多物理场仿真推动智慧城市发展

研究人员使用仿真技术设计出一款创新型、模块化实用配电箱,以应对未来智慧城市的需求。


作者 Sarah Fields
2019 年 7 月

电源箱是一种用来对邻近区域内住宅的电力供应进行控制的设备,通常安装在街道中。在美国以外的国家或地区,电源箱通常被称为馈电柱,在中国常被称为配电箱。电力在城市生活中发挥着重要作用,民众对市容美观的要求越来越高,因此迫切需要将配电箱的体积变小。

为了将长距离电力线输送的高压电降低为适合家庭和企业使用的低压电,传统配电箱在设计时需要保留必要的、可降低电压的硬件设备,因此当前使用的配电箱体积庞大。减小配电箱的尺寸是一个值得追求的目标,却给电力布线带来了额外的挑战,因为既要在较小的体积内完成布线任务,又要保证电阻和洛伦兹力符合要求,实现这一任务的难度非常大。

Raychem RPG 公司研发部首席研究员 Ishant Jain 利用其多年的仿真经验,设计了一款能够满足智慧城市和有限空间需求的配电箱。在进行创新设计的过程中,Jain 和公司的研发团队借助于多物理场仿真,应对了很多工程上的挑战。

配电箱是如何工作的?

如果不是这篇文章,你可能并不会想起人行道附近那个有点突兀的金属箱。虽然很常见,但是你了解配电箱的工作原理吗?

配电箱有一层外壳,用来保护内部的配电系统。设置配电箱的目的是通过低压电源线(适合短距离电力传输)将电能分配给家庭和企业。配电箱不仅可以减少电能的物理损失,还能够根据电能的使用情况更加精准地分配电力。

“配电箱占用的空间如果能更小一些,肯定是非常有益的。” Jain 说,“我们可以创建一个包含现有配电箱所有功能的模块化单元,以适应 21 世纪城市发展的需求。”

Jain 和他的团队敏锐地意识到,传统配电箱的设计有许多方面可以改进。例如一些不合标准的连接,会导致成本偏高以及电力损失。通过升级改造可以降低成本及电能损失;此外,还可以在安全性、尺寸、安装简便性、可维护性和美观等方面做出改进。

Jain 和他的团队也在积极创造适用于智慧城市的新型配电箱。这种全新的配电箱将具有智能功能,能够在线监测电能使用,以及监控系统和各个保险丝的安全运行状况。

将电动势降到最低

要想将配电系统放进一个非常小的外壳,就需要减小配电系统的结构尺寸,但尺寸的减小会引起电磁力的增加,这对系统不利。因此,工程师面临的挑战是:如何减小电力系统的尺寸,又能保证电磁力不增加。

由于配电系统种具有的物理热性和复杂的几何形状,为了确保设计的稳定性,工程师需要借助多物理场仿真软件来实现。为了显著减小配电箱的尺寸,工程师需要创造一种尺寸小、但分配功率不变的母线板系统(图 1)。

A schematic of a busbar system for designing a modular power box. Busbar system
图 1 与传统配电箱相比,新型母线板系统占用的空间更小,但向外发送的电能保持不变。

为了确保他们的设计能够减少电磁力累积造成的影响,Jain 和他的团队创建了一个二维仿真几何模型(图 2 和图 3)。仿真结果显示,当面板以 120° 的方式排列时,可以平衡作用在母线板上的力。

An image showing simulation results for the three-phase power box design. Three-phase power box
图 2 三相配电箱的磁通密度的模值(表面图)和麦克斯韦表面应力张量(N/m2,箭头图)。
Simulation results showing the magnetic flux density of a power box in COMSOL Multiphysics. Magnetic flux density
图 3 配电箱内的磁通密度。

“仿真结果让我们相信,新设计是可行的。我们可以看出,通过 120° 的排列方式,电动势是能够达到平衡的。”Jain 解释说。

确保热和结构性能

在设计过程中,需要考虑的另一个重要因素是配电箱整体结构的稳固性。Jain 和团队对配电箱的结构进行了仿真,以评估其耐用性。他们对结构施加了高达 103 m/s 的风力,通过研究结构随时间的变化,确定配电箱的结构合理性(图 4)。工程师们还在模型中逐渐增加边界载荷,直到机构中的次生应力达到临界值。他们最终确定设计的结构可以在 570 m/s 的风速下安全运行。

A plot of the induced von Mises stress in a power box subject to wind flow. Induced von Mises stress
图 4 风速为 103 m/s 时引起的 von Mises 应力。

研究人员还对整个面板组件进行了瞬态传热分析,以确保系统在运行中可以满足热性能需求。经过验证的仿真模型可以模拟设备在一些特殊运行条件下的温升情况,而这些情况几乎无法通过实验来评估。对连接器进行优化可以得到比前代产品更加安全、高效的设计结构(图 5)。最终的设计以模块化的形式呈现,并且能够进一步扩展(图 6)。

A plot of the power box's thermal profile at 1800 s. Thermal profile at 1800 s
Transient results for the power box temperature at 18000 s. Thermal profile at 18000 s
A plot showing the temperature in the power box at 9000 s. Thermal profile at 9000 s
Simulation results showing the temperature in the power box and connectors from a transient analysis. Temperature profile in power box and connectors
An image of the mesh elements for the power box and connectors modeled with a transient analysis. Mesh elements for power box model
图 5 配电箱热分布的仿真结果(左);配电箱和连接器热分布的瞬态分析仿真结果(右)。
A photograph of the finished Raychem power box. Power box
A photograph of the power box with the parts labeled. Power box with parts labeled

图 6 Raychem RPG 公司的工程师设计了一种全新的智慧城市电源箱。

图注:Access upper door - 上部检修 门; Access door - 检修门; Air vents - 通风口; Plinth - 柱基; Roof - 顶板; Recessed door handle - 内嵌式门 把手; Moulded internal hinged Panel - 铸造内部铰链板; Output connectors 6 nos - 6 号输出连接器; Input connectors 2 nos - 2 号输入连接器

多功能建模促进设计优化

Jain 和他的团队创建的新型配电箱尺寸(图 6)要比传统的设计小得多,但仍然能够像传统电源箱一样传输相同大小的功率和电流。最终设计出的配电箱小于市场上所有配电箱,并且具有良好的热性能和传输效率。

“使用多物理场仿真,我们能够确保新型设计的结构完整性。” Jain 总结道,“随着它在世界范围内的广泛应用,其效益和影响都将是深远的。”

最终的配电箱设计还包含智能功能,如通过安全和防盗系统远程监控能量,保险丝健康状况和热量曲线监测功能。该新型配电箱中的连接器电阻损耗更低,并且由于其具有保险丝绝缘外壳,所以在系统运行时更加安全。

在设计一款体积比行业标准尺寸小几倍的配电箱过程中,Jain 和他的团队将多物理场仿真应用到设计过程的每一步,并凭借新的设计和高效的母线板系统,最终成功地改造了传统配电箱的结构。


本研究项目是在 Raychem RPG 有限公司的支持下完成的,对 Raychem 公司创新中心的 D Sudhakar Reddy 在项目期间的指导,表示衷心感谢 。感谢 Sumit Zanje,Nitin Pandey,Sanjay Mhapralkar 和 Jayesh Tandlekar 在工作中的坚持不懈和奉献精神。同时还要感谢 COMSOL 团队,他们的洞察力和专业知识为研究工作提供了极大的帮助。