Onderzoek en optimalisatie van temperatuurstijging in 12kV vaste geïsoleerde ringverdelingskasten

De solide geïsoleerde ringkast (RMU) is een nieuw distributieapparaat dat externe vaste omhulsels, geïsoleerde busbaren en compacte gecombineerde eenheidstechnologie integreert. De schakelaars en hoogspanningslevende onderdelen zijn volledig ingebed in epoxyhars, die fungeert als de primaire isolatie tussen levende delen en de grond, en tussen fasen. Als milieuvriendelijke alternatief voor SF₆ gasgeïsoleerde apparatuur biedt de 12kV solide geïsoleerde RMU voordelen, maar heeft inherent slechte warmteafvoereigenschappen.

In de bestudeerde 12kV solide geïsoleerde RMU zijn de hoofdconductieve lussen ingekapseld in epoxy- en siliconerubbermaterialen. Hoewel de afsluiterschakelaar gebruikmaakt van luchtisolatie, bevindt deze zich in een uiterst beperkte, afgesloten ruimte met slechte warmteafvoeromstandigheden. Dit maakt het zeer vatbaar voor het overschrijden van temperatuurstijginglimieten. Langdurige blootstelling aan hoge temperaturen kan leiden tot vervorming en thermische veroudering van de productiematerialen. Deze degradatie vermindert de isolatieprestaties van het product, wat leidt tot een daling van de algehele kwaliteit en betrouwbaarheid. In ernstige gevallen kan dit elektrische ongelukken veroorzaken, waardoor de normale werking wordt verstoord.

Gezien het cruciale belang en de inherente moeilijkheid bij het aanpakken van het temperatuurstijgingsprobleem werd hier intensief onderzoek naar gedaan. Continue structurele optimalisaties werden uitgevoerd om de marge van temperatuurstijging te vergroten, zodat de langdurige stabiele werking van het product wordt gewaarborgd. De isolatie van de solide geïsoleerde RMU maakt voornamelijk gebruik van een combinatie van lucht- en vaste isolatie. Een prototype op basis van het oorspronkelijke ontwerp onderging temperatuurstijgingsonderzoek. Belangrijke testgegevens staan weergegeven in Tabel 1.

Zoals aangegeven in Tabel 1, toonden de temperatuurstijgingstests op het prototype gebaseerd op het initiële ontwerp ernstige overtredingen van limieten aan zowel bij de afsluitmespivots als bij de punten. Om dit probleem op te lossen, richtten de optimaliseringsinspanningen zich op de volgende twee aspecten:

1. ​Magnetothermische koppelingssimulatie (met ANSOFT):​​ Voer magnetothermische koppelingssimulatie uit om de contactmethoden van geleiders, de vorm van onregelmatige geleiders en het geleidende doorsnedeoppervlak te optimaliseren. Dit vermindert interne verwarming door joulewarmteopwekking op de bron te minimaliseren.
2. ​Kabinet-niveau thermische simulatie (met ICEPAK):​​ Voer kabinet-niveau thermische simulatie uit om effectieve warmteafvoerroutes in te stellen, de warmteafvoercoëfficiënt van de geleiders zelf te verhogen en de geproduceerde warmte efficiënt af te voeren. Deze benadering streeft ernaar de temperatuur van de geleidende lussen te verlagen door een dubbele benadering van blokkeren en warmte afvoeren.

​Magnetothermische koppelingssimulatie​
Aangezien de toegepaste stroom minder dan 1000A was, modelleerde deze simulatie alleen de joulewarmte die door de lusweerstand in het geleidende pad werd opgewekt. De gesimuleerde temperatuurverdeling weerspiegelt direct de effecten van joulewarmte, met uitzondering van scenario's waarbij warmteafvoer via straling of convection plaatsvindt. Dit maakt de resultaten geschikt voor de analyse van de invloed van de geleiderstructuur op de temperatuurverdeling. Belangrijke technische parameters van het product staan vermeld in Tabel 2.

