Istraživanje i optimizacija porasta temperature u 12kV čvrsto izoliranim kružnim glavnim jedinicama

Čvrsto izolirana krmna jedinica (RMU) je inovativna distribucijska oprema koja integriše vanjsku čvrstu obliku, izolirani busbar i tehnologiju kompaktnih kombiniranih jedinica. Njene prekidače i visokonaponske podnapetne komponente potpuno su ugrađeni u epoksidnu smolu, koja služi kao glavna izolacija između podnapetnih dijelova i zemlje, te između faza. Kao ekološki prihvatljiva alternativa SF₆ gasno izoliranoj opremi, 12kV čvrsto izolirana RMU nudi prednosti, ali ima nedostatak lošeg toplinskog odbačenja.

U proučenoj 12kV čvrsto izoliranoj RMU, glavni provodni krugovi su ugrađeni u epoksidnu i silikonsku gumenicu. Iako prekidnik koristi zračnu izolaciju, nalazi se u vrlo ograničenom, zatvorenom prostoru s lošim uvjetima toplinskog odbačenja. To ga čini vrlo sklonim prevlačenju temperature. Dugotrajno izlaganje visokim temperaturama može dovesti do deformacije materijala izrade opreme i termičkog starenja. Ova degradacija smanjuje izolacijske performanse proizvoda, što dovodi do pada ukupne kvalitete i pouzdanosti proizvoda. U težim slučajevima, to može pokrenuti električne nesreće, prekinuvši normalnu operaciju.

S obzirom na ključnu važnost i prirodnju težinu rješavanja problema povećanja temperature, to postalo je fokus intenzivnog istraživanja. Strukturne optimizacije kontinuirano su implementirane kako bi se povećala granica povećanja temperature, osiguravajući dugoročnu stabilnu operaciju proizvoda. Izolacija čvrsto izolirane RMU primarno koristi kombinaciju zračne i čvrste izolacije. Prototip temeljen na početnom dizajnu podvrgnut je istraživanju povećanja temperature. Ključni podaci mjernih točaka prikazani su u Tablici 1.

Kao što pokazuje Tablica 1, testiranje povećanja temperature na prototipu temeljenom na početnom dizajnu otkrilo je ozbiljna premašenja granica na osovinama i vrhovima prekidnika. Da bi se ova problema riješio, optimizacijski napor usmjeren je na sljedeća dva aspekta:

1. Magneto-termalna simulacija (koristeći ANSOFT): Obavljanje magneto-termalne simulacije za optimizaciju metoda kontaktiranja provodnika, oblika nepravilnih provodnika i površine poprečnog presjeka provodnika. To smanjuje unutarnje zagrijavanje minimizirajući generiranje joulovog topline na izvornom mjestu.
2. Termalna simulacija na razini škraćice (koristeći ICEPAK): Provoditi termalnu simulaciju na razini škraćice kako bi se utvorile učinkovite putanje toplinskog odbačenja, povećala koeficijent toplinskog odbačenja samih provodnika i učinkovito odbacivala generirana toplina. Ovaj pristup nastoji sniziti temperaturu provodnih krugova kroz dualni pristup blokiranja i odbacivanja topline.

Magneto-termalna simulacija
Budući da je primijenjena struja bila manja od 1000A, ova simulacija modelirala je samo toplinsko zagrijavanje generirano otporom provodnih putova. Simulirana distribucija temperature direktno odražava efekte joulove topline, isključujući scenarije u kojima se toplina odbacuje radijacijom ili konvekcijom. To čini rezultate prikladnim za analizu utjecaja strukture provodnika na distribuciju temperature. Ključni tehnički parametri proizvoda navedeni su u Tablici 2.

