继电保护设备元器件温度仿真分析与寿命评估.pdf

针对继电保护设备热设计阶段定量分析手段不足的问题，开展设备高热损元器件温度仿真分析及寿命评估。首先分析了继电保护设备的结构特征及散热机理，提出了继电保护设备机箱及板卡热仿真精细化建模方法，并基于 Icepak 软件建立了典型继电保护设备有限元仿真模型。然后通过改变继电保护设备有限元模型的仿真参数，仿真计算了不同环境温度、不同散热措施下各板卡高热损元器件工作温度，定量分析了高热损元器件温度变化情况。在此基础上，提出了基于继电保护设备温度分布特性及阿伦尼乌斯方程的高热损元器件寿命评估方法，揭示了设备运行环境温度对元器件寿命及可靠性的影响规律。得到的元器件温度特性及寿命分析结果，可为继电保护设备开展热设计及优化提供数据与理论依据。关键词：继电保护设备；元器件；有限元；温度分布；寿命评估 Temperature simulation analysis and life evaluation for components of relay protection equipment JIN Long1,ZHOU Zexin1,ZHAN Rongrong1,YANG Guosheng1,SU Yi2,XIONG Jiawei2(1.National Key Laboratory of Power Grid Safety(China Electric Power Research Institute),Beijing 100192,China;2.Beijing Sifang Jibao Engineering Technology Co.,Ltd.,Beijing 100085,China)Abstract:There is a lack of quantitative analysis methods in the thermal design stage of relay protection equipment.Thus temperature simulation analysis and life assessment of high heat loss components of the equipment are carried out.First,the structural characteristics and heat dissipation mechanism of relay protection equipment are analyzed,a refined modeling method for thermal simulation of chassis and board is proposed,and a finite element simulation model of typical relay protection equipment is established based on Icepak.Then by changing the parameters of the finite element model of the relay protection equipment,the operating temperature of the high heat loss components under different ambient temperatures and different heat dissipation measures is calculated,and the temperature change of the high heat loss components is quantitatively analyzed.From this a life assessment method of high heat loss components based on the temperature distribution characteristics of relay protection equipment and the Arrhenius equation is proposed.The influence of equipment operating environment temperature on the life and reliability of components is revealed.The temperature characteristics and life analysis results of components can provide data and a theoretical basis for thermal design and optimization of relay protection equipment.This work is supported by the National Key Research and Development Program of China(No.2021YFB2401000).Key words:relay protection equipment;components;finite element;temperature distribution;life assessment 0 引言 继电保护设备是保障电网安全稳定运行的第一道防线1-2，需实时采集模拟量、开关量等信息完成保护功能，涉及到的元器件种类及数量众多，元器 基金项目：国家重点研发计划项目资助(2021YFB2401000)件过热运行会导致其性能下降或者不稳定，进而影响继电保护设备的可靠性3-7。