Recerca i Optimització de l'Augment de Temperatura en Unitats de Mà Principal Aïllades Sòlidament a 12kV

La unitat de repartiment amb aïllament sòlid (RMU) és un nou equip de distribució que integra l'aïllament extern sòlid, la barra d' alimentació aïllada i la tecnologia de la unitat combinada compacta. Els seus commutadors i components electrífics en alta tensió estan totalment incrustats en resina epoxi, que serveix com a principal aïllament entre les parts electrificades i el terra, i entre fases. Com a alternativa ecològica als equips aïllats amb gas SF₆, la RMU aïllada sòlidament de 12kV ofereix avantatges, però també pateix d'unes característiques pobres de dissipació de calor.

En la RMU aïllada sòlidament de 12kV estudiada, els circuits conductors principals estan envoltats de materials de resina epoxi i caucho silici. Tot i que el commutador d'isolació utilitza aïllament d'aire, es troba en un espai extremadament confinat i tancat amb condicions pobres de dissipació de calor. Això el fa molt propens a superar els límits de pujada de temperatura. L'exposició prolongada a temperatures altes pot fer que els materials de fabricació dels equips es deformin i patixin una antiguitat tèrmica. Aquesta degradació reduïx el rendiment aïllant del producte, provocant una disminució de la qualitat i fiabilitat general del producte. En casos greus, pot desencadenar accidents elèctrics, interrompent l'operació normal.

Atès l'importància crítica i la dificultat inherent de solucionar el problema de la pujada de temperatura, aquest va esdevenir el focus d'intenses recerques. Es van implementar continuament optimitzacions estructurals per augmentar el marge de pujada de temperatura, assegurant l'operació estable a llarg termini del producte. L'aïllament de la RMU aïllada sòlidament utilitza principalment una combinació d'aïllament d'aire i sòlid. Un prototip basat en el disseny inicial va passar per proves de recerca de pujada de temperatura. Les dades dels punts clau de prova es mostren a la Taula 1.

Com indica la Taula 1, les proves de pujada de temperatura en el prototip basat en el disseny inicial van revelar superacions greus dels límits tant als pivots com als extrems dels cuchillos d'isolació. Per resoldre aquest problema, els esforços d'optimització es van centrar en els següents dos aspectes:

1. Simulació de Couplage Magnetotèrmic (Utilitzant ANSOFT): Realitzar simulació de couplage magnetotèrmic per optimitzar els mètodes de contacte dels conductors, la forma dels conductors irregulars i la secció transversal conductora. Això redueix el calentament intern minimitzant la generació de calor joul·liana a l'origen.
2. Simulació Tèrmica a Nivell de Caixa (Utilitzant ICEPAK): Realitzar simulació tèrmica a nivell de caixa per establir camins eficients de dissipació de calor, augmentar el coeficient de dissipació de calor dels conductors mateixos i dissipar eficientment la calor generada. Aquest enfocament busca baixar la temperatura dels circuits conductors mitjançant un doble abordatge de bloqueig i dissipació de calor.

Simulació de Couplage Magnetotèrmic
Com que la corrent aplicada era inferior a 1000A, aquesta simulació modelava únicament el calentament joule generat per la resistència del circuit conductor. La distribució de temperatura simulada reflecteix directament l'efecte del calentament joule, excluint escenaris que impliquin dissipació de calor per radiació o convecció. Això fa que els resultats siguin adequats per analitzar l'impacte de l'estructura del conductor en la distribució de temperatura. Els paràmetres tècnics clau del producte es llisten a la Taula 2.

Resultats de la Simulació
La Figura 1 mostra la distribució de temperatura de couplage magnetotèrmic del mòdul d'aïllament. La Figura 2 mostra la distribució global de temperatura de couplage magnetotèrmic del camí conductor intern. La simulació de couplage magnetotèrmic utilitzant el software ANSOFT va revelar que les principals ubicacions de generació de calor elevada eren els extrems dels cuchillos d'isolació i els punts de contacte amb els contactes fixos. Especialment, el cuchillo d'isolació de la fase B va mostrar temperatures consistentment més altes. S'ha de realitzar una optimització estructural per reduir la resistència de constricción i homogeneïtzar la secció transversal conductora.

