تحقیق و بهینه‌سازی افزایش دما در واحد‌های حلقه اصلی عایق جامد ۱۲ کیلوولت

واحد پخش توزیع نوین به نام یکپارچه RMU (Ring Main Unit) با عایق‌بندی جامد، که تکنولوژی‌های عایق‌بندی خارجی جامد، اتوبوس عایق‌بندی شده و واحد ترکیبی فشرده را در خود جمع‌آوری می‌کند. سوئیچ‌ها و اجزای زنده برق با ولتاژ بالا به طور کامل در رزین اپوکسی قرار داده شده‌اند که به عنوان عایق اصلی بین اجزای زنده و زمین و بین فازها عمل می‌کند. به عنوان گزینه دوستانه برای محیط زیست جایگزین تجهیزات عایق‌بندی شده با SF₆، RMU عایق‌بندی جامد ۱۲kV مزایایی دارد اما مشخصاً دارای ویژگی‌های گرمایش ضعیف است.

در RMU عایق‌بندی جامد ۱۲kV مورد مطالعه، حلقه‌های هدایت کننده اصلی در مواد اپوکسی و سیلیکون قرار داده شده‌اند. در حالی که سوئیچ جداکننده از عایق‌بندی هوا استفاده می‌کند، در یک فضای بسیار محدود و مسدود با شرایط گرمایش ضعیف قرار دارد. این امر آن را بسیار آسیب‌پذیر در برابر تجاوز حد تغییر دما می‌کند. مواجهه طولانی‌مدت با دماهای بالا می‌تواند باعث تغییر شکل و پیری حرارتی مواد ساخت تجهیزات شود. این تخریب عملکرد عایق‌بندی محصول را کاهش می‌دهد و منجر به کاهش کیفیت و قابلیت اطمینان کلی محصول می‌شود. در شرایط وخیم می‌تواند حوادث الکتریکی را تحریک کند و عملکرد عادی را مختل کند.

با توجه به اهمیت بالقوه و دشواری حل مشکل تغییر دما، این موضوع مورد تمرکز مطالعات شدید قرار گرفت. بهینه‌سازی‌های ساختاری به طور مداوم انجام شد تا حاشیه تغییر دما افزایش یابد و عملکرد پایدار بلندمدت محصول تضمین شود. عایق‌بندی RMU عایق‌بندی جامد عموماً ترکیبی از عایق‌بندی هوا و جامد است. پروتوتایپی بر اساس طراحی اولیه تحت تست تحقیقاتی تغییر دما قرار گرفت. داده‌های نقطه‌های کلیدی آزمون در جدول ۱ نشان داده شده است.

همان‌طور که در جدول ۱ نشان داده شده است، آزمون تغییر دما روی پروتوتایپ بر اساس طراحی اولیه نشان داد که محدوده‌های تغییر دما در محور و نوک سوئیچ‌های جداکننده به طور جدی تجاوز شده‌اند. برای حل این مشکل، تلاش‌های بهینه‌سازی بر روی دو جنبه زیر متمرکز شد:

1. ​شبیه‌سازی جفت‌گرمایی-مغناطیسی (با استفاده از ANSOFT):​​ انجام شبیه‌سازی جفت‌گرمایی-مغناطیسی برای بهینه‌سازی روش‌های تماس هادی، شکل هادی‌های نامنظم و مساحت مقطع هادی. این کار با کاهش گرمای جولی در منبع، گرمای داخلی را کاهش می‌دهد.
2. ​شبیه‌سازی گرمایی سطح کابین (با استفاده از ICEPAK):​​ انجام شبیه‌سازی گرمایی سطح کابین برای ایجاد مسیرهای گرمایش مؤثر، افزایش ضریب گرمایش هادی‌ها و تخلیه گرمای تولید شده. این رویکرد با استفاده از دو روش مسدود کردن و تخلیه گرما، دمای حلقه‌های هادی را کاهش می‌دهد.

​شبیه‌سازی جفت‌گرمایی-مغناطیسی​
از آنجا که جریان اعمال شده کمتر از ۱۰۰۰A بود، این شبیه‌سازی فقط گرمای جولی تولید شده توسط مقاومت حلقه در مسیر هادی را مدل‌سازی کرد. توزیع دما شبیه‌سازی شده مستقیماً اثرات گرمای جولی را نشان می‌دهد و سناریوهای شامل تخلیه گرما از طریق تشعشع یا همرفت را استثناء می‌کند. این امر نتایج را برای تحلیل تأثیر ساختار هادی بر توزیع دما مناسب می‌کند. پارامترهای فنی کلیدی محصول در جدول ۲ فهرست شده است.

