Master's Thesis

Simulation and optimization of busbar heating in low-voltage switchgear

Final Thesis 7.77 MB

Author of thesis: Bc. Michal Koreň

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Jaroslava Orságová, Ph.D.

Reviewers: doc. Ing. Ilona Lázničková, Ph.D., Ing. Jiří Valenta, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis deals with issue of numerical simulation of temperature rise in a low –
voltage switchgear and its subsequent validation with an actual laboratory experiment. The
theoretical part is focused on the analysis if normative requirements for correct testing of the
given device within the relevant standard. Part of the theoretical knowledge is also a description
of the mathematical model and basic laws that define the computational processes of the
numerical simulation in the ANSYS Fluent software. The introduction of the practical part is
devoted to the experimental measurement of the contact resistance on the current path and its
calculation, which serves as an input condition for the computational model. The core of the
thesis is the realization of the numerical simulation itself, which is subsequently validated with
the measured laboratory data. The obtained maximum values are analyzed, and their percentage
deviation is calculated. The conclusion of the thesis is comprehensive evaluation and
visualization of the achieved results, based on which optimalization measures are proposed to
increase the efficiency of temperature rise reduction of the analyzed device.

Keywords:

low-voltage switchgear, temperature rise, mathematical model, numerical simulation, contact
resistance

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student seznámil zkušební komisi s výsledky své diplomové práce na téma Simulace a optimalizace oteplení přípojnic v rozváděčích nízkého napětí. S posudkem vedoucí práce seznámila komisi doc. Orságová. S posudky oponentů seznámili komisi doc. Lázničková a doktor Valenta. Student následně na otázky oponentů odpověděl. Doplňující otázku položil prof. Katovský ohledně přesnosti simulací. Student odpověděl. Dále se zeptal na nastavení parametrů simulovaného modelu Ing. Vavera. Student odpověděl.

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Electrical Power Engineering (MPC-EEN)

Composition of Committee

doc. Ing. Jaroslava Orságová, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Karel Katovský, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Jan Morávek, Ph.D. (člen)
Ing. Michal Ptáček, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Škoda, Ph.D. (člen)
Ing. Miroslav Vavera (člen)

Diplomová práce se věnuje simulaci oteplení přípojnic v numerickém modelu rozváděče nn v prostředí programu ANSYS Fluent a jejímu ověření pomocí experimentálního měření na reálném zařízení. V teoretickém úvodu práce jsou uvedeny jednak normativní požadavky pro konstrukci, provoz a zkoušení rozváděčů nn a také popis matematického modelu teplotního pole v okolí přípojnic protékaných proudem. Závěr práce shrnuje porovnání výsledků simulací a experimentálních měření.
Samotná struktura práce a obsah jednotlivých kapitol není vzhledem k zadaným cílům úplně šťastně vyřešena. Jedinou relevantní částí kapitoly 1 věnující se kontrole oteplení je jeden odstavec podkapitoly 1.3, ve které autor uvádí velmi kusé informace k provedení zkoušky oteplení, zbývající normativní požadavky nejsou relevantní k zadanému tématu. Kapitoly věnované simulaci oteplení (kap. 2, 4 a 7) na sebe nenavazují nejen pořadím v jakém jsou uvedeny, ale příliš ani svým obsahem, ve kterém lze jen velmi problematicky hledat souvislosti.  Najít propojení mezi popisem matematického modelu v kapitole 2 a modelem vytvořeným v programu ANSYS Fluent (kap. 4) a jeho výstupy – průběhy oteplení přípojnic a přípojnicových spojů – je velmi problematické.  Autor navíc nepřiložil k práci, ani zdrojový kód nebo obrázky ilustrující tvorbu a parametrizaci matematického modelu v prostředí programu ANSYS Fluent.  Výsledky simulace jsou sice validovány hodnotami oteplení měřenými na reálném zařízení, ale přesto nepůsobí věrohodně právě z výše zmíněných důvodů. Jako další důvod pak lze uvést i chyby v rovnicích (2.6), (2.14) nebo (2.17) popisující teorii modelování teplotního pole.
Také po formální stránce se autor dopustil řady chyb. Formátování textu v práci je nejednotné, číslování rovnic přesahuje okraje textu a přes to, že slovenština není můj mateřský jazyk, zaznamenala jsem v textu řadu gramatických chyb a překlepů. Některé obrázky uvedené v práci autor v textu vůbec nezmiňuje, a tak není jasné, proč tu jsou (Obrázek 8, Obrázek 10). Autor navíc nedodržuje základní pravidlo pro psaní odborných textů a důsledně uvádí titulky tabulek až pod jejich spodním okrajem. Ani tabulky nejsou důsledně zmiňovány v textu.
Přes výše uvedené připomínky, lze konstatovat, že autor zadání práce splnil a je možno ji považovat za odborný text prokazující základní znalosti autora a jeho orientaci ve zpracovávané problematice, a proto ji doporučuji k obhajobě. Points proposed by supervisor: 75

Grade proposed by supervisor: C

viz příloha Topics for thesis defence:
  1. 1. Popište veličiny ve vztahu (2.9). Jakou jednotku mají členy v rovnici vztah (2.19)?
  2. Jaké parametry, popř. okrajové podmínky se zadávají do simulačního programu ANSYS?
Points proposed by reviewer: 79

Grade proposed by reviewer: C

File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 122,87 kB

Reviewer’s report
Ing. Jiří Valenta, Ph.D.

