การวิจัยและการปรับปรุงอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในวงจรป้อนพลังงานหลักฉนวนแข็ง 12kV

อุปกรณ์กระจายพลังงานแบบวงแหวนที่มีฉนวนกันความร้อนทึบ (RMU) เป็นอุปกรณ์กระจายพลังงานที่ใหม่ซึ่งรวมเอาการห่อหุ้มภายนอกด้วยวัสดุทึบ การเชื่อมต่อสายไฟด้วยฉนวน และเทคโนโลยีของหน่วยรวมขนาดเล็ก สวิตช์และส่วนประกอบที่มีแรงดันสูงทั้งหมดถูกฝังอยู่ในเรซินอีพ็อกซี่ ซึ่งเป็นฉนวนหลักระหว่างส่วนที่มีแรงดันกับพื้นดินและระหว่างเฟส สำหรับเป็นทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมแทนอุปกรณ์ที่ใช้แก๊ส SF₆ ในการกันความร้อน RMU ที่มีฉนวนกันความร้อนทึบ 12kV มีข้อดี แต่ยังมีปัญหาเรื่องการระบายความร้อนที่ไม่ดี

ใน RMU ที่มีฉนวนกันความร้อนทึบ 12kV ที่ศึกษา วงจรนำกระแสหลักถูกห่อหุ้มด้วยวัสดุเรซินอีพ็อกซี่และยางซิลิโคน ในขณะที่สวิตช์ตัดกระแสใช้การกันความร้อนด้วยอากาศ แต่ตั้งอยู่ในพื้นที่ที่แคบและปิดสนิทโดยมีสภาพการระบายความร้อนที่ไม่ดี ทำให้มีโอกาสเกินขีดจำกัดของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นได้ง่าย การสัมผัสกับอุณหภูมิสูงเป็นเวลานานอาจทำให้วัสดุผลิตภัณฑ์เสียรูปและเกิดการเสื่อมสภาพจากความร้อน ทำให้ประสิทธิภาพในการกันความร้อนลดลง ส่งผลให้คุณภาพและความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ลดลง ในกรณีที่ร้ายแรง อาจทำให้เกิดอุบัติเหตุทางไฟฟ้า ทำให้การดำเนินงานปกติหยุดชะงัก

เนื่องจากความสำคัญและความยากในการแก้ไขปัญหาการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ จึงกลายเป็นจุดสนใจในการวิจัยอย่างมาก การปรับปรุงโครงสร้างได้ดำเนินการอย่างต่อเนื่องเพื่อเพิ่มขอบเขตการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ ทำให้ผลิตภัณฑ์สามารถทำงานอย่างมั่นคงในระยะยาว การกันความร้อนของ RMU ที่มีฉนวนกันความร้อนทึบใช้การผสมผสานระหว่างการกันความร้อนด้วยอากาศและการกันความร้อนด้วยวัสดุทึบ ต้นแบบที่พัฒนาขึ้นตามการออกแบบแรกได้ผ่านการทดสอบการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ ข้อมูลสำคัญที่จุดทดสอบแสดงในตาราง 1

ตามที่แสดงในตาราง 1 การทดสอบการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิบนต้นแบบที่พัฒนาขึ้นตามการออกแบบแรกพบว่ามีการเกินขีดจำกัดอย่างรุนแรงทั้งที่จุดหมุนและปลายสวิตช์ตัดกระแส เพื่อแก้ไขปัญหานี้ การปรับปรุงได้เน้นไปที่สองด้านต่อไปนี้:

1. ​การจำลองการสัมพันธ์ระหว่างแม่เหล็กและความร้อน (ใช้ ANSOFT):​​ ทำการจำลองการสัมพันธ์ระหว่างแม่เหล็กและความร้อนเพื่อปรับปรุงวิธีการติดต่อของตัวนำ การออกแบบของตัวนำที่ไม่สม่ำเสมอ และพื้นที่ตัดขวางของตัวนำ ทำให้ลดการสร้างความร้อนจากรอยต่อโดยตรง
2. ​การจำลองความร้อนระดับตู้ (ใช้ ICEPAK):​​ ทำการจำลองความร้อนระดับตู้เพื่อกำหนดช่องทางการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ เพิ่มสัมประสิทธิ์การระบายความร้อนของตัวนำเอง และระบายความร้อนที่สร้างขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ วิธีการนี้มีเป้าหมายเพื่อลดอุณหภูมิของวงจรนำกระแสผ่านการป้องกันและระบายความร้อน

​การจำลองการสัมพันธ์ระหว่างแม่เหล็กและความร้อน​
เนื่องจากกระแสที่ใช้น้อยกว่า 1000A การจำลองครั้งนี้จะจำลองเฉพาะการสร้างความร้อนจากการต้านทานของวงจรนำกระแส การกระจายความร้อนที่จำลองมาสะท้อนผลของการสร้างความร้อนจากการต้านทาน โดยไม่รวมสถานการณ์ที่มีการระบายความร้อนผ่านการแผ่รังสีหรือการพาความร้อน ทำให้ผลลัพธ์เหมาะสมสำหรับการวิเคราะห์ผลกระทบของโครงสร้างตัวนำต่อการกระจายความร้อน รายละเอียดเทคนิคของผลิตภัณฑ์หลักแสดงในตาราง 2

