Исследование и оптимизация повышения температуры в твердотельных кольцевых распределительных устройствах на 12 кВ
Твердая изолированная кольцевая распределительная установка (RMU) - это новое распределительное оборудование, которое интегрирует внешнюю твердую оболочку, изолированные шины и компактную комбинированную технологию. Ее выключатели и высоковольтные живые компоненты полностью встроены в эпоксидную смолу, которая служит основным изолятором между живыми частями и землей, а также между фазами. В качестве экологически чистой альтернативы оборудованию с газовой изоляцией SF₆, 12-киловольтная твердая изолированная RMU предлагает преимущества, но имеет недостаток в виде плохих теплоотводящих характеристик.
В исследованной 12-киловольтной твердой изолированной RMU основные проводящие цепи заключены в эпоксидную смолу и силиконовый каучук. Хотя разъединитель использует воздушную изоляцию, он находится в крайне ограниченном, герметичном пространстве с плохими условиями теплоотвода. Это делает его очень подверженным превышению температурных пределов. Длительное воздействие высоких температур может вызвать деформацию и тепловое старение материалов, из которых изготовлено оборудование. Это ухудшение снижает изоляционные характеристики продукта, что приводит к ухудшению общего качества и надежности продукта. В тяжелых случаях это может вызвать электрические аварии, нарушающие нормальную работу.
Учитывая критическую важность и внутренние трудности решения проблемы повышения температуры, она стала предметом интенсивных исследований. Постоянно внедрялись структурные оптимизации для увеличения запаса по повышению температуры, обеспечивая долгосрочную стабильную работу продукта. Изоляция твердой изолированной RMU в основном использует комбинацию воздушной и твердой изоляции. Прототип, основанный на первоначальном дизайне, прошел испытания на повышение температуры. Ключевые данные точек измерений показаны в таблице 1.
|
№ |
Место измерения |
Стандарт (K) |
Равновесная температура (°C) |
Повышение температуры (K) |
Запас от стандарта (K) |
Примечание |
|
1 |
Ось ножа разъединителя фазы A |
65.0 |
86.1 |
73.0 |
-8.0 |
Превышено |
|
2 |
Кончик ножа разъединителя фазы A |
65.0 |
78.2 |
65.1 |
-1.1 |
Превышено |
|
3 |
Ось ножа разъединителя фазы B |
65.0 |
86.4 |
73.3 |
-8.3 |
Превышено |
|
4 |
Кончик ножа разъединителя фазы B |
65.0 |
88.0 |
74.9 |
-9.9 |
Превышено |
|
5 |
Ось ножа разъединителя фазы C |
65.0 |
80.6 |
67.5 |
-2.5 |
Превышено |
|
6 |
Кончик ножа разъединителя фазы C |
65.0 |
81.6 |
68.5 |
-3.5 |
Превышено |
Как указано в таблице 1, испытания на повышение температуры прототипа, основанного на первоначальном дизайне, показали серьезное превышение лимитов как на осях, так и на кончиках ножей разъединителей. Для решения этой проблемы усилия по оптимизации были сосредоточены на следующих двух аспектах:
- Симуляция магнитотеплового взаимодействия (используя ANSOFT): Выполнение симуляции магнитотеплового взаимодействия для оптимизации методов контактирования проводников, формы нерегулярных проводников и площади поперечного сечения проводников. Это снижает внутренний нагрев за счет минимизации образования джоулева тепла в источнике.
- Симуляция теплового режима на уровне шкафа (используя ICEPAK): Проведение симуляции теплового режима на уровне шкафа для создания эффективных путей теплоотвода, увеличения коэффициента теплоотдачи самих проводников и эффективного рассеивания образующегося тепла. Этот подход направлен на снижение температуры проводящих цепей через двойной подход блокировки и рассеивания тепла.
Симуляция магнитотеплового взаимодействия
Поскольку применяемый ток был меньше 1000А, эта симуляция моделировала только джоулево нагревание, генерируемое сопротивлением цепи в проводящем пути. Распределение температуры, полученное в результате симуляции, прямо отражает эффекты джоулева нагревания, исключая случаи, связанные с теплоотдачей через излучение или конвекцию. Это делает результаты подходящими для анализа влияния структуры проводников на распределение температуры. Основные технические параметры продукта приведены в таблице 2.
|
№ |
Название параметра |
Значение |
|
1 |
Номинальное напряжение (кВ) |
12 |
|
2 |
Номинальный ток (А) |
700 |
|
3 |
Сопротивление цепи фазы A (μΩ) |
190 (предположительно) |
|
4 |
Сопротивление цепи фазы B (μΩ) |
190 (предположительно) |
|
5 |
Сопротивление цепи фазы C (μΩ) |
190 (предположительно) |
Результаты симуляции
На рисунке 1 показано распределение температуры магнитотеплового взаимодействия модуля изоляции. На рисунке 2 показано общее распределение температуры магнитотеплового взаимодействия внутреннего проводящего пути. Симуляция магнитотеплового взаимодействия с использованием программного обеспечения ANSOFT показала, что основные места повышенного тепловыделения находятся на кончиках ножей разъединителей и точках контакта со стационарными контактами. Особенно высокие температуры наблюдались на ноже разъединителя фазы B. Требуется структурная оптимизация для снижения сопротивления сужения и однородности площади поперечного сечения проводника.