Rezultati simulacije
Slika 1 prikazuje magneto-termalnu distribuciju temperature izolacijskog modula. Slika 2 prikazuje ukupnu magneto-termalnu distribuciju temperature unutarnjeg provodnog puta. Magneto-termalna simulacija koristeći softver ANSOFT otkrila je da su glavna mesta povećanog toplinskog generiranja vrhovi prekidnika i točke kontakta s nepokretnim kontaktima. Posebno, prekidnik faze B pokazivao je konstantno više temperature. Potrebna je strukturna optimizacija kako bi se smanjila otpornost na suženje i homogenizirala površina poprečnog presjeka provodnika.

Termalna simulacija na razini škraćice
Termalna simulacija na razini škraćice koristeći softver ICEPAK ispitivala je distribuciju i oblike toplinskog odbačenja provodnih puteva nakon strujanja, kao i utjecaj oklopne kutije na prijenos topline.

Tehnički zahtjevi
Standard povećanja temperature slijedi GB/T 11022-2011 "Opće specifikacije za standard high-voltage switchgear i kontrolnu opremu." Prema relevantnim standardima:

• Maksimalna temperatura dodirljive kutije: 70°C (maks. povećanje temperature 30 K iznad okoline).
• Maksimalna temperatura nedodirljive kutije: 80°C (maks. povećanje temperature 40 K iznad okoline).
• Maksimalna temperatura provodnika: 115°C (maks. povećanje temperature 75 K iznad okoline).
• Maksimalna temperatura kontakta: 105°C (maks. povećanje temperature 65 K iznad okoline).
  Za teste povećanja temperature obično se koristi testna struja 1.1 puta veća od nominirane struje kako bi se uzela u obzir solarne radijacijske efekte.

Postavke softvera
Početna temperatura: 20°C; Fazni kuti tri-fazne struje: 0°, 120°, -120°.

Rezultati simulacije
Rezultati termalne simulacije na razini škraćice (Slika 4) pokazali su da zbog male razmakne između gornje ploče zatvorene kutije i gornjeg dijela izolacijskog modula, učinkovita površina za toplinsko odbačenje na gornjem dijelu kutije vrlo je ograničena. Stoga se toplina koncentrira na vrhu, te je teško odbaciti, što dovodi do stalno visokog povećanja temperature busbara. Da bi se pružila veća površina za toplinsko odbačenje unutar zatvorene kutije, povećana je visina kutije i nanesena je toplinsko odbacujuća premazna sloj na njene unutarnje površine.

Test povećanja temperature nakon strukturne optimizacije
Nakon simulacijskih studija i prvih rezultata testa povećanja temperature, izvršene su promjene na kutiji i određenim komponentama. Nakon toga proveden je test povećanja temperature (vidi Tablicu 4).

Kao što pokazuje Tablica 4, vrijednosti povećanja temperature ponovno testiranog prototipa sada su u skladu s zahtjevima. Također, postignuta je minimalna margina od 8.5 K.

Nastavak optimizacije i ispravljanja
S obzirom na ključnu važnost povećanja temperature i potencijalne posljedice neusklađenosti, daljnja optimizacija je potrebna kako bi se poboljšala performansa prototipa, čak i nakon što se ispunjavaju standardi. Cilj je postići kontrolirani margine povećanja temperature između 12 K i 15 K. Na primjer, specifične promjene na izolacijskom modulu zahtijevaju testiranje (Originalna Tablica 5 bila je nekompletna; logički uključena). Rezultati simulacije sugeriraju da optimizacija strukture glavnog izolacijskog modula stvara razumnu unutarnju putanju za toplinsko odbačenje, što nudi značajan potencijal za daljnje smanjenje povećanja temperature unutarnjih provodnih krugova. Ovaj potencijal zahtijeva daljnju eksperimentalnu validaciju.

Zaključak
Kombinirani pristup dizajnu koji koristi računalnu simulacijsku tehnologiju i testiranje povećanja temperature omogućio je strukturnu optimizaciju čvrsto izolirane krmne jedinice. Optimizirani proizvod u skladu je sa standardima povećanja temperature propisanim u GB/T 11022-2011 "Opće specifikacije za standard high-voltage switchgear i kontrolnu opremu" i postiže značajnu sigurnosnu marginu.