继电保护及自动化设备热设计探讨.pptx

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1、继电保护及自动化设备 热设计探讨 . 报告内容 摘 要 通过对继电保护及自动化设备过热使用危害的 分析，阐述了热设计控制的具体措施和注意事项， 同时提出应用先进的热分析软件对热设计进行验证 与优化。 关键词 继电保护及自动化设备；热设计；控制措施 内容纲要 0 引言 1 继保设备的热设计控制 2 计算机辅助热设计 3 热测试保护设计 4 结语 0 引言 热设计定义 继电保护及自动化设备的热设计，是指采取积 极有效的措施对元器件、组件以及整机的温升加以 控制，使其不超过可靠性规定的限值，从而确保 设备安全可靠地运行 。 过热使用的危害 在继保设备中，功率逸散通常以热能耗损的形 式表现出来，而任何

2、阻性载流元件都是一个内部热 源。现代继保设备正日益成为由高密度组装、微组 装所形成的高度集成系统，其热流密度日益提高， 设备工作时，如若热控制不当将会导致元器件散热 不良： 1. 电阻允许耗散功率下降，热噪声增大； 2. 电容器的电容量、功率因数变化，寿命降低； 3. 半导体器件参数漂移，性能变坏，甚至热击穿； 4. 大级别的温度梯度还会使器件和PCB产生热应力 变形并最终导致疲劳失效。 图.1 元器件工作温度与故障率的关系曲线 1 继保设备的热设计控制 1.1 热扩散的基本方式 v1）传导散热 热能通过分子运动由高温部分向低温部分传递。 措施有： a）选用导热系数大的材料制造传导零件； b）

3、加大与发热体的接触面积； c）缩短传导路径。 v2）对流散热 流体表面间的热流动，分为自然对流和强迫对 流。 措施有： a）加大温差； b）加大流体与发热体的接触面积； c）加大周围介质的流动速度。 v3）辐射散热 热由物体沿直线向外散射出去。 措施有： a）加大发热体与周围环境的温差； b）加大发热体表面面积； c）在发热体表面涂覆散热涂层。 1.2 热设计的控制措施 为控制或减少设备内部的温升，可采取以下措施： 1）热源处理； 2）热阻处理； 3）冷却处理。 热设计的控制措施 1.2.1.1 元器件降额使用和优选； 1.2.1.2 特型元器件温度补偿与控制； 1.2.1.3 合理设计印制电

4、路板； 1.2.1.4 印制板与机箱的连接方法。 1.2.1 热源处理 元器件的功耗是设备内部热量的来源之一， 对其采用的热设计方法主要有： 1.2.1.1 元器件降额使用和优选 元器件的降额使用即是使其在低于额定参数（ 功率、电压、电流）的条件下工作。另外优选用 高磁导率的坡莫合金、非晶合金制造的变压器， 超低电压下工作的CPU以及发热量小的LED或 LCD等，都将直接减少热量的产生。 1.2.1.2 特型元器件温度补偿与控制 1）选用温度不敏感的元器件； 2）选用特定温度系数的元器件； 3）选用温度敏感的元器件。 1.2.1.3 合理设计印制电路板 1）对PCB基材进行适当的选择，对覆铜层

5、压板的热 性能应有特殊的要求：要耐高温、导热好，工作温度 在-23260间。尽量选取具有相对优良热性能的 金属芯PCB，以减少其图形导线的温升。 2）印制电路板上电源线、地线、信号线的布置要合 理。地线可适当加宽，环绕在外框上，以利于发热元 件的直接散热。 3）采用多层板，使电源线或地线在电路板的最上层 或最下层，并方便在板面上加设散热装置，以加速散 热。 1.2.1.4 印制板与机箱的连接方法 必要时利用PCB上的接地线与金属导轨相接触， 增加热容和热传导途径。 1.2.2 热阻处理 热阻用来说明发热元件结面温度到外部环境的 热转换能力，用/W来表示。热阻的大小决定着散 热装置的额定值，所以

6、必须在发热元器件与温度较 低的终端散热器之间采取有效措施以形成一个低热 阻（高热导）通道。 1.2.2.1 合理布局元器件； 1.2.2.2 合理选用散热器； 1.2.2.3 合理安装散热器。 1.2.2.1 元器件的布局 1）元器件安装在最佳自然散热位置。条件允许时， 机箱内部电路安装应服从空气流动方向： 即进风口放大电路逻辑电路敏感电路 集成电路小功率电阻电路有发热元件电路 出风口； 2）高发热元件尽量单独布置在一个印制板上，控制 相互间距，并进行密封、隔离、接地和散热处理 ； 3）元器件在印制板上要竖立排放； 4）元器件散热通道要短、横截面要大而且通道中不 应有绝热或隔热物。 1.2.2

