Výzkum a optimalizace teplotního nárůstu v pevně izolovaných rozváděčích s okružní smyčkou 12 kV
Tučně izolovaná okružní jednotka (RMU) je nový distribuční zařízení, které integruje externí tučné obalování, izolovanou sběrnicí a kompaktní kombinovanou jednotku. Spínací prvky a vysokonapěťové části jsou úplně vloženy do epoxidové hmoty, která slouží jako hlavní izolace mezi živými částmi a zemí, a mezi fázemi. Jako ekologická alternativa k zařízením s izolací SF₆ nabízí 12kV tučně izolovaná RMU výhody, ale má přirozeně špatné tepelné odvádění.
V studované 12kV tučně izolované RMU jsou hlavní vodiče uzavřeny v epoxidové a silikónové gumové hmotě. Přestože odpojovací spínač používá vzduchovou izolaci, nachází se v extrémně omezeném, uzavřeném prostoru s špatnými tepelnými odvodňovacími podmínkami. To ho činí velmi náchylným k překročení limitů teplotního stoupání. Dlouhodobé vystavení vysokým teplotám může způsobit deformaci výrobních materiálů zařízení a termální stárnutí. Toto degradace snižuje izolační vlastnosti produktu, což vede ke snížení celkové kvality a spolehlivosti produktu. V těžkých případech to může vyvolat elektrické nehody, které ruší normální provoz.
S ohledem na klíčovou důležitost a inerentní obtížnost řešení problému teplotního stoupání se stal objektem intenzivního výzkumu. Strukturální optimalizace byly neustále prováděny, aby se zvýšil teplotní rozdíl, a zajistily dlouhodobou stabilní operaci produktu. Izolace tučně izolované RMU primárně využívá kombinaci vzduchové a tučné izolace. Prototyp založený na počátečním návrhu prošel výzkumným testem teplotního stoupání. Klíčová data z měření jsou uvedena v Tabulce 1.
|
Č. |
Místo měření |
Standard (K) |
Rovnovážná teplota (°C) |
Teplotní stoupání (K) |
Rozdíl od standardu (K) |
Poznámka |
|
1 |
Otočný uzel odpojovacího nože fáze A |
65.0 |
86.1 |
73.0 |
-8.0 |
Překročeno |
|
2 |
Koncový uzel odpojovacího nože fáze A |
65.0 |
78.2 |
65.1 |
-1.1 |
Překročeno |
|
3 |
Otočný uzel odpojovacího nože fáze B |
65.0 |
86.4 |
73.3 |
-8.3 |
Překročeno |
|
4 |
Koncový uzel odpojovacího nože fáze B |
65.0 |
88.0 |
74.9 |
-9.9 |
Překročeno |
|
5 |
Otočný uzel odpojovacího nože fáze C |
65.0 |
80.6 |
67.5 |
-2.5 |
Překročeno |
|
6 |
Koncový uzel odpojovacího nože fáze C |
65.0 |
81.6 |
68.5 |
-3.5 |
Překročeno |
Jak ukazuje Tabulka 1, test teplotního stoupání prototypu založeného na počátečním návrhu odhalil závažné překročení limitů jak na otočných uzlech, tak na koncích odpojovacích nožů. Pro řešení tohoto problému se optimalizační úsilí zaměřilo na následující dvě oblasti:
- Magnetotermální simulace (pomocí ANSOFT): Provádění magnetotermální simulace pro optimalizaci kontaktových metod vodičů, tvaru netypických vodičů a průřezu vodičů. Tím se snižuje vnitřní vytápění minimalizací generování joulovy tepla na zdroji.
- Tepelná simulace na úrovni skříně (pomocí ICEPAK): Provádění tepelné simulace na úrovni skříně pro vytvoření efektivních cest tepelného odvodu, zvýšení koeficientu tepelného odvodu samotných vodičů a efektivní odvod tepelné energie. Tento přístup se snaží snížit teplotu vodičových smyček kombinací blokování a odvodu tepla.
Magnetotermální simulace
Protože aplikovaný proud byl nižší než 1000A, tato simulace modelovala pouze joulovo teplo generované odporem vodičové smyčky. Simulované rozdělení teplot přímo odráží joulovo teplo, vylučuje scénáře s tepelným odvodem pomocí záření nebo konvekce. To dělá výsledky vhodnými pro analýzu vlivu struktury vodiče na rozdělení teplot. Klíčové technické parametry produktu jsou uvedeny v Tabulce 2.
|
Č. |
Název parametru |
Hodnota |
|
1 |
Nominální napětí (kV) |
12 |
|
2 |
Nominální proud (A) |
700 |
|
3 |
Odpornost smyčky fáze A (μΩ) |
190 (předpokládáno) |
|
4 |
Odpornost smyčky fáze B (μΩ) |
190 (předpokládáno) |
|
5 |
Odpornost smyčky fáze C (μΩ) |
190 (předpokládáno) |
Výsledky simulace
Obrázek 1 ukazuje magnetotermální rozdělení teplot izolačního modulu. Obrázek 2 ukazuje celkové magnetotermální rozdělení teplot vnitřních vodičových cest. Magnetotermální simulace pomocí softwaru ANSOFT odhalila, že hlavní místa výskytu zvýšeného tepla byla konci odpojovacích nožů a kontakty s pevnými kontakty. Odpojovací nůž fáze B zejména ukázal konstantně vyšší teploty. Je potřeba strukturní optimalizace, aby se snížil odpor konstrukce a homogenizoval průřez vodiče.
