Raziskava in optimizacija temperaturnega naraščanja v trdnih izoliranih krožnih enotah na 12kV

Trdno izolirano kolobarjev z nadzornim enotami (RMU) je novodobna distribucijska oprema, ki združuje zunanjost trdne obloge, izolirane vodnike in tehnologijo kompaktnih kombiniranih enot. Njegove ključnice in visokonapetostne žive dele so popolnoma vgrajeni v epoksidni smole, ki služi kot glavna izolacija med živimi deli in tlem ter med fazami. Kot ekološko prijazna alternativa opremi s SF₆ plinsko izolacijo, 12kV trdno izolirano RMU ponuja prednosti, vendar ima pri tem slabe toplotne lastnosti odvoda.

V preučevanem 12kV trdno izoliranem RMU so glavni vodilni krugovi zaključeni v epoksidnih in silikonskih gumenih materialih. Kljub uporabi zračne izolacije za ločevalo, se to nahaja v zelo omejenem, zaprtom prostoru z slabo toplotno odvajnostjo. To ga naredi zelo občutljivo na prekoračenja temperaturnih meja. Dolgotrajno izpostavljenost visokim temperaturam lahko povzroči deformacijo proizvodnih materialov in termično starenje. Ta degradacija zmanjša izolacijske lastnosti izdelka, kar vodi k upadanju celotne kakovosti in zanesljivosti izdelka. V težkih primerih lahko to sproži električne nesreče, ki motijo normalno delovanje.

Zaradi ključne pomembnosti in notranje težave reševanja problema temperaturnega dviga je ta postal fokus intenzivnega raziskovanja. Strukturne optimizacije so se neprestano izvajale, da bi povečale mejo temperaturnega dviga in zagotovile dolgoročno stabilno delovanje izdelka. Izolacija trdno izoliranega RMU primarno uporablja kombinacijo zračne in trdne izolacije. Prototip, ki temelji na prvotnem projektu, je bil podvržen raziskovalnim poskusom temperature. Ključni podatki merilnih točk so prikazani v Tabeli 1.

Kot kaže Tabela 1, so poskusi temperature na prototipu, temelječem na prvotnem projektu, razkrili hude prekoračenja mej na pivotah in koncih ločeval. Za reševanje tega problema so bili usmerjeni optimizacijski prizori v naslednji dve smeri:

1. ​Magnetotermalna Kopljenja Simulacija (Uporaba ANSOFT):​​ Izvedite magnetotermalno kopleno simulacijo, da optimizirate načine stika vodil, obliko nepravilnih vodil in površino vodilnega prereza. To zmanjša notranje segrevanje tako, da minimalizira generacijo Jouleovega toplote na viru.
2. ​Simulacija Tople Odvode na Ravnini Skrinje (Uporaba ICEPAK):​​ Izvedite simulacijo tople odvode na ravnini skrinje, da vzpostavite učinkove poti tople odvode, povečate koeficient tople odvode samih vodil in učinkovito odvajate generirano toploto. Ta pristop namenja zmanjšanje temperature vodilnih krugov z dvostranskim pristopom blokiranja in odvajanja toplote.

​Magnetotermalna Kopljenja Simulacija​
Ker je uporabljana struja bila manjša od 1000A, je ta simulacija modelirala samo Jouleovo segrevanje, generirano z upornostjo vodilnega kruga. Simulirana porazdelitev temperature neposredno odraža učinke Jouleovega segrevanja, brez scenarijev, ki vključujejo odvajanje toplote z radiacijo ali konvekcijo. To naredi rezultate primernimi za analizo vpliva strukture vodil na porazdelitev temperature. Ključni tehnični parametri izdelka so navedeni v Tabeli 2.