Student Michal Koreň předložil k obhajobě diplomovou práci s názvem Simulace a optimalizace oteplení přípojnic v rozváděčích nízkého napětí. Práce je rozčleněna do osmi hlavních kapitol plus Úvodu a Závěru.
První dvě kapitoly se věnují problematice po teoretické stránce. První kapitola shrnuje hlavní požadavky skupiny norem ČSN EN IEC 61439 na oteplení rozváděčů nízkého napětí. Jsou stručně uvedeny všechny okolnosti, které ovlivňují výsledné oteplení rozváděče nebo meze oteplení – podmínky okolí (zejména teplota okolí), krytí (důležité při přirozeném proudění), a popsána zkouška oteplení včetně mezí a požadovaných průřezů zkušebních vodičů. Tato kapitola neobsahuje žádné věcné chyby a uvádí vše potřebné pro následující práci.
Po teoretické stránce je použitý matematický model popsaný v druhé kapitole. Základem jsou zákony zachování hmoty, hybnosti a energie pro řešení proudění vzduchu spolu se zjednodušenými Maxwellovými rovnicemi, pomocí kterých se řeší rozložení hustoty proudu a následně výpočet rozložení hustoty Jouleových ztrát v softwaru Ansys Fluent. Oceňuji, že zákony zachování jsou uvedeny primárně v integrálním tvaru, který je základem pro metodu konečných objemů používanou v softwaru Ansys Fluent. Zákony jsou v podstatě fyzikálně popsány správně, mám jen následující tři připomínky, které vznikly pravděpodobně nepozorností. V rovnici (2.9) má být na levé straně odpovídající extenzivní veličina, ne intenzivní. V rovnici (2.10) chybí na levé straně časová derivace. V rovnici (2.19) pak poslední člen odpovídá diferenciálnímu tvaru, ne použitému integrálnímu. 
Praktická část (a zároveň těžiště práce) je poté popsána v kapitolách 3-8. Tyto kapitoly po sobě logicky navazují z hlediska tvorby numerického modelu a jeho validace.  Nejprve je třeba experimentálně získat vstupní data pro numerický model, což je řešeno ve třetí kapitole. Jedná se primárně o hodnoty přechodového elektrického odporu. Získané hodnoty jsou poté přepočítány do tvaru používaného v softwaru Fluent. Čtvrtá kapitola se poté věnuje tvorbě numerického modelu v tomto prostředí. Správně je pozornost věnována zejména tvorbě kvalitní sítě a zadání vstupních a okrajových podmínek, které mají výrazný vliv na konvergenci výpočtu a fyzikální správnost získaných výsledků. Vytvořený numerický model je třeba validovat, což bylo v tomto případě provedeno srovnáním s reálnou zkouškou oteplení. Kapitola pátá popisuje provedení oteplovací zkoušky podle požadavku příslušných norem. Výsledkem jsou hodnoty teplot vybraných kritických částí rozváděče, zejména proudovodné dráhy. Vlastní validace vytvořeného modelu je poté provedena v šesté kapitole srovnáním dat z numerického modelu s experimentem a výpočtem symetrické relativní odchylky. Všechny podstatné výsledky validovaného modelu (rozložení teploty, ztrát, proudové hustoty, rychlosti proudění,…) jsou poté uvedeny v sedmé kapitole. Konečně osmá kapitola shrnuje dosažené výsledky a diskutuje možné směry optimalizace z hlediska oteplení rozváděče.
Závěrem lze říci, že předložená práce prokazuje schopnosti autora řešit zadaný úkol na náležité inženýrské úrovni a i přes některé výtky, zejména formálního charakteru, ji doporučuji k obhajobě a hodnotím stupněm výborně. Práce nalezne uplatnění v průmyslové praxi. Topics for thesis defence:
  1. Fluent umožňuje počítat pouze stacionární elektrické pole. Jak byste problém vyřešil, když by byl výrazný vliv povrchového elektrického jevu a jevu blízkosti na rozložení proudové hustoty v proudovodné dráze?
Points proposed by reviewer: 91

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová