12kV szilárdul elhelyezett gyűrűs főválasztók hőmérséklet-emelkedésének kutatása és optimalizálása

A szilárdul izolált gyűrűalakú fővillamosító (RMU) egy új típusú elosztó berendezés, amely kívüli szilárd burkolatot, izolált buszbárát és kompakt kombinált egységet integrál. Kapcsolói és magasfeszültségű élő részei teljesen be vannak ágyazva epoxidharctartalmú anyagban, ami az élő részek és a föld, valamint a fázisok közötti elsődleges izolációt biztosítja. A szénhidrogén-izolált (SF₆) berendezések környezetbarát alternatívájaként a 12kV-os szilárdul izolált RMU előnyöket kínál, de alapvetően rossz hővezető jellemzővel bír.

A tanulmányozott 12kV-os szilárdul izolált RMU-ban a fő vezető hurok építkezése epoxid és silikon gummi anyagokban van. Bár a kapcsoló levegőbeli izolációval működik, nagyon korlátozott, zárt térben helyezkedik el, ahol a hővezetési feltételek rosszak. Ez miatt könnyen túllépi a hőemelkedési határokat. A hosszú ideig tartó magas hőmérséklet hatására a berendezés anyagai deformálódhatnak és melegedési öregedést áthatnak. Ez a romlás csökkenti a termék izolációs teljesítményét, ami a termék minőségének és megbízhatóságának romlását eredményezi. Súlyos esetekben elektromos baleseteket is okozhat, ami a normál működést megzavarhatja.

A hőemelkedés problémájának kritikus fontosságát és kezelésének nehézségét figyelembe véve intenzív kutatásokba kezdett. Folyamatos szerkezeti optimalizációkat végzettünk, hogy növeljük a hőemelkedési margót, és garantáljuk a termék hosszú távú stabil működését. A szilárdul izolált RMU izolációja főleg levegő és szilárd izoláció kombinációját használja. Az eredeti tervezés alapján készült prototípuson hőemelkedési kutatásokat végztek. A kulcsfontosságú tesztpontok adatait mutatja a Táblázat 1.

Ahogy a Táblázat 1-ből látható, a hőemelkedési tesztek során az eredeti tervezés alapján készült prototípusnál súlyosan túllépték a határokat mind a kapcsoló levelek csapásainál, mind a csúcspontoknál. A probléma megoldása érdekében a következő két aspektust hangsúlyozták:

1. ​Mágneshő-szimuláció (ANSOFT használatával):​​ Mágneshő-szimuláció végzése a vezető kontaktmódszerek, az irreguláris vezetők formájának és a vezető keretezeti terület optimalizálásához. Ezzel a lépéssel a belső hőtartományokat csökkentik, a joule-hő generálás forrásánál kezdve.
2. ​Raktári szintű hőszimuláció (ICEPAK használatával):​​ Raktári szintű hőszimuláció végzése, hogy hatékony hővezetési utakat állítsanak fel, növeljék a vezetők saját hővezetési együtthatóját, és hatékonyan diszsipálják a generált hőt. Ez a megközelítés célja, hogy a vezető hurok hőmérsékletét csökkentsék a hő blokkolásának és diszzipálásának kettős módszerével.

​Mágneshő-szimuláció​
Mivel az alkalmazott áram 1000A-nál kisebb volt, ez a szimuláció csak a vezető útvonal ellenállásából eredő joule-hőt modellezte. A szimulált hőmérséklet eloszlás közvetlenül tükrözi a joule-hő hatását, kizárva a sugárzás vagy konvekció általi hődiszzipációs eseteket. Ez a megközelítés alkalmas a vezető szerkezet hőmérséklet-eloszlásra gyakorolt hatásának elemzésére. A termék kulcsfontosságú technikai paraméterei a Táblázat 2-ben találhatók.