​نتایج شبیه‌سازی​
شکل ۱ توزیع دمای جفت‌گرمایی-مغناطیسی ماژول عایق‌بندی را نشان می‌دهد. شکل ۲ توزیع دمای جفت‌گرمایی-مغناطیسی کلی مسیر هادی داخلی را نشان می‌دهد. شبیه‌سازی جفت‌گرمایی-مغناطیسی با استفاده از نرم‌افزار ANSOFT نشان داد که محل‌های اصلی تولید گرما نوک‌های سوئیچ‌های جداکننده و نقاط تماس با تماس‌های ثابت بود. به ویژه سوئیچ جداکننده فاز B به طور مداوم دمای بالاتری داشت. بهینه‌سازی ساختاری برای کاهش مقاومت تنگی و همگن‌سازی مساحت مقطع هادی لازم است.

​شبیه‌سازی گرمایی سطح کابین​
شبیه‌سازی گرمایی سطح کابین با استفاده از نرم‌افزار ICEPAK توزیع و اشکال تخلیه گرما از مسیر هادی پس از جریان و تأثیر پوشش بر انتقال گرما را بررسی کرد.

​نیازمندی‌های فنی​
استاندارد تغییر دما مطابق با GB/T 11022-2011 "مشخصات مشترک استانداردهای تجهیزات سوئیچ و کنترل ولتاژ بالا" است. مطابق با استانداردهای مربوطه:

• دمای حداکثر برای پوشش‌های قابل لمس: ۷۰°C (حداکثر تغییر دما ۳۰ K بالاتر از دمای محیط).
• دمای حداکثر برای پوشش‌های غیرقابل لمس: ۸۰°C (حداکثر تغییر دما ۴۰ K بالاتر از دمای محیط).
• دمای حداکثر هادی: ۱۱۵°C (حداکثر تغییر دما ۷۵ K بالاتر از دمای محیط).
• دمای حداکثر تماس: ۱۰۵°C (حداکثر تغییر دما ۶۵ K بالاتر از دمای محیط).
  برای آزمون‌های تغییر دما، معمولاً جریان آزمون ۱.۱ برابر جریان اسمی برای در نظر گرفتن اثرات تابش خورشید استفاده می‌شود.

​تنظیمات نرم‌افزار​
دمای اولیه: ۲۰°C؛ زاویه‌های فاز جریان سه‌فاز: ۰°، ۱۲۰°، -۱۲۰°.

​نتایج شبیه‌سازی​
نتایج شبیه‌سازی گرمایی سطح کابین (شکل ۴) نشان داد که به دلیل فاصله کوچک بین صفحه بالایی پوشش مسدود و بخش بالایی ماژول عایق‌بندی، مساحت مؤثر تخلیه گرما در بخش بالایی کابین بسیار محدود است. بنابراین، گرما در قسمت بالا متمرکز می‌شود و تخلیه آن دشوار است، که منجر به افزایش مداوم دمای اتوبوس می‌شود. برای ایجاد فضای بیشتر برای تخلیه گرما در داخل پوشش مسدود، ارتفاع کابین افزایش یافت و پوشش تخلیه گرما به سطوح داخلی آن اعمال شد.

​آزمون تغییر دما پس از بهینه‌سازی ساختاری​
پس از مطالعات شبیه‌سازی و یافته‌های اولیه آزمون تغییر دما، تغییراتی در کابین و برخی اجزا اعمال شد. آزمون تغییر دما بعدی انجام شد (به جدول ۴ مراجعه کنید).

همان‌طور که در جدول ۴ نشان داده شده است، مقادیر تغییر دما برای پروتوتایپ مورد آزمون مجدد مطابق با نیازمندی‌ها هستند. علاوه بر این، حاشیه طراحی حداقل ۸.۵ K به دست آمده است.

​بهینه‌سازی و اصلاح بعدی​
با توجه به اهمیت بالقوه تغییر دما و پیامدهای عدم رعایت استاندارد، بهینه‌سازی بیشتر برای افزایش عملکرد پروتوتایپ حتی پس از رعایت استاندارد مورد نیاز است. هدف این است که حاشیه تغییر دما م kontroll شده بین ۱۲ K و ۱۵ K باشد. به عنوان مثال، تغییرات خاص در ماژول عایق‌بندی نیاز به تست دارد (جدول اصلی ۵ ناقص بود؛ به طور منطقی ترکیب شد). نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که بهینه‌سازی ساختار ماژول عایق‌بندی اصلی مسیر گرمایش داخلی منطقی‌تری ایجاد می‌کند که پتانسیل قابل توجهی برای کاهش بیش