מחקר והטמעה של שיפור עלייה בטמפרטורה ביחידות חוג главные IEE-Business 12kV מבודדות באופן סולידי
יחידה מרכזית מעגלית מבודדת במנועה היא ציוד הפצה חדשני שמשלב כיווץ חיצוני מוצק, אוטובוס מבודד וטכנולוגיה של יחידה משולבת קומפקטית. המפסקים והרכיבים החשמליים בעומס גבוה שלה מוטמעים לחלוטין בתרכיזת אפוקסי, שמתפקדת כמבודד העיקרי בין החלקים החשמליים לבין הקרקע ובין פאזה לפאזה. כחלופה ידידותית לסביבה לציוד מבודד בגז SF₆, יחידה מרכזית מעגלית מבודדת במנועה בעומס 12kV מציעה יתרונות אך סובלת מהכרח מאפיינים לקויים של פליטת חום.
ביחידה המרכזית המעגלית המבודדת במנועה בעומס 12kV הנחקרת, הלולאות המובילות העיקריות מוטמעות בחומרים של אפוקסי וסיליקון. בעוד שמפסק ההפרדה משתמש במבודד אוויר, הוא נמצא במקום סגור מאוד ומוגן עם תנאי פליטת חום גרועים. זה גורם לו להיות נפוץ יותר להעלאת טמפרטורה מעל הגבולות. חשיפה ממושכת לטמפרטורות גבוהות יכולה לגרום למשטחי ייצור של הציוד להתעוות ולהתהליך תרמי. התדרדרות זו מפחיתה את ביצועי המבודק של המוצר, מה שגורם לירידה באיכות והימנעות הכללית של המוצר. במקרה חמור, יכול זה לעורר תאונות חשמליות, שיכולים להפריע לפעילות הנורמלית.
בהתחשב בחשיבות הקריטית והקושי הטבוע בפתרון בעיית העליה בטמפרטורה, היא הפכה לנושא מחקר עיקרי. שיפורים מבניים הופעלו באופן מתמשך כדי להגדיל את השוליים של עלייה בטמפרטורה, תוך הבטחת פעילות יציבה לאורך זמן של המוצר. המבודק של יחידה מרכזית מעגלית מבודדת במנועה משתמש בעיקר בהילוך של מבודק אוויר ומבודק מוצק. פרוטוטיפ המבוסס על התכנון הראשוני עבר מחקר ובדיקות עלייה בטמפרטורה. נתוני נקודות מדידה מרכזיות מוצגים בטבלה 1.
|
מס' |
מיקום נקודת מדידה |
סטנדרט (K) |
טמפרטורה שווה משקל (°C) |
עלייה בטמפרטורה (K) |
הפרש מהסטנדרט (K) |
הערה |
|
1 |
ציר הסיבוב של מפסק ההפרדה של פאזה A |
65.0 |
86.1 |
73.0 |
-8.0 |
חריגה |
|
2 |
קצה מפסק ההפרדה של פאזה A |
65.0 |
78.2 |
65.1 |
-1.1 |
חריגה |
|
3 |
ציר הסיבוב של מפסק ההפרדה של פאזה B |
65.0 |
86.4 |
73.3 |
-8.3 |
חריגה |
|
4 |
קצה מפסק ההפרדה של פאזה B |
65.0 |
88.0 |
74.9 |
-9.9 |
חריגה |
|
5 |
ציר הסיבוב של מפסק ההפרדה של פאזה C |
65.0 |
80.6 |
67.5 |
-2.5 |
חריגה |
|
6 |
קצה מפסק ההפרדה של פאזה C |
65.0 |
81.6 |
68.5 |
-3.5 |
חריגה |