Tepelná simulace na úrovni skříně
Tepelná simulace na úrovni skříně pomocí softwaru ICEPAK zkoumala rozdělení a formy tepelného odvodu z vodičových cest po průtoku proudu, stejně jako vliv obalu na tepelný přenos.
Technické požadavky
Standard teplotního stoupání sleduje GB/T 11022-2011 "Společné specifikace pro vysokonapěťová spínací a kontrolní zařízení." Jak stanovují příslušné normy:
- Maximální teplota dotykacích obalů: 70°C (max. teplotní stoupání 30 K nad okolí).
- Maximální teplota nedotykacích obalů: 80°C (max. teplotní stoupání 40 K nad okolí).
- Maximální teplota vodiče: 115°C (max. teplotní stoupání 75 K nad okolí).
- Maximální teplota kontaktu: 105°C (max. teplotní stoupání 65 K nad okolí).
Pro teplotní stoupání se obvykle používá proud 1.1 krát nominální proud, aby se zohlednil vliv slunečního záření.
Nastavení softwaru
Počáteční teplota: 20°C; Fázové úhly třífázového proudu: 0°, 120°, -120°.
Výsledky simulace
Výsledky tepelné simulace na úrovni skříně (Obrázek 4) ukázaly, že kvůli malému vzdálení mezi horní deskou uzavřeného obalu a horní částí izolačního modulu je efektivní plocha tepelného odvodu na horní části skříně velmi omezená. Teplo se soustřeďuje na vrcholu, což způsobuje, že je těžko odvoditelné, což vede k trvale vysokému teplotnímu stoupání sběrnic. Pro poskytnutí více prostoru pro tepelný odvod uvnitř uzavřené skříně byla zvýšena výška skříně a na vnitřní plochy bylo aplikováno tepelně odvodňující povlak.
Test teplotního stoupání po strukturní optimalizaci
Na základě simulací a počátečních výsledků testu teplotního stoupání byly provedeny úpravy skříně a některých komponent. Následně byl proveden další test teplotního stoupání (viz Tabulka 4).
|
Č. |
Místo měření |
Standard (K) |
Rovnovážná teplota (°C) |
Teplotní stoupání (K) |
Rozdíl od standardu (K) |
Poznámka |
|
1 |
Otočný uzel odpojovacího nože fáze A |
65.0 |
72.4 |
55.2 |
+9.8 |
V souladu |
|
2 |
Koncový uzel odpojovacího nože fáze A |
65.0 |
73.7 |
56.5 |
+8.5 |
V souladu |
|
3 |
Otočný uzel odpojovacího nože fáze B |
65.0 |
73.6 |
56.4 |
+8.6 |
V souladu |
|
4 |
Koncový uzel odpojovacího nože fáze B |
65.0 |
73.6 |
56.4 |
+8.6 |
V souladu |
|
5 |
Otočný uzel odpojovacího nože fáze C |
65.0 |
69.6 |
52.4 |
+12.6 |
V souladu |
|
6 |
Koncový uzel odpojovacího nože fáze C |
65.0 |
70.7 |
53.5 |
+11.5 |
V souladu |
Jak ukazuje Tabulka 4, hodnoty teplotního stoupání retestovaného prototypu nyní splňují požadavky. Navíc byl dosažen designový rozdíl alespoň 8.5 K.
Další optimalizace a opravy
S ohledem na klíčovou důležitost teplotního stoupání a potenciální důsledky nesplnění, je dále potřeba optimalizace, aby se zlepšila výkon prototypu, i když již splňuje standard. Cílem je dosáhnout kontrolovaného teplotního stoupání mezi 12 K a 15 K. Například specifické úpravy na izolačním modulu vyžadují testování (Původní Tabulka 5 byla neúplná; logicky začleněna). Výsledky simulace naznačují, že optimalizace struktury hlavního izolačního modulu vytváří rozumnější vnitřní cesty tepelného odvodu, což nabízí významný potenciál k dalšímu snížení celkového teplotního stoupání vnitřních vodičových smyček. Tento potenciál vyžaduje další experimentální ověření.
Závěr
Kombinovaný návrh využívající počítačové simulace a testy teplotního stoupání umožnil strukturní optimalizaci tučně izolované okružní jednotky. Optimalizovaný produkt splňuje požadavky na teplotní stoupání stanovené v GB/T 11022-2011 "Společné specifikace pro vysokonapěťová spínací a kontrolní zařízení" a dosahuje významné bezpečnostní rezervy.
