12kV 고체 절연 링 메인 유닛의 온도 상승 연구 및 최적화
고체 절연 링 메인 유닛(RMU)은 외부 고체 포장, 절연 버스바, 그리고 컴팩트한 조합 장치 기술을 통합한 새로운 배전 설비입니다. 그 스위치와 고압 실로드 부품은 에폭시 수지에 완전히 임베디되어 있으며, 이는 실로드 부분과 지면 사이, 그리고 상 사이의 주요 절연체 역할을 합니다. SF₆ 가스 절연 장비의 환경 친화적인 대안으로 12kV 고체 절연 RMU는 여러 장점을 제공하지만 열 방출 특성이 좋지 않습니다.
이 연구된 12kV 고체 절연 RMU에서 주요 전도 루프는 에폭시와 실리콘 고무 재료로 감싸져 있습니다. 단락 스위치는 공기 절연을 사용하지만, 극히 제한적이고 밀폐된 공간 내에 위치하여 열 방출 조건이 좋지 않아 온도 상승 한계를 초과하기 쉽습니다. 장기간 고온에 노출되면 장비의 제조 재료가 변형되고 열 노화를 겪게 됩니다. 이로 인해 제품의 절연 성능이 저하되어 전체 품질과 신뢰성도 감소합니다. 심각한 경우 전기 사고를 일으켜 정상 작동을 방해할 수 있습니다.
온도 상승 문제의 중요성과 해결의 어려움을 고려하여 집중적으로 연구되었습니다. 구조 최적화를 통해 온도 상승 여유를 늘리고 제품의 장기 안정적인 작동을 보장했습니다. 고체 절연 RMU의 절연은 주로 공기와 고체 절연의 조합을 사용합니다. 초기 설계를 기반으로 한 프로토타입은 온도 상승 연구 테스트를 거쳤으며, 주요 테스트 포인트 데이터는 표 1에 표시되어 있습니다.
|
번호 |
측정 위치 |
표준 (K) |
평형 온도 (°C) |
온도 상승 (K) |
표준 여유 (K) |
비고 |
|
1 |
A-상 단락 칼날 축 |
65.0 |
86.1 |
73.0 |
-8.0 |
초과 |
|
2 |
A-상 단락 칼날 끝 |
65.0 |
78.2 |
65.1 |
-1.1 |
초과 |
|
3 |
B-상 단락 칼날 축 |
65.0 |
86.4 |
73.3 |
-8.3 |
초과 |
|
4 |
B-상 단락 칼날 끝 |
65.0 |
88.0 |
74.9 |
-9.9 |
초과 |
|
5 |
C-상 단락 칼날 축 |
65.0 |
80.6 |
67.5 |
-2.5 |
초과 |
|
6 |
C-상 단락 칼날 끝 |
65.0 |
81.6 |
68.5 |
-3.5 |
초과 |
표 1에서 보듯이 초기 설계를 기반으로 한 프로토타입의 온도 상승 테스트 결과, 단락 칼날 축과 끝 모두에서 한계를 크게 초과하였습니다. 이를 해결하기 위해 다음 두 가지 측면에 대한 최적화 작업이 이루어졌습니다:
- 자기열 결합 시뮬레이션 (ANSOFT 사용): 전도 경로의 접촉 방법, 불규칙 전도체의 형태, 전도 단면적을 최적화하여 원천적으로 줄어든 쥴 열 생성을 통해 내부 발열을 줄입니다.
- 캐비닛 수준 열 시뮬레이션 (ICEPAK 사용): 효과적인 열 방출 경로를 설정하고, 전도체 자체의 열 방출 계수를 증가시키며, 발생한 열을 효율적으로 방출합니다. 이 접근법은 열 차단과 방출을 통해 전도 루프의 온도를 낮추는 것을 목표로 합니다.
자기열 결합 시뮬레이션
적용된 전류가 1000A 미만이므로, 이 시뮬레이션은 전도 경로의 회로 저항에 의해 발생하는 쥴 열만 모델링하였습니다. 시뮬레이션된 온도 분포는 쥴 열 효과를 직접 반영하며, 복사 또는 대류를 통한 열 방출 시나리오는 포함되지 않았습니다. 이러한 결과는 전도체 구조가 온도 분포에 미치는 영향을 분석하기에 적합합니다. 주요 제품 기술 매개변수는 표 2에 나열되어 있습니다.
