12kV固体绝缘环网柜の温度上昇に関する研究と最適化

固体绝缘环网柜（RMU）は、外部の固体包覆、絶縁母線、およびコンパクトな組み合わせユニット技術を統合した新しい配電装置です。そのスイッチと高電圧の生体部品は完全にエポキシ樹脂に埋め込まれており、これにより帯電部分と地間、相間の主な絶縁として機能します。SF₆ガス絶縁装置の環境に優しい代替品として、12kV固体絶縁RMUは利点がありますが、熱放散特性が劣るという欠点があります。

研究された12kV固体絶縁RMUでは、主要な導電ループはエポキシとシリコーンゴム材料で覆われています。一方、分離スイッチは空気絶縁を使用していますが、非常に狭い密閉空間内に配置されており、熱放散条件が悪いため、温度上昇制限を超える可能性が高いです。長時間の高温曝露は、装置の製造材料を変形させ、熱老化を引き起こす可能性があります。この劣化により、製品の絶縁性能が低下し、全体的な製品品質と信頼性が低下します。最悪の場合、電気事故を引き起こし、正常な動作を妨げる可能性があります。

温度上昇問題の重要性と解決の難しさから、この問題は集中研究の対象となりました。構造の最適化が継続的に実施され、温度上昇マージンが増加し、製品の長期的な安定稼働が確保されました。固体絶縁RMUの絶縁は主に空気絶縁と固体絶縁の組み合わせを使用しています。初期設計に基づくプロトタイプは温度上昇研究テストを受けました。重要な測定点データは表1に示されています。

表1に示されているように、初期設計に基づくプロトタイプの温度上昇テストでは、分離ナイフの軸と先端の両方で制限値を大幅に超える結果が出ています。この問題を解決するために、以下の2つの側面に焦点を当てて最適化が行われました：

1. 磁熱連成シミュレーション（ANSOFTを使用）：導体接触方法、不規則導体の形状、導体断面積を最適化することで、内部発熱を最小化し、ジュール熱生成を源から抑制します。
2. キャビネットレベルの熱シミュレーション（ICEPAKを使用）：効果的な熱放出パスを確立し、導体自体の熱放出係数を増加させ、生成された熱を効率的に放出します。このアプローチは、熱遮断と熱放出の両方を通じて導電ループの温度を低下させる目的があります。

​磁熱連成シミュレーション​
適用電流が1000A未満であったため、このシミュレーションでは導電パスのループ抵抗によって生成されるジュール熱のみをモデル化しました。シミュレートされた温度分布は、放射や対流による熱放出を除いて、ジュール熱効果を直接反映しています。これは、導体構造が温度分布に与える影響を分析するのに適しています。主要な製品技術パラメータは表2にリストされています。

​シミュレーション結果​
図1は絶縁モジュールの磁熱連成温度分布を示しています。図2は内部導電パス全体の磁熱連成温度分布を示しています。ANSOFTソフトウェアを使用した磁熱連成シミュレーションの結果、主な発熱部位は分離ナイフの先端と固定接点との接触点でした。特にB相分離ナイフは一貫して高い温度を示しました。構造最適化が必要であり、狭窄抵抗を減らし、導体断面積を均一化することが求められます。

​キャビネットレベルの熱シミュレーション​
ICEPAKソフトウェアを使用したキャビネットレベルの熱シミュレーションでは、電流が流れることによる導電パスからの熱放出の分布と形式、およびエンクロージャーが熱伝導に与える影響を調査しました。

​技術要件​
温度上昇標準はGB/T 11022-2011「高電圧開閉器及び制御機器の共通仕様」に従います。関連標準によれば：

• 触れることができるエンクロージャーの最大温度：70°C（周囲温度より最大30 K上昇）。
• 触れないエンクロージャーの最大温度：80°C（周囲温度より最大40 K上昇）。
• 導体の最大温度：115°C（周囲温度より最大75 K上昇）。
• 接触部の最大温度：105°C（周囲温度より最大65 K上昇）。
  温度上昇テストでは通常、太陽放射の影響を考慮して、定格電流の1.1倍のテスト電流を使用します。

​ソフトウェア設定​
初期温度：20°C；三相電流の位相角：0°、120°、-120°。

​シミュレーション結果​
キャビネットレベルの熱シミュレーション結果（図4）は、密封エンクロージャーの上面と絶縁モジュールの上部との間に小さなクリアランスがあるため、キャビネット上部の有効な熱放出面積が非常に限られていることを示しています。そのため、熱が上面に集中し、放出が難しく、母線の温度上昇が持続的に高くなります。密封キャビネット内の熱放出スペースを増やすために、キャビネットの高さを上げ、内面に熱放出コーティングを施しました。

​構造最適化後の温度上昇テスト​
シミュレーション研究と初期の温度上昇テストの結果に基づいて、キャビネットと一部の部品に修正を行い、その後の温度上昇テストを行いました（表4参照）。

表4に示されているように、再テストされたプロトタイプの温度上昇値は現在、要件に適合しています。さらに、少なくとも8.5 Kの設計マージンが達成されています。

​後続の最適化と是正​
温度上昇の重要性と非適合の潜在的な影響を考えると、標準を満たした後でもさらなる最適化が必要です。目標は、12 Kから15 Kの制御された温度上昇マージンを達成することです。例えば、絶縁モジュールの特定の改良にはテストが必要です（元の表5は不完全でした；論理的に組み込まれました）。シミュレーション結果は、主要な絶縁モジュールの構造を最適化することで、より合理的な内部熱放出パスを作り出すことができ、全体的な内部導電ループの温度上昇を大幅に低減する大きな可能性があることを示しています。この可能性は、さらなる実験的検証が必要です。

​結論​
コンピューターシミュレーション技術と温度上昇テストを組み合わせた設計アプローチにより、固体絶縁環網ユニットの構造最適化が可能になりました。最適化された製品は、GB/T 11022-2011「高電圧開閉器及び制御機器の共通仕様」で規定された温度上昇要件を満たし、重要な安全マージンを達成しています。