Forskning og Optimalisering av Temperaturstigning i 12kV Fastisolerte Ringhovedenheter

Den fast isolerte ringhovedenheten (RMU) er et nyttig distribusjonsutstyr som integrerer ekstern fast kapsling, isolert busbar og kompakt kombinert enhetsteknologi. Dets brytere og høyspenningslevende deler er fullstendig inbeddet i epoksyresin, som fungerer som primær isolasjon mellom levende deler og jord, samt mellom faser. Som en miljøvennlig alternativ til SF₆-gasisolerte utstyr, tilbyr 12kV fast isolerte RMU fordele, men har naturligvis dårlige varmeavledningskjennetegn.

I den studerte 12kV fast isolerte RMU er de viktigste leddene innkapslet i epoksy- og silikonkautsjuk. Mens avkoplingsbryteren bruker luftisolering, ligger den i et svært begrenset, tett rom med dårlige varmeavledningsforhold. Dette gjør den særdeles utsatt for å overskride temperaturstigningsgrenser. Langvarig eksponering for høye temperaturer kan føre til at utstyrets produktionsmaterialer deformeres og undergår termisk aldring. Denne nedbrytningen reduserer produktets isolasjonsytelse, noe som fører til en nedgang i den generelle produktkvaliteten og påliteligheten. I alvorlige tilfeller kan det utløse elektriske ulykker, som forstyrrer normal drift.

Gitt den kritiske betydningen og den inneværende vanskeligheten med å håndtere problemet med temperaturstigning, ble det fokusert intensivt på forskning. Strukturelle optimaliseringer ble kontinuerlig implementert for å øke margen for temperaturstigning, og sikre produktets langvarige stabil drift. Isolasjonen av den fast isolerte RMU bruker hovedsakelig en kombinasjon av luft- og fast isolasjon. En prototyp basert på den opprinnelige designen gikk gjennom temperaturstigningsforskningstesting. Nøkkelpunktsdata vises i tabell 1.

Som vist i tabell 1, avslørte temperaturstigningstesting av prototypen basert på det opprinnelige designet alvorlige overskridelser av grenser både ved avkopplingsknivens hjelmer og spisser. For å løse dette problemet fokuserede optimaliseringsinnsatsene på følgende to aspekter:

1. ​Magnetotermisk koblingssimulering (med ANSOFT):​​ Utfør magnetotermisk koblingssimulering for å optimalisere lederekontaktmåter, formen på uregelmessige ledere og ledende tverrsnittareal. Dette reduserer intern varmeproduksjon ved å minimere joulevarmeprodusering ved kilde.
2. ​Kabinettnivå termisk simulering (med ICEPAK):​​ Gjennomfør kabinettnivå termisk simulering for å etablere effektive varmeavledningsbaner, øke varmeavledningskoeffisienten for lederne selv, og effektivt avlede den genererte varmen. Dette tilnærmingen forsøker å senke temperaturen på ledende løkker gjennom en dobbelttilnærming ved å blokkere og avlede varme.

​Magnetotermisk koblingssimulering​
Ettersom anvendt strøm var mindre enn 1000A, modellerte denne simuleringen kun joulevarmeproduseringen generert av løkke motstand i ledende banen. Den simulerede temperaturfordelingen reflekterer direkte joulevarmeeffekter, uten å inkludere scenarioer som involverer varmeavledning gjennom stråling eller konveksjon. Dette gjør resultatene egnet for å analysere effekten av lederstrukturen på temperaturfordelingen. Viktige produkttekniske parametre er oppført i tabell 2.

​Simuleringsresultater​
Figur 1 viser magnetotermisk koblingstemperaturfordelingen av isoleringsmodulen. Figur 2 viser den totale magnetotermiske koblingstemperaturfordelingen av den interne ledende banen. Magnetotermisk koblingssimulering ved hjelp av ANSOFT-programvaren avdekket at de primære stedene for økt varmeprodusering var spissene på avkoplingskniver og kontakt punkter med statiske kontakter. Spesielt B-fase avkoplingskniven viste konsekvent høyere temperaturer. Strukturell optimalisering er nødvendig for å redusere belastningsmotstand og homogenisere ledende tverrsnittareal.

​Kabinettnivå termisk simulering​
Kabinettnivå termisk simulering ved hjelp av ICEPAK-programvaren undersøkte fordelingen og former for varmeavledning fra ledende baner etter strømflyt, samt innvirkningen av kabinetten på varmetransfer.

​Tekniske krav​
Temperaturstigningsstandarden følger GB/T 11022-2011 "Felles spesifikasjoner for høyspenningsbrytere og -kontrollapparater." Som angitt av relevante standarder:

• Maksimal temperatur for berørbare kabinetter: 70°C (maks. temperaturstigning 30 K over omgivelsesforhold).
• Maksimal temperatur for ikke-berørbare kabinetter: 80°C (maks. temperaturstigning 40 K over omgivelsesforhold).
• Maksimal leder temperatur: 115°C (maks. temperaturstigning 75 K over omgivelsesforhold).
• Maksimal kontakttemperatur: 105°C (maks. temperaturstigning 65 K over omgivelsesforhold).
  For temperaturstigningstester brukes typisk en teststrøm på 1.1 ganger nominell strøm for å ta hensyn til solstrålingseffekter.

​Programvareinnstillinger​
Inngangstemperatur: 20°C; Trefas-strømfasevinkler: 0°, 120°, -120°.

​Simuleringsresultater​
Kabinettnivå termiske simuleringer (figur 4) viste at grunnet liten klaring mellom toppplaten av det tette kabinetten og den øvre delen av isoleringsmodulen, er den effektive varmeavledningsarealet på den øvre delen av kabinetten veldig begrenset. Dermed koncentrerer varmen seg på toppen, gjør det vanskelig å avlede, og fører til vedvarende høy busbartemperaturstigning. For å gi mer varmeavledningsrom innenfor det tette kabinetten, ble kabinetthøyden økt, og en varmeavledende belag ble lagt på indre flater.

​Temperaturstigningstest etter strukturell optimalisering​
Etter simuleringstudier og inledende temperaturstigningstestfunn, ble endringer foretatt på kabinetten og visse komponenter. Et senere temperaturstigningstest ble gjennomført (se tabell 4).

Som vist i tabell 4, er temperaturstigningsverdiene for den reteste prototypen nå overensstemmende med kravene. Dessuten er en designmarg på minst 8.5 K oppnådd.

​Senere optimalisering og retting​
Ettersom temperaturstigning har en kritisk betydning og potensielle konsekvenser av manglende overensstemmelse, er ytterligere optimalisering nødvendig for å forbedre prototypytelsen, selv etter at standarden er oppfylt. Målet er å oppnå en kontrollert temperaturstigningsmarg mellom 12 K og 15 K. For eksempel, spesifikke endringer på isoleringsmodulen krever testing (Opprinnelig tabell 5 var ufullstendig; logisk inkorporert). Simuleringsresultater antyder at optimalisering av strukturen på hovedisoleringen skaper en mer fornuftig intern varmeavledningsbane, som gir betydelig potensial for å videre redusere den totale interne ledende løkke temperaturstigning. Dette potensialet krever videre eksperimentell validering.

​Konklusjon​
En kombinert designnæringsmetode som bruker datamaskinsimulerings teknologi og temperaturstigningstesting, gjorde det mulig å optimalisere strukturen av den fast isolerte ringhovedenheten. Det optimerte produktet overholder temperaturstigningskravene angitt i GB/T 11022-2011 "Felles spesifikasjoner for høyspenningsbrytere og -kontrollapparater" og oppnår en betydelig sikkerhetsmargin.