​Simulatieresultaten​
Figuur 1 toont de magnetothermische koppelings temperatuurverdeling van het isolatiemodule. Figuur 2 toont de algemene magnetothermische koppelings temperatuurverdeling van het interne geleidende pad. De magnetothermische koppelingssimulatie met behulp van ANSOFT-software toonde aan dat de primaire locaties van verhoogde warmteopwekking de punten van de afsluitmessen en de contactpunten met de vaste contacten waren. Het B-fase afsluitmes vertoonde in het bijzonder consistent hogere temperaturen. Structuur optimalisatie is vereist om de insnoeringweerstand te verminderen en het geleidende doorsnedeoppervlak te homogeniseren.

​Kabinet-niveau thermische simulatie​
Kabinet-niveau thermische simulatie met behulp van ICEPAK-software onderzocht de verdeling en vormen van warmteafvoer van de geleidende paden na stroomtoevoer, evenals de impact van de behuizing op warmtetransport.

​Technische eisen​
De temperatuurstijgnorm volgt GB/T 11022-2011 "Algemene specificaties voor hoogspanningsschakel- en controleapparatuur." Zoals bepaald door de relevante normen:

• Maximale temperatuur voor aanraakbare behuizingen: 70°C (max. temperatuurstijging 30 K boven de omgevingstemperatuur).
• Maximale temperatuur voor niet-aanraakbare behuizingen: 80°C (max. temperatuurstijging 40 K boven de omgevingstemperatuur).
• Maximale geleider temperatuur: 115°C (max. temperatuurstijging 75 K boven de omgevingstemperatuur).
• Maximale contacttemperatuur: 105°C (max. temperatuurstijging 65 K boven de omgevingstemperatuur).
  Voor temperatuurstijgingstests wordt meestal een teststroom van 1,1 keer de nominale stroom gebruikt om rekening te houden met de effecten van zonnestraling.

​Software-instellingen​
Begin temperatuur: 20°C; Driefasige stroomfasenhoeken: 0°, 120°, -120°.

​Simulatieresultaten​
De kabinet-niveau thermische simulatieresultaten (Figuur 4) toonden aan dat, vanwege de kleine afstand tussen de bovenplaat van de afgesloten behuizing en het bovenste deel van het isolatiemodule, het effectieve warmteafvoeroppervlak op het bovenste deel van de kast zeer beperkt is. Hierdoor concentreert de warmte zich bovenaan, waardoor het moeilijk is om te koelen, wat leidt tot een persistente hoge temperatuurstijging van de busbar. Om meer warmteafvoerruimte binnen de afgesloten kast te bieden, werd de kasthoogte verhoogd en werd een warmteafvoerverf aangebracht op de binnenzijden.

​Temperatuurstijgingstest na structurele optimalisatie​
Na de simulatie studies en de initiele temperatuurstijgingstestresultaten werden wijzigingen aangebracht in de kast en bepaalde componenten. Vervolgens werd een nieuwe temperatuurstijgingstest uitgevoerd (zie Tabel 4).

Zoals getoond in Tabel 4, voldoen de temperatuurstijgingswaarden van het hergeteste prototype nu aan de eisen. Bovendien is een ontwerpmarge van minimaal 8.5 K bereikt.

​Volgende optimalisatie en correctie​
Gezien het cruciale belang van de temperatuurstijging en de potentiële gevolgen van niet-compliance, is verdere optimalisatie nodig om de prestaties van het prototype te verbeteren, zelfs nadat de norm is gehaald. Het doel is om een gecontroleerde temperatuurstijgingsmarge tussen 12 K en 15 K te bereiken. Bijvoorbeeld, specifieke wijzigingen aan het isolatiemodule vereisen tests (Originele Tabel 5 was onvolledig; logisch geïncorporeerd). Simulatieresultaten suggereren dat de optimalisatie van de structuur van het hoofdisolatiemodule een meer redelijke interne warmteafvoerroute creëert, wat aanzienlijk potentieel biedt voor verdere vermindering van de algehele interne geleidende lus temperatuurstijging. Dit potentieel vereist verdere experimentele validatie.

​Conclusie​
Een gecombineerde ontwerpbenadering met behulp van computersimulatietechnologie en temperatuurstijgingstests maakte structurele optimalisatie van de solide geïsoleerde ringkast mogelijk. Het geoptimaliseerde product voldoet aan de temperatuurstijgingseisen zoals gesteld in GB/T 11022-2011 "Algemene specificaties voor hoogspanningsschakel- en controleapparatuur" en behaalt een aanzienlijke veiligheidsmarge.