12kV tõkkega ringvahetite soojenemise uurimine ja optimeerimine
Tähtisulitud isolatsiooniga ringliides (RMU) on uus distributsiooniseade, mis integreerib välise tähtisuluse, isolatsiooniga juhtri ja kompaktse kombinatsiooniseadme tehnoloogiat. Selle lülitid ja kõrgepingelised elavtöökomponendid on täielikult epioksidkiudesse sissepannad, mis toimivad peamisel isolatsioonina elav- ja maapinde vahel ning faaside vahel. Kui keskkonnasõbralik alternatiiv SF₆ gaasi isolatsiooniga seadmetele, pakub 12kV tähtisulutega RMU eeliseid, kuid sellel on sügavalt puudulik soojenemiskarakteristik.
Uuritud 12kV tähtisulutega RMUs puhul on peamised juhtrid epioksid- ja silikoongummimaterjalidesse sissepannad. Vahelepanekulülituses kasutatakse õhuisolatsiooni, kuid see asub äärmiselt piiratud, sulletud ruumis, kus soojenemine on halb. See muudab selle väga soojenemispiiride ületamise ebaolulikuks. Pikaajaline kõrgete temperatuuride tõttu võivad seadme valmistusmaterjalid muutuda ja termiliselt vananeda. See degradatsioon vähendab toote isolatsioonispetsifikatsioone, mis viib üldise tootekvaliteedi ja usaldusväärsuse languseeni. Tõsistes juhtudel võib see käivitada elektriavarii, häiritsema normaalset tööd.
Arvestades temperatuurikõikumise probleemi olulisust ja lahendamise keerukust, sai see intensiivse uurimise fookuseks. Struktuurset optimeerimist jätkati, et suurendada temperatuurikõikumise marginaali, tagades toote pikaajalist stabiilset tööd. Tähtisulutega RMU isolatsioon kasutab peamiselt õhu ja solide isolatsiooni kombinatsiooni. Algsel disainil põhineva prototüübi temperatuurikõikumise uurimiseks läbi viidi testid. Oluliste mõõtmispunktide andmed on näidatud tabelis 1.
|
No. |
Mõõtmispunkti asukoht |
Standard (K) |
Võrdlus (°C) |
Temperatuurikõikumine (K) |
Margin standardist (K) |
Märkus |
|
1 |
A-faasi vahelepanekulülituse nihkepunkt |
65.0 |
86.1 |
73.0 |
-8.0 |
Ületatud |
|
2 |
A-faasi vahelepanekulülituse tip |
65.0 |
78.2 |
65.1 |
-1.1 |
Ületatud |
|
3 |
B-faasi vahelepanekulülituse nihkepunkt |
65.0 |
86.4 |
73.3 |
-8.3 |
Ületatud |
|
4 |
B-faasi vahelepanekulülituse tip |
65.0 |
88.0 |
74.9 |
-9.9 |
Ületatud |
|
5 |
C-faasi vahelepanekulülituse nihkepunkt |
65.0 |
80.6 |
67.5 |
-2.5 |
Ületatud |
|
6 |
C-faasi vahelepanekulülituse tip |
65.0 |
81.6 |
68.5 |
-3.5 |
Ületatud |
Nagu tabelis 1 näidatud, näitas algsel disainil põhineva prototüübi temperatuurikõikumise testimine, et nii vahelepanekulülituse nihkepunktid kui ka tipud ületasid tugevalt piiride. Selle probleemi lahendamiseks keskenduti järgmistele kahele aspektile:
- Magnetsoojuse simulatsioon (ANSOFTi abil): Tehakse magnetsoojuse simulatsioon, et optimiseerida juhtmete kontaktmeetodeid, mittekorralike juhtmete kuju ja juhtmise ristlikku pindala. See vähendab sisemist soojenemist, vähendades Joule'i soojuse genereerimist allikas.
- Kabinetitaseme soojuse simulatsioon (ICEPAKi abil): Tehakse kabinetitaseme soojuse simulatsioon, et luua efektiivsed soojuse levikuteed, suurendada juhtmete endi soojuselevoolu koefitsienti ja tõhusalt levitada genereeritud soojust. See lähenemine püüab vähendada juhtlusoojenemist, blokeerides ja levitades soojust.
Magnetsoojuse simulatsioon
Kuna rakendatav vool oli vähem kui 1000A, simuleeriti ainult juhtmisvoolu vastusest tulenevat Joule'i soojendamist. Simuleeritud temperatuuri jaotus kajastab otsest Joule'i soojendamise mõju, välja arvatud radiatsiooni või konvektiooni kaudu toimuva soojuse levikut. See muudab tulemused sobivaks juhtmete struktuuri mõju analüüsiks temperatuuri jaotusele. Olulised toote tehnilised parameetrid on loetletud tabelis 2.
|
No. |
Parameetri nimi |
Väärtus |
|
1 |
Määratud pingeline (kV) |
12 |
|
2 |
Määratud vool (A) |
700 |
|
3 |
A-faasi juhtrite vastus (µΩ) |
190 (Eeldatav) |
|
4 |
B-faasi juhtrite vastus (µΩ) |
190 (Eeldatav) |
|
5 |
C-faasi juhtrite vastus (µΩ) |
190 (Eeldatav) |
Simulatsiooni tulemused
Joonis 1 näitab isolatsioonimooduli magnetsoojuse temperatuuri jaotust. Joonis 2 näitab sisenemise juhtmete üldist magnetsoojuse temperatuuri jaotust. ANSOFTi tarkvara abil tehtud magnetsoojuse simulatsioon näitas, et peamised soojuse allikad olid vahelepanekulülituste tipud ja statiliste kontaktidega kokkupuute punktid. Erityiselt B-faasi vahelepanekulülitus näitas järjepidevalt kõrgemat temperatuuri. Struktuurilisi optimeeringuid on vaja teha, et vähendada piiranguvastust ja ühtlustada juhtmise ristlikku pindala.