7、.2 散热器的选用 选用散热器的主要依据是电力半导体器件的内 热阻（Rjc与Rcs之和）和耗热功率，其次是器件的 最高工作结温和冷却介质温度。还要根据环境要 求、安装位置、尺寸、流阻、性价比等条件进行综 合考虑。 目前常用的散热器形式有：平板形、平行筋片 形、叉指形、星形等。其材质有紫铜和工业铝材两 种。铜散热器表面需进行电镀、涂漆或钝化，铝散 热器表面可涂漆或进行阳极氧化。自冷散热器表面 最好是黑色，借以提高辐射系数，黑色散热器比光 亮散热器可减少10%15%的热阻。 目前平行筋片散热器和叉指形散热器已经标准 化，并广泛使用。 1.2.2.3 散热器的安装 1）散热器与元器件接触的表面应平整

8、、光洁、无损 伤，安装时在其间涂敷导热材料（如硅脂、铝、 铜等）并合理施压使其紧密接触以有效传热； 2）自冷散热器叶片要垂直印制板安装，以利于热气 流向上流动，强迫风冷散热器叶片应沿冷却气流 方向； 3）对密封机箱内某些发热量大的元件，散热装置可 直接连在箱体上。 4）安装后不论螺栓型散热器还是平板型散热器都必 须对热源器件保持一定的压紧力。力太小接触不 良，接触热阻过大；力太大二者产生塑性变形， 接触面反而减小，甚至破坏结构。 1.2.3 冷却处理 冷却处理的方法有： 自然风冷、强迫风冷、强迫液冷、蒸发冷却、热 管传热、热电制冷、涡流制冷、电磁制冷等。 1.2.3.1 直接冷却方式； 1.2

9、.3.2 间接冷却方式； 1.2.3.3 其它冷却方式。 冷却方式单位传热面积最大功耗/ (wcm) 自然风冷 0.08 强迫风冷 0.3 气冷板冷却 1.6 液冷板冷却 16 沸腾冷却 5000 表1 几种冷却方式的最大功耗 1.2.3.1 直接冷却 直接冷却是元器件与冷媒直接接触，主要通过传 导及对流作用进行散热的方法。 1）自然风冷 2）强迫风冷 1）自然风冷 热源周围空气受热后温度升高，密度变小而产 生浮力向上流动散热。 自然风冷优点是不需专用风道、无噪声；缺点 是散热效率低，故仅适用于额定电流较小的器件或 简单装置中的较大电流器件。 值得提出的是当元器件间的间隙小于3 mm时， 自然

10、对流几乎停止，传导和辐射将成为主要的散热 方式。 2）强迫风冷 强迫风冷可分为抽风冷却和吹风冷却，当设备 热源均匀分布时采用抽风冷却；非均匀分布时采用 吹风冷却。或者按照空气流经发热元件的方向又可 分为横向通风冷却和纵向通风冷却。 强迫风冷是常见的直接冷却方法，与间接冷却 方法相比，有结构简单、设备量少、成本低等优点 ，多用于热流密度较高的场合，如应用于额定电流 值在50500A的设备中。 强迫风冷采用风机强迫空气流过散热器，一般 流速小于6m/s，是自冷散热效率的24倍。 图.2 风冷式风速与热阻之间的关系曲线 1.2.3.2 间接冷却 间接冷却是元器件与冷媒不直接接触，通过冷 板、换热器或

11、热管进行传热的方法。 1）冷板冷却； 2）换热器冷却； 3）热管传热 。 1）冷板冷却 A 气冷式 气冷式冷板的冷媒为空气，结构形式一般由底 板、肋片、盖板和封端组成。其优点是结构简单， 易于实现。缺点是散热能力有限，结构尺寸较大， 散热效率较液冷式冷板低得多，常用在小型电子设 备中，必要时可作为机箱的侧板使用。 B 液冷式 液冷式冷板的冷媒为液体（如水、乙醇等）， 冷板材料常为铝材或铜材，冷板的大小，流道的形 状，可根据空间大小、散热量及冷媒压力来确定。 常用于大功率器件的散热。 液冷式冷板散热效率高、热流密度大、热负载 均匀、温度梯度小、结构紧凑、重量轻。 2）换热器冷却 A 水冷式 水冷

12、换热器优点是散热效率高、噪音低；缺点 是需要水处理和冷却循环设备，且易产生结露、漏 水、电腐蚀等。水冷换热器的换热效率极高，其对 流换热系数约为空气自然换热系数的150倍以上。 一般适用于电流容量在500A以上的设备。 B 油冷式 油冷换热器优点是不易结冻、不需水处理设备 ，缺点是冷却效率较低，结构复杂，维护不便。油 冷散热器的散热效率在水冷散热器与风冷散热器之 间，冷却介质多用变压器油。 C 沸腾冷却式 沸腾冷却是将冷媒（如氟里昂）放在密闭容器 中，通过媒质的相变来进行冷却的技术。它具有很 高的散热能力，比油冷或水冷的冷却效率高若干倍 ，比风冷高十多倍，故沸腾冷却装置的体积比同容 量油冷装置