现阶段厂家主要凭借设计经验及后期整机高低温测试验证设备的热可靠性，在设计阶段缺乏具有针对性的定量热仿真分析手段。随着国产元器件在继电保护设备中的全面应用，设备发热问题显现，给继电保护设备的可靠运行带来隐患，迫切需要开-160-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 展继电保护设备元器件温度特性分析及寿命评估，指导设备开展热设计。目前，对于复杂电气电子设备的热仿真分析，借助于计算流体力学软件进行数值计算已成为主流11-12。文献13-15建立了电气电子设备的热仿真模型，通过改变散热结构及增加挡风板方式开展散热优化设计，建模方法相对粗糙，影响设备内部温度场分布结果的准确性；文献16-18建立了印制电路板(printed circuit board,PCB)热仿真分析模型，分别研究了 PCB 导热系数的快速计算方法以及 PCB通孔与底座的优化设计方法；文献19-21通过有限元仿真手段分析了三维封装集成电路中的硅通孔和鳍式场效应管、IGBT 器件的热应力集中问题，并开展了可靠性指标分析及结构优化设计。现有研究在进行复杂电气电子设备级热仿真分析时，重点关注机箱优化设计，忽略内部板卡精细化建模，且鲜有考虑多因素激励下的设备元器件温度特性定量分析及寿命评估方面的研究，不能很好地指导设备开展系统性优化设计。鉴于上述问题，本文基于某典型继电保护设备真型物理结构，提出了设备机箱及板卡热仿真精细化建模方法，基于 Icepak 软件建立了典型继电保护设备有限元模型，通过改变有限元模型仿真参数，仿真分析了不同环境温度、不同散热措施下高热损元器件温度变化规律；在此基础上，提出了高热损元器件寿命评估方法，揭示了设备运行环境温度对元器件寿命及可靠性的影响规律，为设备开展热设计及优化提供数据与理论依据。1 继电保护设备结构及散热机理分析 1.1 设备运行环境及结构特征 继电保护设备安装在变电站的保护小室或汇控柜内，应用场景差异大，因此需适应不同的运行环境，与温度相关的要求如表 1 所示。表 1 继电保护设备运行环境要求 Table 1 Requirements for operation environment of relay protection equipment 工作环境温度/贮存及运输温度/海拔/m 散热方式-2555-4070 3000 自然散热 继电保护设备通常包含 CPU 插件、电源插件、交流插件及操作插件等。为体现仿真对象的代表性并平衡建模难度，选取某具备典型结构特征的35 kV 继电保护设备作为研究对象，该装置包含常见的功能插件且基本涵盖继电保护设备可能用到的主要元器件类型，其结构及组成如图 1 所示。图 1 典型保护设备结构图 Fig.1 Structure diagram of the typical protection equipment 该继电保护设备包含多组 PCB 板及各种元器件，板卡安装在密闭壳体空间内，由于设备内外环境之间隔离，无传统的风扇等散热器件，对于产品的热设计要求更高，具体参数如表 2 所示。表 2 继电保护设备结构参数 Table 2 Structural parameters of relay protection equipment 名称 类型 主要散热元器件 几何参数/mm 箱体 185266233 板卡 1 CPU 板 CPU、FPGA、ADC、PHY、电源芯片 84.9116.71.6 板卡 2 电源板 MOS 管、变压器 84.9116.71.6 板卡 3 交流板 84.9116.71.6 板卡 4 操作板 电阻、继电器 84.9116.71.6 板卡 5 开出板 继电器 84.9116.71.6 板卡 6 背板 1292432.4 板卡 7 显示板 LCD 125193.51.6 1.2 设备散热机理分析 继电保护设备工作产生的热量通过腔内空气的对流换热以及热传导传递到壳体上，再通过壳体将热量散失到环境中，涉及到热对流、热传导、热辐射 3 种散热方式。1)热对流 对流换热遵循 Newton 冷却定律。保护设备属于自然对流换热，如 CPU 芯片、FPGA 芯片等与周围空气的对流换热。其计算公式为 wf()QhS TT (1)式中：Q为热流量，单位为W；h为对流换热系数，单位为W/(m)；S为面积，单位为2m；wT为表面温度，单位为；fT为冷却流体温度。2)热传导 热传导的基本定律为Fourier定律。保护设备中热量从芯片传递至基板或者封装外壳，热量通过金 龙，等 继电保护设备元器件温度仿真分析与寿命评估 -161-PCB电路板传递，热量从元器件传递至安装在其上的散热片等都属于热传导。其计算公式为 ddTQSx (2)式中：为导热系数，单位为2W/(m)；d/dT x为x方向的温度变化率，单位为/m。负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。3)热辐射 辐射换热能量主要以电磁波的形式传递，遵循Stefan-Bolzman定律，其描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律。