Kabinetitaseme soojuse simulatsioon
ICEPAKi tarkvara abil tehtud kabinetitaseme soojuse simulatsioon uuris juhtmetest pärineva soojuse levikut ja vormi, millele kabinet mõjutas soojuse edastamist.
Tehnilised nõuded
Temperatuurikõikumise standard järgib GB/T 11022-2011 "Kõrgepingeliste lüliteseadmete ja juhtimisseadmete üldstandardite." Vastavalt standarditele:
- Puutavad kabinetid maksimaalsel temperatuuril: 70°C (maks. temperatuurikõikumine 30 K ümberümbrisest).
- Mittepuutavad kabinetid maksimaalsel temperatuuril: 80°C (maks. temperatuurikõikumine 40 K ümberümbrisest).
- Maksimaalne juhttemperatuur: 115°C (maks. temperatuurikõikumine 75 K ümberümbrisest).
- Maksimaalne kontakttemperatuur: 105°C (maks. temperatuurikõikumine 65 K ümberümbrisest).
Temperatuurikõikumise testide korral kasutatakse tavaliselt 1.1 korda määratud vool, et arvestada päikese kiirguse mõju.
Tarkvara sätted
Algtemperatuur: 20°C; Kolmefaasiliste voolude faasikulmad: 0°, 120°, -120°.
Simulatsiooni tulemused
Kabinetitaseme soojuse simulatsiooni tulemused (Joonis 4) näitasid, et kinnituse kabineti ülemise plaatiga ja isolatsioonimooduli ülemise osaga vahel on väga väike vahemaa, mis piirab efektiivset soojuse levikut kabinetis. See tõstab soojuse konsentreerumist kabineti ülemises osas, mis muudab soojuselevoolu raskeks, viies jätkuvalt kõrge juhttemperatuurikõikumiseni. Et anda kinnituse kabineti sees rohkem soojuselevoolu ruumi, suurendati kabineti kõrgust ja kandvat soojuselevoolu katmust selle sisemisel pinnal.
Temperatuurikõikumise testimine struktuurilise optimeerimise järel
Simulatsiooniuuringute ja algsete temperatuurikõikumise testide tulemuste järel tehti kabinetile ja mõnedele komponentidele muudatusi. Järgnevalt läbi viidi uus temperatuurikõikumise test (vt. Tabel 4).
|
No. |
Mõõtmispunkti asukoht |
Standard (K) |
Võrdlus (°C) |
Temperatuurikõikumine (K) |
Margin standardist (K) |
Märkus |
|
1 |
A-faasi vahelepanekulülituse nihkepunkt |
65.0 |
72.4 |
55.2 |
+9.8 |
Vastav |
|
2 |
A-faasi vahelepanekulülituse tip |
65.0 |
73.7 |
56.5 |
+8.5 |
Vastav |
|
3 |
B-faasi vahelepanekulülituse nihkepunkt |
65.0 |
73.6 |
56.4 |
+8.6 |
Vastav |
|
4 |
B-faasi vahelepanekulülituse tip |
65.0 |
73.6 |
56.4 |
+8.6 |
Vastav |
|
5 |
C-faasi vahelepanekulülituse nihkepunkt |
65.0 |
69.6 |
52.4 |
+12.6 |
Vastav |
|
6 |
C-faasi vahelepanekulülituse tip |
65.0 |
70.7 |
53.5 |
+11.5 |
Vastav |
Nagu tabelis 4 näidatud, vastavad prototüübi uue testimise temperatuurikõikumine nõuetele. Lisaks on saavutatud vähemalt 8.5 K suuruseline disainimargin.
Järgnev optimeerimine ja parandamine
Arvestades temperatuurikõikumise olulisust ja mittevastavuse potentsiaalseid tagajärgi, on vaja edasist optimeerimist, et parandada prototüübi jõudlust, isegi pärast standardi täitmist. Eesmärk on saavutada kontrollitud temperatuurikõikumine 12 K ja 15 K vahel. Näiteks nõuavad isolatsioonimooduli konkreetsete muudatuste testimist (Algne tabel 5 oli ebatäielik; loogiliselt lisatud). Simulatsiooni tulemused näitavad, et peamise isolatsioonimooduli struktuuri optimeerimine loob mõistlikuma sisenemise soojuselevooluteed, mis pakub olulist potentsiaali sisenemise juhtmete temperatuurikõikumise vähendamiseks. See potentsiaal vajab edasist eksperimentaalset kinnitust.
Järeldus
Arvutisimulatsioonitehnoloogia ja temperatuurikõikumise testimise kombinatsioon võimaldas tähtisulutega ringliidese struktuurilist optimeerimist. Optimeeritud toode vastab temperatuurikõikumise nõuetele, määratud GB/T 11022-2011 "Kõrgepingeliste lüliteseadmete ja juhtimisseadmete üldstandardite" ja saavutab olulise ohutuse marginaali.