כפי שמוצג בטבלה 1, בדיקות עלייה בטמפרטורה על הפרוטוטיפ המבוסס על התכנון הראשוני גילו חריגות חמורות בגבולות הן בצירים של מפסק ההפרדה והן בקצה. כדי לפתור את הבעיה, המאמצים לשיפור התמקדו בשני היבטים הבאים:
- シミュレーションによる磁熱連成（ANSOFTを使用）：導体の接続方法、不規則導体の形状、および導体断面積を最適化するための磁熱連成シミュレーションを行う。これにより、発熱源であるジュール熱の発生を最小限に抑え、内部の発熱を減少させる。
- 机柜级热仿真（使用ICEPAK）：进行机柜级热仿真，建立有效的散热路径，增加导体本身的散热系数，高效地散发产生的热量。这种方法旨在通过阻挡和散发热量的双重方法降低导电回路的温度。
磁热连成仿真
由于施加的电流小于1000A，此仿真仅模拟了导电路径中回路电阻产生的焦耳热。仿真的温度分布直接反映了焦耳热效应，排除了辐射或对流散热的情况。这使得结果适合分析导体结构对温度分布的影响。主要产品技术参数列于表2。
|
序号 |
参数名称 |
数值 |
|
1 |
额定电压 (kV) |
12 |
|
2 |
额定电流 (A) |
700 |
|
3 |
A相回路电阻 (μΩ) |
190（假设值） |
|
4 |
B相回路电阻 (μΩ) |
190（假设值） |
|
5 |
C相回路电阻 (μΩ) |
190（假设值） |
仿真结果
图1显示了绝缘模块的磁热连成温度分布。图2显示了内部导电路径的整体磁热连成温度分布。使用ANSOFT软件进行的磁热连成仿真表明，主要发热位置是隔离刀开关的尖端和与静触点的接触点。特别是B相隔离刀开关，其温度始终较高。需要进行结构优化以减少收缩电阻并均匀化导体截面积。
机柜级热仿真
使用ICEPAK软件进行的机柜级热仿真研究了通电后导电路径的散热分布形式以及外壳对传热的影响。
技术要求
温升标准遵循GB/T 11022-2011《高压开关设备和控制设备标准的通用规范》。根据相关标准规定：
- 可触及外壳的最大温度：70°C（环境温度以上最大温升30 K）。
- 不可触及外壳的最大温度：80°C（环境温度以上最大温升40 K）。
- 最大导体温度：115°C（环境温度以上最大温升75 K）。
- 最大接触温度：105°C（环境温度以上最大温升65 K）。
对于温升测试，通常使用1.1倍的额定电流来考虑太阳辐射的影响。
软件设置
初始温度：20°C；三相电流相位角：0°、120°、-120°。
仿真结果
机柜级热仿真结果（图4）显示，由于密封外壳顶板与绝缘模块上部之间的间隙很小，机柜上部的有效散热面积非常有限。因此，热量集中在顶部，难以散发，导致母线温升持续较高。为了在密封机柜内提供更多的散热空间，增加了机柜高度并在其内表面涂覆了散热涂层。
结构优化后的温升测试
根据仿真研究和初始温升测试的结果，对机柜和某些部件进行了修改。随后进行了温升测试（参见表4）。
|
序号 |
测量点位置 |
标准 (K) |
平衡温度 (°C) |
温升 (K) |
距标准的余量 (K) |
备注 |
|
1 |
A相隔离刀开关轴 |
65.0 |
72.4 |
55.2 |
+9.8 |
符合 |
|
2 |
A相隔离刀开关尖端 |
65.0 |
73.7 |
56.5 |
+8.5 |
符合 |
|
3 |
B相隔离刀开关轴 |
65.0 |
73.6 |
56.4 |
+8.6 |
符合 |
|
4 |
B相隔离刀开关尖端 |
65.0 |
73.6 |
56.4 |
+8.6 |
符合 |
|
5 |
C相隔离刀开关轴 |
65.0 |
69.6 |
52.4 |
+12.6 |
符合 |
|
6 |
C相隔离刀开关尖端 |
65.0 |
70.7 |
53.5 |
+11.5 |
符合 |
如表4所示，重新测试的原型温升值现在符合要求。此外，已实现至少8.5 K的设计裕度。
后续优化和整改
鉴于温升的重要性和不符合标准的潜在后果，即使在达到标准后，进一步优化也是必要的，以提高原型性能。目标是实现12 K到15 K之间的可控温升裕度。例如，绝缘模块上的特定修改需要进行测试（原始表5不完整；逻辑上包含）。仿真结果表明，优化主绝缘模块的结构可以创建更合理的内部散热路径，具有显著的潜力进一步降低整体内部导电回路的温升。这种潜力需要进一步的实验验证。
结论
结合计算机仿真技术和温升测试的综合设计方法实现了固体绝缘环网单元的结构优化。优化后的产品符合GB/T 11022-2011《高压开关设备和控制设备标准的通用规范》中的温升要求，并实现了显著的安全裕度。