物体与周围环境之间的净辐射传热量为 44ssurr()QS TT (3)式中：sT和surrT分别为物体和周围环境的绝对温度，单位为K；为斯特潘-玻尔兹曼常数，单位为24W/(mK)；为表面发射率，取值范围为01。2 继电保护设备热仿真建模 2.1 热仿真流程概述 继电保护设备热仿真分析是为了指导继电保护设备开展热设计，保障电子元器件在不同运行环境下都工作在合理温度范围内，避免因温度过高导致的电子元器件失效。基于大型有限元仿真软件的热分析方法可以有效减小热分析的难度，同时提供较为精确的分析结果22。Icepak软件使用Fluent作为求解器，运算精度高，且借助ANSYS平台可实现三维导入。仿真分析主要分为仿真建模、参数设置、网格划分、调用求解器求解、后处理显示等步骤。基于Icepak软件的热分析流程如图2所示。图 2 热仿真分析流程图 Fig.2 Flow chart of thermal simulation analysis 2.2 机箱及板卡建模 基于典型继电保护设备真型物理结构，建立能够进行计算求解的设备热仿真模型。装置级模型比较复杂，部件器件众多，前处理建模部分采用CAD模型导入。前处理环节将CAD模型修复为Icepak能识别的几何体，减少异形几何体。2.2.1机箱及面板建模方法 继电保护设备主要通过箱体对外散热，有必要对箱体进行精细化建模以保证仿真精度。箱体建模遵循最大化保持原散热路径原则，去除对散热无影响的部件，简化对散热无影响的特征。根据原通道设计，机箱分为外壳体、流道挡板和背板组件安装区域3部分。外壳体在Icepak中转换为壳体对象；流道挡板各开孔尺寸和规格保留实际产品中的尺寸，对开孔处不影响气体流通的弧线边进行删减和简化；背板组件安装区域保留原内部骨架，保留空气流动涡流区域，更接近设备实际，机箱及面板修复模型如图3所示。图 3 机箱及面板模型 Fig.3 Chassis and panel model 2.2.2各板卡建模方法 板卡建模方法：保留高热损元器件、保留阻碍气体流动的元器件。对功耗较小且不影响气体流动的发热器件进行删减，将功耗计入PCB板卡。零部件建模方法：发热器件和导热部件保留原始轮廓尺寸，对于阻碍气体流动的元器件修复应不影响流道，尽量修复为可转化为Icepak可识别的模型，各板卡模型如图4图7所示。-162-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 图 4 CPU 板卡模型 Fig.4 CPU board model 图 5 交流板卡模型 Fig.5 AC board model 图 6 电源板卡模型 Fig.6 Power board model 图 7 操作板卡模型 Fig.7 Operation board model 2.3 边界条件及求解参数设置 设置边界条件和求解的基本参数，包括环境温度、元器件功耗、海拔及湍流模型等。在仿真过程中还需要对热传导器件进行参数设定，其中最主要的参数就是导热率，该参数会直接影响到仿真的准确度，主要导热材料的导热参数如表3所示。表 3 主要导热材料的导热系数 Table 3 Thermal conductivity of main thermal conductive materials 名称 用途简介 材质 导热系数/(W/(mK)备注 导热硅脂MOSS 安装 填缝导热 硅脂 6 机箱壳体安装机器插件不锈钢 26 面板框架安装液晶组件压铸铝 100 插接件 内部塑料插件塑料 0.25 默认用尼龙 66散热片 MOSS 管散热6061 168 PCB是FR-4和铜箔的复合材料，导热特性在切向和法向呈现出各向异性。由于本装置涉及板件较多，且参与计算的元器件达到数百个，装配内部风道复杂计算量大；电路板整体功耗很小，300 cm2左右的整体功耗仅12 W。为提升计算效率，通过在仿真软件中设置每一层的覆铜率来等效计算，各板卡的功耗及导热率如表4所示。表 4 各板卡功耗及导热率 Table 4 Power consumption and thermal conductivity of each board 导热系数/(W/(mK)类型 层数 功耗/W 切向 法向 CPU 板 8 层 3.5 13.06 0.39 电源板 4 层 5 10.5 0.36 交流板 4 层 0.5 7.97 0.37 操作板 4 层 5.3 7.92 0.36 开出板 4 层 3.5 7.92 0.36 背板 4 层 0.5 5.43 0.35 显示板 4 层 1 8.48 0.37 2.4 网格划分 优质的网格可以保证计算流体力学结果的精度，使用非连续性网格对网格质量较差的区域进行局部加密是最常用的方法23。2.4.1机箱及面板网格划分 将机箱分为外部壳体和内部不规则风道组件两大类，采用基于六面体网格的多级网格划分方式。对于开孔较多且不规则的风道组件进行多级加密来金 龙，等 继电保护设备元器件温度仿真分析与寿命评估 -163-得到贴体的细分网格。安装背板用于插装各个插件，电路板本身不发热，插座与插件插装后形成若干个独立的风道，此处插座对计算的影响为分割风道形成风路，不涉及太复杂的计算。因此划分时采用较大网格划分，减少仿真计算量。显示组件由显示屏和驱动电路板组成，这两部分分别采用独立网格划分，显示屏结构较为复杂，为保证网格贴体且数量足够多，对网格进行了二级加密；驱动电路板较薄，法向网格设置为三层网格。网格划分如图8所示。