Simulació Tèrmica a Nivell de Caixa
La simulació tèrmica a nivell de caixa utilitzant el software ICEPAK va examinar la distribució i formes de dissipació de calor dels camins conductors després de la corrent, així com l'impacte de la carcassa en la transferència de calor.

Requisits Tècnics
L'estàndard de pujada de temperatura segueix la norma GB/T 11022-2011 "Especificacions comunes per a normes d'equips de maniobra i control en alta tensió." Segons les normes rellevants:

• Temperatura màxima per a carcasses tàctils: 70°C (pujada de temperatura màxima de 30 K sobre l'ambient).
• Temperatura màxima per a carcasses no tàctils: 80°C (pujada de temperatura màxima de 40 K sobre l'ambient).
• Temperatura màxima del conductor: 115°C (pujada de temperatura màxima de 75 K sobre l'ambient).
• Temperatura màxima del contacte: 105°C (pujada de temperatura màxima de 65 K sobre l'ambient).
  Per a les proves de pujada de temperatura, normalment s'utilitza una corrent de prova de 1,1 vegades la corrent nominal per tenir en compte els efectes de la radiació solar.

Ajustaments del Programari
Temperatura Inicial: 20°C; Angles de fase de corrent tri-fàsica: 0°, 120°, -120°.

Resultats de la Simulació
Els resultats de la simulació tèrmica a nivell de caixa (Figura 4) van mostrar que, degut a l'escassa separació entre la placa superior de la carcassa tancada i la part superior del mòdul d'aïllament, l'àrea efectiva de dissipació de calor en la part superior de la carcassa és molt limitada. Conseqüentment, la calor es concentra a la part superior, fent difícil la dissipació, provocant una pujada de temperatura persistent de la barra d'alimentació. Per proporcionar més espai de dissipació de calor dins de la carcassa tancada, s'ha incrementat l'alçada de la carcassa i s'ha aplicat un revestiment dissipador de calor a les seves superfícies interiors.

Prova de Pujada de Temperatura Després de l'Optimització Estructural
Després de les investigacions de simulació i els resultats iniciaux de les proves de pujada de temperatura, s'han realitzat modificacions a la carcassa i a certs components. S'ha realitzat una prova posterior de pujada de temperatura (vegeu la Taula 4).

Com es mostra a la Taula 4, els valors de pujada de temperatura del prototip reprovat ara són conformes amb els requisits. A més, s'ha assolit un marge de disseny d'almenys 8.5 K.

Optimitzacions i Rectificacions Posteriors
Atès l'importància crítica de la pujada de temperatura i les possibles conseqüències de la no conformitat, es justifica una optimització addicional per millorar el rendiment del prototip, fins i tot després de complir l'estàndard. L'objectiu és assolir un marge de pujada de temperatura controlat entre 12 K i 15 K. Per exemple, es requereixen proves de modificacions específiques al mòdul d'aïllament (la Taula Original 5 era incompleta; incorporada lògicament). Els resultats de la simulació suggereixen que l'optimització de l'estructura del mòdul d'aïllament principal crea un camí de dissipació de calor intern més raonable, oferint un gran potencial per reduir encara més la pujada de temperatura general del circuit conductor intern. Aquest potencial requereix una validació experimental addicional.

Conclusió
Un enfocament de disseny combinat que utilitza tecnologia de simulació informàtica i proves de pujada de temperatura ha permès l'optimització estructural de la unitat de repartiment amb aïllament sòlid. El producte optimitzat compleix amb els requisits de pujada de temperatura establerts a la norma GB/T 11022-2011 "Especificacions comunes per a normes d'equips de maniobra i control en alta tensió" i assolix un marge de seguretat significatiu.