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번호 |
매개변수 이름 |
값 |
|
1 |
정격 전압 (kV) |
12 |
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2 |
정격 전류 (A) |
700 |
|
3 |
A-상 루프 저항 (μΩ) |
190 (가정) |
|
4 |
B-상 루프 저항 (μΩ) |
190 (가정) |
|
5 |
C-상 루프 저항 (μΩ) |
190 (가정) |
시뮬레이션 결과
그림 1은 절연 모듈의 자기열 결합 온도 분포를, 그림 2는 내부 전도 경로의 전체 자기열 결합 온도 분포를 보여줍니다. ANSOFT 소프트웨어를 사용한 자기열 결합 시뮬레이션 결과, 주요 열 발생 위치는 단락 칼날 끝과 고정 접점과의 접촉 지점이었습니다. 특히 B-상 단락 칼날은 지속적으로 높은 온도를 보였습니다. 구조 최적화를 통해 수축 저항을 줄이고 전도 단면적을 동일하게 하는 것이 필요합니다.
캐비닛 수준 열 시뮬레이션
ICEPAK 소프트웨어를 사용한 캐비닛 수준 열 시뮬레이션은 전류 흐름 후 전도 경로에서의 열 방출 형태와 분포, 그리고 캐비닛이 열 전달에 미치는 영향을 검토하였습니다.
기술 요구사항
온도 상승 표준은 GB/T 11022-2011 "고압 스위치기 및 제어장치 일반 규격"을 따릅니다. 관련 표준에 따르면:
- 터치 가능한 캐비닛의 최대 온도: 70°C (주변 온도보다 최대 30 K 상승).
- 터치 불가능한 캐비닛의 최대 온도: 80°C (주변 온도보다 최대 40 K 상승).
- 최대 전도체 온도: 115°C (주변 온도보다 최대 75 K 상승).
- 최대 접점 온도: 105°C (주변 온도보다 최대 65 K 상승).
온도 상승 테스트에서는 일반적으로 태양 복사 효과를 고려하여 정격 전류의 1.1배를 사용합니다.
소프트웨어 설정
초기 온도: 20°C; 삼상 전류 위상 각: 0°, 120°, -120°.
시뮬레이션 결과
캐비닛 수준 열 시뮬레이션 결과(그림 4)에 따르면, 밀폐된 캐비닛 상판과 절연 모듈 상부 사이의 작은 간격으로 인해 캐비닛 상부의 효과적인 열 방출 면적이 매우 제한적입니다. 따라서 열이 상부에 집중되어 방출이 어렵고, 버스바의 온도 상승이 지속적으로 높습니다. 밀폐된 캐비닛 내에서 더 많은 열 방출 공간을 제공하기 위해 캐비닛 높이를 늘리고 내부 표면에 열 방출 코팅을 적용했습니다.
구조 최적화 후 온도 상승 테스트
시뮬레이션 연구와 초기 온도 상승 테스트 결과를 바탕으로 캐비닛과 일부 구성 요소를 수정한 후 추가적인 온도 상승 테스트를 수행했습니다 (표 4 참조).
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번호 |
측정 위치 |
표준 (K) |
평형 온도 (°C) |
온도 상승 (K) |
표준 여유 (K) |
비고 |
|
1 |
A-상 단락 칼날 축 |
65.0 |
72.4 |
55.2 |
+9.8 |
적합 |
|
2 |
A-상 단락 칼날 끝 |
65.0 |
73.7 |
56.5 |
+8.5 |
적합 |
|
3 |
B-상 단락 칼날 축 |
65.0 |
73.6 |
56.4 |
+8.6 |
적합 |
|
4 |
B-상 단락 칼날 끝 |
65.0 |
73.6 |
56.4 |
+8.6 |
적합 |
|
5 |
C-상 단락 칼날 축 |
65.0 |
69.6 |
52.4 |
+12.6 |
적합 |
|
6 |
C-상 단락 칼날 끝 |
65.0 |
70.7 |
53.5 |
+11.5 |
적합 |
표 4에서 보듯이 재테스트된 프로토타입의 온도 상승 값은 이제 요구사항을 충족합니다. 또한 최소 8.5 K의 설계 여유를 달성하였습니다.
후속 최적화 및 수정
온도 상승의 중요성과 규정 준수 실패의 잠재적 결과를 고려하여, 표준을 충족한 후에도 추가적인 최적화가 필요합니다. 목표는 12 K에서 15 K 사이의 통제된 온도 상승 여유를 달성하는 것입니다. 예를 들어, 절연 모듈에 대한 특정 수정은 테스트가 필요합니다 (원래 표 5가 불완전했으므로 논리적으로 통합). 시뮬레이션 결과, 주요 절연 모듈의 구조 최적화는 더 합리적인 내부 열 방출 경로를 만들고, 전체 내부 전도 루프의 온도 상승을 더욱 줄이는 데 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 이 잠재력은 추가 실험으로 확인해야 합니다.
결론
컴퓨터 시뮬레이션 기술과 온도 상승 테스트를 결합한 설계 접근법을 통해 고체 절연 링 메인 유닛의 구조 최적화를 수행하였습니다. 최적화된 제품은 GB/T 11022-2011 "고압 스위치기 및 제어장치 일반 규격"에서 규정한 온도 상승 요구사항을 충족하며, 상당한 안전 여유를 달성하였습니다.