图 8 机箱及面板网格划分图 Fig.8 Grid division diagram of chassis and panel 2.4.2板卡网格划分 CPU板、电源板、操作板等包含热源以及对风道影响的器件，在进行网格划分时，风道组件采用较粗的网格，芯片、MOS管等热源和散热相关的组件采用加密的网格，兼顾仿真的速度和精度，下面以CPU板和电源板为例展示多级网格划分效果，网格划分如图9、图10所示。2.5 仿真与试验结果对比 继电保护设备的温升试验环境与仿真结果如图11所示，将其放在图11(a)所示的高低温试验箱中，在稳定运行后即时测量板卡温度。考虑到操作板和开出板主要用于采集开关量及输出跳闸信号，其工作状态是瞬时状态；交流板、背板、显示单元板没有高功耗器件，整体功耗较低，图 9 CPU 板网格划分图 Fig.9 Grid division of CPU board 图 10 电源板网格划分图 Fig.10 Grid division of power board -164-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 图 11 继电保护设备温度分布 Fig.11 Temperature distribution of relay protection equipment 可视为将功耗分散在PCB板上，板卡整体表面积较大，无单独散热计算需求。因此，主要对比CPU板和电源板上功耗较高器件的试验及仿真温升结果，以下简称高热损元器件。由图11(b)可以看出，在24 下该设备内部温度分布不均匀，设备元器件温度分布在31.459.5 之间。由图11(c)可以看出，CPU板上温度较高的元器件主要为负责保护程序执行的核心芯片FPGA和CPU，温度分别为50.2 和49.2；电源板的MOS管、电容、变压器等关键元器件集中分布在板卡的右侧区域，存在高热损元器件分布过于密集的问题，易产生热耦合现象，导致电源板的温度分布不均匀。在环境温度为24 时的仿真与试验温升结果对比如图12所示。图 12 元器件仿真与试验温度对比图 Fig.12 Comparison diagram for component temperature of simulation and test 由图12可以看出，在相同工况下，主要散热元件的实际工作温度与仿真结果接近，高热损元器件温度误差整体控制在5%之内，仿真模型满足优化设计需求。对于误差产生的原因主要有：1)试验测量设备的误差；2)试验与仿真计算测点位置偏差；3)对元器件发热结构和发热方式的简化；4)忽略设备内部元件接触面的接触热阻等。3 设备高热损元器件温度分布特性分析 引起继电保护设备元器件温度变化的激励主要包含两个方面，一方面是来自外部的激励，比如环境温度的变化、散热方式的改变等；另一方面来自内部，比如一次系统发生短路故障引起保护动作导致设备功耗增加。以本文设备为例，经实测故障期间设备新增的发热量不足总发热量的1，新增加的功耗对设备稳态热仿真结果的影响可忽略不计。因此，本文主要仿真分析环境温度、散热方式变化对元器件温度的影响，实际上两者也是设计阶段比较关注的激励因素。3.1 不同环境温度下高热损元器件温度分布 按照相关标准的要求，继电保护设备需要在-2555 的环境温度场景下稳定可靠运行。因此需仿真模拟设备处于不同环境温度下高热损元器件的温度分布特性，并得到设备在极端工作环境温度下元器件的温度分布情况，指导装置开展热设计。通过改变有限元模型的仿真参数，得到不同运行环境温度(海拔0 m)下设备内部高热损元器件温度分布情况，仿真结果如图13所示。图 13 不同环境温度下高热损元器件温度分布图 Fig.13 Temperature distribution diagram of high heat loss components under different ambient temperatures 金 龙，等 继电保护设备元器件温度仿真分析与寿命评估 -165-由图13可以看出，当海拔保持不变时，设备各板卡中高热损元器件温度随环境温度的升高而升高，且温度分布与环境温度基本呈线性关系；该设备温度最高的元器件为CPU板上的FPGA芯片，当设备运行在高温环境45 时，其结温为80.1，极端环境温度55 情况下，结温为89.5。3.2 不同散热条件下元器件温度分布 在环境温度为50，海拔0 m的情况下，仿真得到高热损元器件的温度分布，即初始温度，此时元器件温度较高，需增加必要的散热措施，增加散热片或散热孔后设备结构如图14所示。下面仿真分析不同散热条件下元器件的温度分布特性。散热条件一：将设备的机箱材料由不锈钢改为典型材料铝合金；散热条件二：在机箱上表面增加圆形散热孔，开孔率为0.3，结构如图14(a)所示；散热条件三：在机箱上下表面增加散热孔，开孔率为0.3，结构如图14(b)所示；图 14 增加散热片或散热孔后设备结构示意图 Fig.14 Structure diagram of the equipment after adding heat sink or heat hole 散热条件四：在CPU板上温度较高的CPU和FPGA芯片上按照最大空间增加散热片，如图14(c)所示，散热片详细参数如表5所示。为定量对比分析在以上4种散热条件下元器件的温度变化情况，仿真计算了高热损元器件温度分布情况如图15所示，由图15可以看出：1)对比两种典型机箱材料下元器件温度分布特性可知，铝合金的散热效果要好于不锈钢，高热损元器件温度降幅最大为2.5%；2)对比增加散热片前后元器件温度分布情况可知，CPU和FPGA的温度降幅分别为8.5%和8.7%。