Симуляция теплового режима на уровне шкафа
Симуляция теплового режима на уровне шкафа с использованием программного обеспечения ICEPAK исследовала распределение и формы теплоотвода от проводящих путей после прохождения тока, а также влияние корпуса на передачу тепла.
Технические требования
Стандарт повышения температуры следует ГОСТ Р 52735-2007 "Общие технические условия для высоковольтных коммутационных устройств и аппаратов управления". Как предусмотрено соответствующими стандартами:
- Максимальная температура доступных корпусов: 70°C (максимальное повышение температуры 30 K выше окружающей среды).
- Максимальная температура недоступных корпусов: 80°C (максимальное повышение температуры 40 K выше окружающей среды).
- Максимальная температура проводников: 115°C (максимальное повышение температуры 75 K выше окружающей среды).
- Максимальная температура контактов: 105°C (максимальное повышение температуры 65 K выше окружающей среды).
Для испытаний на повышение температуры обычно используется ток, равный 1.1 раза номинального тока, чтобы учесть влияние солнечного излучения.
Настройки программного обеспечения
Начальная температура: 20°C; Фазовые углы трехфазного тока: 0°, 120°, -120°.
Результаты симуляции
Результаты симуляции теплового режима на уровне шкафа (рисунок 4) показали, что из-за малого зазора между верхней крышкой герметичного корпуса и верхней частью модуля изоляции, эффективная площадь теплоотвода на верхней части шкафа очень ограничена. В результате тепло концентрируется сверху, что затрудняет его рассеивание, приводя к постоянному высокому повышению температуры шин. Для предоставления большего пространства для теплоотвода внутри герметичного шкафа была увеличена высота шкафа, а на внутренние поверхности нанесено покрытие, способствующее теплоотводу.
Испытания на повышение температуры после структурной оптимизации
После проведения симуляций и начальных испытаний на повышение температуры были внесены изменения в шкаф и некоторые компоненты. Затем было проведено повторное испытание на повышение температуры (см. таблицу 4).
|
№ |
Место измерения |
Стандарт (K) |
Равновесная температура (°C) |
Повышение температуры (K) |
Запас от стандарта (K) |
Примечание |
|
1 |
Ось ножа разъединителя фазы A |
65.0 |
72.4 |
55.2 |
+9.8 |
Соответствует |
|
2 |
Кончик ножа разъединителя фазы A |
65.0 |
73.7 |
56.5 |
+8.5 |
Соответствует |
|
3 |
Ось ножа разъединителя фазы B |
65.0 |
73.6 |
56.4 |
+8.6 |
Соответствует |
|
4 |
Кончик ножа разъединителя фазы B |
65.0 |
73.6 |
56.4 |
+8.6 |
Соответствует |
|
5 |
Ось ножа разъединителя фазы C |
65.0 |
69.6 |
52.4 |
+12.6 |
Соответствует |
|
6 |
Кончик ножа разъединителя фазы C |
65.0 |
70.7 |
53.5 |
+11.5 |
Соответствует |
Как показано в таблице 4, значения повышения температуры для повторно испытанного прототипа теперь соответствуют требованиям. Кроме того, достигнут запас не менее 8.5 K.
Последующая оптимизация и корректировка
Учитывая критическую важность повышения температуры и потенциальные последствия несоответствия, требуется дальнейшая оптимизация для улучшения производительности прототипа, даже после достижения стандарта. Цель состоит в том, чтобы достичь контролируемого запаса повышения температуры между 12 K и 15 K. Например, требуются испытания для конкретных изменений в модуле изоляции (исходная таблица 5 была неполной; логически включена). Результаты симуляции показывают, что оптимизация структуры основного модуля изоляции создает более разумный внутренний путь теплоотвода, что имеет значительный потенциал для дальнейшего снижения общего повышения температуры внутренних проводящих цепей. Этот потенциал требует дальнейшего экспериментального подтверждения.
Заключение
Совместный подход к проектированию, использующий технологии компьютерного моделирования и испытания на повышение температуры, позволил оптимизировать конструкцию твердой изолированной кольцевой распределительной установки. Оптимизированный продукт соответствует требованиям повышения температуры, установленным в ГОСТ Р 52735-2007 "Общие технические условия для высоковольтных коммутационных устройств и аппаратов управления", и достигает значительного запаса безопасности.
