Forskning og optimering af temperaturstigning i 12kV fast isolerede ringhovedenheder

Den fast isolerede ringhovedenhed (RMU) er et nyt fordelingsudstyr, der integrerer ekstern solid indkapsling, isoleret busbar og kompakt kombineret enhedsteknologi. Dens skrudd og højspændingslevede komponenter er helt indkapslet i epoxyresin, som fungerer som primær isolation mellem levede dele og jord, samt mellem faser. Som en miljøvenlig alternativ til SF₆ gasisolerede udstyr tilbyder 12kV fast isolerede RMU fordele, men lider af dårlige varmeafgivelsesevner.

I den undersøgte 12kV fast isolerede RMU er de hovedledende kredsløb indkapslet i epoxy- og silikonerubbermaterialer. Selvom afbryderen anvender luftisolation, befinder den sig i et ekstremt begrænset, tæt lukket område med dårlige varmeafgivelsesforhold. Dette gør den meget udsat for at overstige temperaturstigninger. Langvarig eksponering for høje temperaturer kan føre til, at produktets fabrikationsmaterialer deformeres og undergår termisk aldring. Denne nedbrydning reducerer produktets isolationsydeevne, hvilket fører til en nedgang i det samlede produktkvalitet og -sikkerhed. I alvorlige tilfælde kan det udløse elektriske ulykker, der forstyrrer normal drift.

Med tanke på den kritiske vigtighed og den inderlige vanskelighed ved at tackle problemet med temperaturstigning blev det fokus for intens forskning. Strukturelle optimeringer blev konstant implementeret for at øge margenen for temperaturstigning og sikre produktets langsigtede stabil drift. Isoleringen af den fast isolerede RMU anvender primært en kombination af luft- og solid isolering. En prototype baseret på den oprindelige design blev testet for temperaturstigning. Nøglepunktsdata vises i tabel 1.

Som angivet i tabel 1, viste temperaturstigningstest på prototypen baseret på den oprindelige design alvorlige overskridelser af grænser både ved afbryderknivakser og spidser. For at løse dette problem fokuserede optimeringsbevægelsen på følgende to aspekter:

1. ​Magnetisk-varmestyringssimulering (Brug af ANSOFT):​​ Udfør magnetisk-varmestyringssimulering for at optimere ledningskontaktmetoder, formen af uregelmæssige ledninger og ledbare tværsnit. Dette reducerer intern opvarmning ved at minimere jouleskabte varmelag ved kilde.
2. ​Kabinetniveau varmesimulering (Brug af ICEPAK):​​ Udfør kabinetniveau varmesimulering for at etablere effektive varmeafgivelsesveje, øge ledingernes egen varmeafgivelsesfaktor og effektivt afgive den genererede varme. Dette tilgang forsøger at sænke ledefasernes temperatur gennem en dobbelttilgang af blokering og afgivelse af varme.

​Magnetisk-varmestyringssimulering​
Da anvendt strøm var mindre end 1000A, modelerede denne simulering kun joulevarmen, der genereres af kredsløbsmodstanden i ledefasen. Simulerede temperaturfordeling direkte afspejler joulevarmeffekter, udelader scenarier, der involverer varmeafgivelse gennem stråling eller konvektion. Dette gør resultaterne egnet til at analysere virkningen af lederstruktur på temperaturfordeling. Vigtige produkttekniske parametre er angivet i tabel 2.

​Simuleringsresultater​
Figur 1 viser magnetisk-varmestyringstemperaturens fordeling i isolationsmodulen. Figur 2 viser den samlede magnetisk-varmestyringstemperaturens fordeling i den interne ledefase. Magnetisk-varmestyringssimulering ved hjælp af ANSOFT-software afslørede, at de primære steder for øget varmegenerering var spidserne på afbryderkniverne og kontaktstederne med faste kontakter. B-fase afbryderkniv, især, viste konsekvent højere temperaturer. Strukturel optimering er nødvendig for at reducere konstriktionsmodstand og homogenisere det ledebare tværsnit.

​Kabinetniveau varmesimulering​
Kabinetniveau varmesimulering ved hjælp af ICEPAK-software undersøgte fordelingen og formerne for varmeafgivelse fra ledefaser efter strømflod, samt indvirkningen af omslutningen på varmeoverførsel.

​Tekniske krav​
Temperaturstigningsstandard følger GB/T 11022-2011 "Fælles specifikationer for højspændingsbrydere og styrelsesapparaters standarder." Som angivet i de relevante standarder:

• Maksimal temperatur for berørbare omslutninger: 70°C (maks. temperaturstigning 30 K over omgivelser).
• Maksimal temperatur for ikke-berørbare omslutninger: 80°C (maks. temperaturstigning 40 K over omgivelser).
• Maksimal leder temperatur: 115°C (maks. temperaturstigning 75 K over omgivelser).
• Maksimal kontakt temperatur: 105°C (maks. temperaturstigning 65 K over omgivelser).
  For temperaturstigningstests anvendes typisk en teststrøm på 1.1 gange nominel strøm for at tage højde for solstrålingseffekter.

​Softwareindstillinger​
Starttemperatur: 20°C; Tre-fase strømfasevinkler: 0°, 120°, -120°.

​Simuleringsresultater​
Kabinetniveau varmesimulering resultater (figur 4) viste, at pga. den lille klaring mellem toppladen af den tæt lukkede omslutning og øverste del af isolationsmodulen, er den effektive varmeafgivelsesareal på øverste del af kabinetet meget begrænset. Derfor koncentrerer varmen sig øverst, hvilket gør det svært at afgive, hvilket fører til vedvarende høj busbar temperaturstigning. For at give mere varmeafgivelsesrum inden for den tæt lukkede omslutning, blev kabinetets højde forøget, og en varmeafgivende belægning blev anvendt på dets indersider.

​Temperaturstigningstest efter strukturel optimering​
Efter simuleringsstudier og tidligere temperaturstigningstestresultater blev ændringer foretaget på kabinetet og visse komponenter. En efterfølgende temperaturstigningstest blev udført (henvis til tabel 4).

Som vist i tabel 4, er temperaturstigningsværdierne for genprøvede prototyp nu i overensstemmelse med kravene. Desuden er en designmargin på mindst 8.5 K opnået.

​Fortsat optimering og rettelser​
Med tanke på den kritiske vigtighed af temperaturstigning og de potentielle konsekvenser af ikke-overholdelse, er yderligere optimering relevant for at forbedre prototypens ydeevne, selv efter at have opfyldt standarden. Målet er at opnå en kontrolleret temperaturstigningsmargin mellem 12 K og 15 K. For eksempel kræver specifikke ændringer på isolationsmodulen testing (Original Tabel 5 var ufuldstændig; logisk integreret). Simuleringsresultater antyder, at optimering af hovedisolationsmodulens struktur skaber en mere fornuftig intern varmeafgivelsesvej, der har betydeligt potentiale for yderligere at reducere den samlede interne ledefases temperaturstigning. Dette potentiale kræver yderligere eksperimentel validering.

​Konklusion​
En kombineret designmetode, der bruger computersimulerings teknologi og temperaturstigningstest, gjorde det muligt at optimere strukturen af den fast isolerede ringhovedenhed. Det optimale produkt overholder temperaturstigningskravene i GB/T 11022-2011 "Fælles specifikationer for højspændingsbrydere og styrelsesapparaters standarder" og opnår en betydelig sikkerhedsmargin.