度超过规定的标准值导致的［2］。随着温度的升高，电子设备的失效率呈指数增长趋势［3］。变电站内部柜体的通用尺寸一般为800 mm×600 mm×2 200 mm（宽×深×高）［4-5］，在这种尺寸受限的条件下设计大功率的柜体，散热问题是急需解决的核心问题。本文基于有限元模拟的方法对其进行研究，首先在ICEPAK软件中建立了模块化直流电源柜的三维模型；然后研究了不同条件下风机的选型和位置对温升的影响，为实际工况中风机的选择和布置提供了参考；最后用实验验证了仿真计算的正确性。研究结果有助于从整体上对柜体进行散热设计，减轻电源模块的质量，改善散热效果，增强设备可靠性，进而可以为直流电源柜的优化设计提供依据。

1 模块化直流电源柜体结构介绍

在众多散热方式中，强制风冷的散热效果远好于自然散热，复杂性大大低于水冷和油冷，可靠性也较高［6-7］。对于变电站内部的大功率柜体而言，强制风冷是最佳散热方案。

考虑到柜体尺寸需要满足相应的国家标准和行业标准，一般的模块化直流电源柜布置方案为若干个电源模块自上而下排列，并联之后形成一个大功率直流电源。

电源柜的风冷散热方案一般有两种：集中式散热和分布式散热。集中式散热是指在柜体的后部或者顶部安装一个大功率的风机对所有电源模块的散热器进行散热；分布式散热是指每个电源模块自带小功率的风机对各电源模块内部的散热器进行散热。

以某款模块化直流电源柜为例，该电源柜内部自上而下布置了11个电源模块，各电源模块的高度均为标准3U（132.6 mm），19英寸（482.6 mm）的标准宽度，深度为500 mm。

图1所示为该柜体在分布式散热条件下的布局方式。考虑到单个电源模块后端需要设置接插端子，因此将风机设置在电源模块前部，由前端向后端吹风，每个电源模块布置3个小功率风机。电源柜的前、后柜门均设置密集的散热孔，方便柜体与外部空间热量交换。柜体最下部为整个电源柜的控制系统，散热需求很小，无需考虑。