​Szimuláció eredményei​
Az 1. ábra a szilárd izolációs modul mágneshő-szimulációjának hőmérséklet-eloszlását mutatja. A 2. ábra pedig a belső vezető útvonal teljes mágneshő-szimulációjának hőmérséklet-eloszlását jeleníti meg. Az ANSOFT szoftverrel végzett mágneshő-szimuláció azt mutatta, hogy a legmagasabb hőtartományok a kapcsoló levelek csúcspontjain és a rögzített kapcsolók találkozási pontjain alakultak ki. Különösen a B-fázis kapcsoló levél állandóan magasabb hőmérsékletet mutatott. Szerkezeti optimalizáció szükséges, hogy csökkentsék a szűkítő ellenállást, és homogénessé tegyék a vezető keretezeti területet.

​Raktári szintű hőszimuláció​
Az ICEPAK szoftverrel végzett raktári szintű hőszimuláció vizsgálta a vezető útvonalakon az áram áramlása után a hő diszzipáció eloszlását és formáit, valamint a burkolat hatását a hőátadásra.

​Techinikai követelmények​
A hőemelkedési norma a GB/T 11022-2011 "Magasfeszültségű villamosító és ellenőrző berendezések közös specifikációi" standard szerint vonatkozik. A releváns szabályok szerint:

• Érintendő burkolatok maximális hőmérséklete: 70°C (max. hőemelkedés 30 K a környező hőmérséklettől).
• Nem érintendő burkolatok maximális hőmérséklete: 80°C (max. hőemelkedés 40 K a környező hőmérséklettől).
• Maximális vezető hőmérséklet: 115°C (max. hőemelkedés 75 K a környező hőmérséklettől).
• Maximális kapcsoló hőmérséklet: 105°C (max. hőemelkedés 65 K a környező hőmérséklettől).
  A hőemelkedési tesztekhez általában 1,1-szeres a nominális áramot használják, hogy figyelembe vegyék a napfény hatását.

​Szoftver beállítások​
Kezdeti hőmérséklet: 20°C; Háromfázisú áram fázisszögei: 0°, 120°, -120°.

​Szimuláció eredményei​
A raktári szintű hőszimuláció eredményei (4. ábra) azt mutatták, hogy a zárt burkolat teteje és a szilárd izolációs modul felső része közötti kis tereken keresztül a hő nem tud effektíven diszzipálni. Ennek eredményeképp a hő koncentráció a tetejen, ami nehézkesen diszzipál, ami a vezető hurok hőmérsékletének maradandó emelkedését okozza. A zárt burkolat belső térben további hődiszzipációs teret biztosítani, a burkolat magasságát növeltek, és hődiszzipációs réteget alkalmaztak a belső felületekre.

​Hőemelkedési teszt a szerkezeti optimalizáció után​
A szimulációk és a kezdeti hőemelkedési teszt eredményei alapján módosításokat végzettek a burkolatban és bizonyos komponenseken. Ezután új hőemelkedési tesztet végeztek (lásd a Táblázat 4-et).

Ahogy a Táblázat 4-ből látható, a hőemelkedési értékek most már megfelelnek a követelményeknek. Továbbá, legalább 8.5 K mértékű tervezési margót sikerült elérni.

​Későbbi optimalizáció és javítás​
A hőemelkedés kritikus fontosságát és a nemmegfelelőség potenciális következményeit figyelembe véve további optimalizáció szükséges, még ha a szabványoknak is megfelelnek. A cél, hogy 12 K és 15 K közötti kontrollált hőemelkedési margót érjenek el. Például, a szilárd izolációs modulon végzett specifikus módosítások tesztelését igénylik (Eredeti Táblázat 5 hiányos volt; logikusan beillesztve). A szimuláció eredményei azt sugallják, hogy a fő izolációs modul szerkezetének optimalizálása ésszerűbb belső hővezetési utakat hoz létre, ami jelentős potenciált rejt a teljes belső vezető hurok hőemelkedésének további csökkentésére. Ez a potenciál további kísérleti validációt igényel.

​Következtetés​
A számítógépes szimulációs technológia és a hőemelkedési tesztek kombinált tervezési megközelítése lehetővé tette a szilárdul izolált gyűrűalakú fővillamosító szerkezeti optimalizációját. Az optimalizált termék megfelel a GB/T 11022-2011 "Magasfeszültségű villamosító és ellenőrző berendezések közös specifikációi" standardban meghatározott hőemelkedési követelményeknek, és jelentős biztonsági margót biztosít.