增加散热片后增大了CPU板的散热空间，对其余板卡的温度分布略有影响，但数值很小；3)对比增加散热孔前后元器件温度分布情况可知，由于板卡是纵向布置，所以在上下表面同时增加散热孔更有利于气流的流动，散热效果更好，其中MOS管的降温幅度最大为5.5%。表 5 散热片尺寸参数 Table 5 Dimension parameters of heat sink mm 散热片类型尺寸 基板厚度 翅片厚度纵向翅片 353512 2 1 图 15 元器件温度分布图 Fig.15 Temperature distribution diagram of components 4 基于设备温度分布特性的高热损元器件寿命评估方法 4.1 阿伦尼乌斯方程 瑞典化学家阿伦尼乌斯在研究温度对产品内部基本粒子运动速率的影响时，发现温度会提高产品内部化学反应速率24-28，并总结为 ak0()eETMR tAt (4)式中：M为元器件的退化量，在某一温度T下，其对时间的偏微分表示反应速率；aE为反应的激活能，单位为eV；k为玻尔兹曼常数，大小8.61710-5 eV/K；0A为系数。若产品在初始时间1t和终止时间2t分别处于正常状态1M和失效状态2M，则有 a2211k0dedEMtTMtmAt (5)如果温度应力不随时间变化，则可得-166-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 a0lnlnkEMbtaATT (6)式(6)是以阿伦尼乌斯反应速率为基础的寿命与应力温度T之间的关系，可转化为 akeETtA (7)式中，A为常数。比较不同温度下的元器件寿命差别时，可计算其寿命加速衰减比FA为 testaFuseusetest11expktEAtTT (8)式中：useT为元器件可靠运行预期设计温度，低于该温度元器件寿命及可靠性不受影响；testT为元器件实际的工作温度。4.2 不同环境温度下高热损元器件寿命评估 高温会使其元器件材料的老化速率加快，从而导致产品提前失效。表6列出了各板卡高热损元器件正常工作温度范围。表 6 元器件正常工作温度范围 Table 6 Normal operating temperature range of components 板卡类型 高热损元器件 允许工作温度范围/use/TCPU 板 CPU、FPGA-40 100 80 电源板 MOS 管 变压器-55 150-40 110 120 88 操作板 电阻 继电器-40 155-40 100 124 80 开出板 继电器-40 100 80 基于式(8)计算各元器件在不同工作环境温度下的寿命退化特性。其中，aE由元器件生产厂家根据元器件加速老化试验数据提供，考虑设计裕度及设备运行可靠性，useT取该芯片正常工作温度上限值的80%，各元器件取值情况见表6；testT可由仿真数据拟合的曲线得到。对比图13和表6可知，在设备处于极限环境温度55 时，元器件FPGA、CPU和继电器温度超出了useT，为过热元器件。可以得到过热元器件寿命加速衰减比曲线如图16所示。由图16可以看出，随着设备运行环境温度的升高，FPGA芯片寿命最先受到影响，然后是继电器，最后是CPU。当运行环境温度超过44.8 时FPGA芯片率先进入寿命加速衰减区，装置的长期运行可靠性可能受到影响；当设备运行于极限环境温度55 时，长期运行寿命分别降为预期寿命的0.55、0.78和0.93。图 16 过热元器件寿命加速衰减比曲线 Fig.16 Life acceleration attenuation ratio curve of overheating components 5 结论 1)仿真与试验对比结果证明，提出的热仿真建金 龙，等 继电保护设备元器件温度仿真分析与寿命评估 -167-模方法可行且有效，高热损元器件温度对比误差总体上小于5%，设备元器件温度随环境温度升高而升高，且基本呈线性关系；2)设备机箱上下表面增加0.3开孔率的情况下，设备高热损元器件温度平均降幅为3.8%。增加散热片的方式可有效改善高温元器件的温度分布，仿真设备CPU和FPGA增加散热片后，温度降幅分别为8.5%和8.7%；3)元器件温度分布曲线结合阿伦尼乌斯方程可有效揭示环境温度对元器件寿命的影响规律。在环境温度高于44.8 时，设备的FPGA芯片率先处于寿命加速衰减区，在环境温度为55 时，其长期运行寿命降为预期寿命的一半左右。后续随着研究的深入，可仿真分析更多影响设备温度场分布的因素，并建立芯片等器件级精细化模型，分析其在热应力作用下的劣化状态，为装置优化设计及国产化元器件选型给出更多指导建议。参考文献 1 ANJAIAH K,DASH P K,SAHANI M.A new protection scheme for PV-wind based DC-ring microgrid by using modified multifractal detrended fluctuation analysisJ.Protection and Control of Modern Power Systems,2022,7(1):100-123.2 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