​Rezultati Simulacije​
Slika 1 prikazuje magnetotermalno kopleno porazdelitev temperature modula izolacije. Slika 2 prikazuje splošno magnetotermalno kopleno porazdelitev temperature notranjega vodilnega kruga. Magnetotermalna kopljena simulacija z uporabo programske opreme ANSOFT je razkrila, da so glavne lokacije visoke toplotne generacije bili konci ločeval in stiki s stacionarnimi stiki. Zlasti B-faza ločevala je pokazala stalno višjo temperaturo. Potrebna je strukturna optimizacija, da se zmanjša upornost šibkega stika in omogoči enakomerno površino vodilnega prereza.

​Simulacija Tople Odvode na Ravnini Skrinje​
Simulacija tople odvode na ravnini skrinje z uporabo programske opreme ICEPAK je preučila porazdelitev in oblike tople odvode iz vodilnih krugov po pretoku struje, kot tudi vpliv ohišja na prenos toplote.

​Tehnična Zahteva​
Standard za dvig temperature sledi GB/T 11022-2011 "Splošne specifikacije za standarde visokonapetostne preklopnike in nadzorne naprave." Po relevantnih standardih:

• Najvišja temperatura dotikalne ohišja: 70°C (maksimalni dvig temperature 30 K nad okolico).
• Najvišja temperatura nedotikalne ohišja: 80°C (maksimalni dvig temperature 40 K nad okolico).
• Najvišja temperatura vodil: 115°C (maksimalni dvig temperature 75 K nad okolico).
• Najvišja temperatura stikov: 105°C (maksimalni dvig temperature 65 K nad okolico).
  Za poskuse dviga temperature se običajno uporablja meritvena struja 1,1-krat nominativne struje, da se upošteva vpliv sončne radiacije.

​Nastavitve Programske Opreme​
Začetna Temperatura: 20°C; Fazni koti tri-fazne struje: 0°, 120°, -120°.

​Rezultati Simulacije​
Rezultati simulacije tople odvode na ravnini skrinje (Slika 4) so pokazali, da zaradi majhnega presledka med zgornjo ploščo zaprtega ohišja in zgornjim delom modula izolacije, je učinkovita površina tople odvode na zgornjem delu skrinje zelo omejena. Torej se toplota koncentrirajo na vrhu, kar je težko odvajati, kar vodi do trajno visokih temperatur vodil. Za večjo površino tople odvode znotraj zaprtega ohišja je bila povišana višina skrinje in nanizana toplotno odvajajoča premazna plast na notranje površine.

​Poskus Dviga Temperature Po Strukturni Optimizaciji​
Po simulacijskih študijah in prvotnih rezultatih poskusa dviga temperature so bile izvedene spremembe na skrinji in določenih komponentah. Nato je bil izveden naslednji poskus dviga temperature (glej Tabelo 4).

Kot kaže Tabela 4, so vrednosti dviga temperature preverjenega prototipa zdaj skladne z zahtevami. Poleg tega je dosežena najmanjša margina dizajna 8.5 K.

​Nadaljnja Optimizacija in Prilagajanje​
Zaradi ključne pomembnosti dviga temperature in možnih posledic neusklađenosti, je potrebna nadaljnja optimizacija, da se izboljša zmogljivost prototipa, tudi po dosegu standarda. Cilj je doseči kontrolirano mejo dviga temperature med 12 K in 15 K. Na primer, specifične spremembe na modulu izolacije zahtevajo testiranje (Izvirna Tabela 5 je bila nepopolna; logično vključena). Rezultati simulacije nakazujejo, da optimizacija strukture glavnega modula izolacije ustvarja boljšo notranjo pot tople odvode, kar ponuja veliko potenciala za dodatno zmanjšanje celotnega dviga temperature notranjega vodilnega kruga. Ta potencial zahteva nadaljnjo eksperimentalno preverjanje.

​Zaključek​
Združen pristop do oblikovanja, ki uporablja računalniško simulacijsko tehnologijo in poskuse dviga temperature, je omogočil strukturno optimizacijo trdno izoliranega kolobarja z nadzornimi enotami. Optimiziran izdelek je skladen s standardi za dvig temperature, določenimi v GB/T 11022-2011 "Splošne specifikacije za standarde visokonapetostne preklopnike in nadzorne naprave", in dosega značilen varnostni zamik.