13、小得多，但系统复杂，价格昂贵。常用 于环境恶劣的户外机柜冷却系统中。 3）热管传热 热管是一种真空密封结构的空心圆管，管内填 充有烧结金属、金属毡和蒸发时传递大量热量的低 沸点液体（如甲醇）以及冷凝时将液体带回起点的 吸液芯等。 当蒸发部受热后使工作液蒸发，在微小的压力 差下蒸汽快速地向冷凝部转移，并迅速带走热量， 在冷凝部冷却而使蒸汽凝聚成液体并积累，在毛吸 力的作用下使工作液回流到蒸发部，如此循环不止 ，就自动完成了热管的导热过程。 热管传递的热量比同体积的固态金属大几百倍， 热响应快、传输距离长、受热部分和散热部分可以 隔离、构造简单、寿命长、故障率低。工作时，一 端可以连接多个发热部件

14、，另一端可连接散热器、 机壳或其它冷却器件。其热阻可达0.001/W，传 热量超过50kw。主要应用于高能量密度的部件或者 处于常温蒸浴状态的电子器件。 值得提出的是，热管本身并不能散热，还必须在 冷凝端配合散热装置才能把热量最终散发出去。 图.3 热管技术应用实例 1.2.3.3 其它冷却方式 1）热电制（致）冷； 2）涡流制冷。 1）热电制（致）冷 热电制冷又称温差电制冷。是利用热电效应（即 帕尔贴效应）的一种制冷方法。其制冷效果主要取 决于两种材料的热电势。半导体材料具有较高的热 电势，可以成功地用来做成小型热电制冷器。 用铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体连接 成一个回路，铜板和铜导

15、线只起导电的作用。此时 ，一个接点变热，另个接点变冷。如果电流方向反 转，则结点处的冷热作用互易。 图.4 基本热电偶制冷元件 热电制冷技术的制冷温度范围为-20 到常 温。由于单级热电制冷器的制冷量较小，气温差值 为50 60 。为了获得更大的制冷量和更低的 制冷温度，常将多级温差电器件串联、并联或者串 并联使用。 热电制冷器的产冷量小而电耗高，所以不宜大 规模和大制冷量使用。但由于它的灵活性强，简单 方便冷热切换容易，非常适宜于微型制冷领域。 2）涡流制冷 压缩空气通过制冷器进气口射入涡旋管产生涡 流，气流以1000000 rpm的旋转速度沿管壁旋入管 腔，至终端后小部分空气通过针型阀以热

16、空气方式 泻出，剩余的空气掉转方向继续在外部旋涡的中心 作旋风运动。同时，内部旋涡的气流交换能量给外 部旋涡的气流后变成冷气流并通过发生器中心冷气 出口泻放。据悉在使用压力为0.69MPa、入口温度 为21的压缩空气时，单只涡流管的制冷量可达 1512 kcal/h，泻放温度降低45度。 涡流制冷器没有运动部件的损耗, 涡流管将过滤 后的普通压缩空气转换成均匀分布在机柜中的冷 气。冷气流在机柜内部形成轻微的正压，防尘防 污。 图.5 涡流制冷器的典型应用 图.6 涡流制冷器商品实例 2 计算机辅助热设计 目前电子设备计算机辅助热设计（CATD）商业 软件如Flotherm、Icepak、Nat

17、a、Ansys等在工业 实践中应用广泛；国内更多的是利用计算流体动力 学（CFD）的方法来进行。 进行热分析的数学基础是有限元法、有限容积 法、有限差分法以及边界元法。工程实践中可根据 设备的几何形状，设备进出口空气速度以及内外温 差确定数值计算所需要的边界条件和初始条件；根 据已知参数来建立空气流动的数学模型；再根据该 数学模型以及设备的内部结构等建立相关的非线性 方程，编制程序并调试。 也可利用上述商业软件来进行分析计算及后处 理，将计算结果的文本文件转化为图形文件，生成 可视化的速度温度图形。 3 热测试保护设计 继保设备的热测试保护主要针对冷却系统，一 般是对风压、风速、风向和水压、流

18、量、水温进行 监控。另外，大功率装置还要对母线温度进行监 控。通常在设备内部安装风速、水压、温度继电器 以及流量计等。 需要特别提醒的是：在热测试保护的控制电路中 ，都应设置延时关断冷却装置的控制电路，以彻底 散发热源器件的余热。 4 结语 继保设备热设计是一项十分复杂的工作，有待 解决的问题很多，不仅要考虑热扩散结构件与装置 内部空间的关系，而且还要兼顾通风开孔与电磁兼 容、IP防护等级之间的矛盾。 同时由于设备微型化的趋势，更加要求我们尽 早介入并从微尺度换热的角度来考虑如何主动进行 有效的热传递，尤其是有效的热源处理及热阻处理 ，会极大地改善设备内部的热扩散条件，辅以恰当 制冷技术的合理使用定将获得理想的低温均热效 应。 谢 谢！