​ผลการจำลอง​
รูปที่ 1 แสดงการกระจายความร้อนจากการสัมพันธ์ระหว่างแม่เหล็กและความร้อนของโมดูลฉนวน รูปที่ 2 แสดงการกระจายความร้อนจากการสัมพันธ์ระหว่างแม่เหล็กและความร้อนของวงจรภายใน การจำลองการสัมพันธ์ระหว่างแม่เหล็กและความร้อนโดยใช้ซอฟต์แวร์ ANSOFT พบว่าจุดที่มีการสร้างความร้อนสูงสุดคือปลายสวิตช์ตัดกระแสและจุดติดต่อที่คงที่ โดยเฉพาะสวิตช์ตัดกระแสเฟส B แสดงอุณหภูมิที่สูงอย่างต่อเนื่อง จำเป็นต้องปรับปรุงโครงสร้างเพื่อลดความต้านทานจากการบีบและทำให้พื้นที่ตัดขวางของตัวนำสม่ำเสมอ

​การจำลองความร้อนระดับตู้​
การจำลองความร้อนระดับตู้โดยใช้ซอฟต์แวร์ ICEPAK ตรวจสอบการกระจายและการระบายความร้อนของวงจรนำกระแสหลังจากมีการไหลของกระแส ตลอดจนผลกระทบของตู้ที่ปิดสนิทต่อการถ่ายเทความร้อน

​ข้อกำหนดทางเทคนิค​
มาตรฐานการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิตาม GB/T 11022-2011 "ข้อกำหนดทั่วไปสำหรับอุปกรณ์สวิตช์และควบคุมแรงดันสูง" ตามที่ระบุไว้ในมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง:

• อุณหภูมิสูงสุดของตู้ที่สามารถสัมผัสได้: 70°C (การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิสูงสุด 30 K เหนืออุณหภูมิแวดล้อม)
• อุณหภูมิสูงสุดของตู้ที่ไม่สามารถสัมผัสได้: 80°C (การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิสูงสุด 40 K เหนืออุณหภูมิแวดล้อม)
• อุณหภูมิสูงสุดของตัวนำ: 115°C (การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิสูงสุด 75 K เหนืออุณหภูมิแวดล้อม)
• อุณหภูมิสูงสุดของจุดติดต่อ: 105°C (การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิสูงสุด 65 K เหนืออุณหภูมิแวดล้อม)
  สำหรับการทดสอบการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ ทั่วไปแล้วจะใช้กระแสทดสอบ 1.1 เท่าของกระแสจัด เพื่อคำนึงถึงผลกระทบจากแสงอาทิตย์

​การตั้งค่าซอฟต์แวร์​
อุณหภูมิเริ่มต้น: 20°C; มุมเฟสของกระแสสามเฟส: 0°, 120°, -120°

​ผลการจำลอง​
ผลการจำลองความร้อนระดับตู้ (รูปที่ 4) แสดงว่าเนื่องจากช่องว่างระหว่างแผ่นด้านบนของตู้ที่ปิดสนิทและส่วนบนของโมดูลฉนวนมีขนาดเล็ก ทำให้พื้นที่การระบายความร้อนบนส่วนบนของตู้มีจำกัด ทำให้ความร้อนสะสมที่ด้านบนและยากต่อการระบาย ทำให้การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของบัสบาร์ยังคงสูงอยู่ ในการให้พื้นที่การระบายความร้อนเพิ่มขึ้นภายในตู้ที่ปิดสนิท ความสูงของตู้ถูกเพิ่มขึ้นและสารเคลือบระบายความร้อนถูกทาลงบนพื้นผิวภายใน

​การทดสอบการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิหลังการปรับปรุงโครงสร้าง​
หลังจากการศึกษาการจำลองและการทดสอบการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิครั้งแรก ได้มีการปรับปรุงตู้และส่วนประกอบบางส่วน ทำการทดสอบการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิอีกครั้ง (ดูตาราง 4)

ตามที่แสดงในตาราง 4 ค่าการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของต้นแบบที่ทดสอบใหม่ตอนนี้สอดคล้องกับข้อกำหนด นอกจากนี้ยังได้ขอบเขตการออกแบบอย่างน้อย 8.5 K

​การปรับปรุงและแก้ไขต่อไป​
เนื่องจากความสำคัญของการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิและความเป็นไปได้ของผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นจากการไม่สอดคล้อง จำเป็นต้องมีการปรับปรุงเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของต้นแบบ แม้ว่าจะสอดคล้องกับมาตรฐานแล้ว วัตถุประสงค์คือการทำให้ขอบเขตการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิอยู่ระหว่าง 12 K ถึง 15 K ตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนแปลงเฉพาะบนโมดูลฉนวนต้องการการทดสอบ (ตาราง 5 ต้นฉบับไม่ครบถ้วน ได้รวมเข้ามาอย่างมีเหตุผล) ผลการจำลองแนะนำว่าการปรับปรุงโครงสร้างของโมดูลฉนวนหลักจะสร้างช่องทางการระบายความร้อนภายในที่สมเหตุสมผล ทำให้มีศักยภาพในการลดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของวงจรนำกระแสภายในอย่างมาก ศักยภาพนี้ต้องการการตรวจสอบทดลองเพิ่มเติม

​สรุป​
การใช้วิธีการออกแบบที่รวมการจำลองคอมพิวเตอร์และทดสอบการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิทำให้สามารถปรับปรุงโครงสร้างของ RMU ที่มีฉนวนกันความร้อนทึบ ผลิตภัณฑ์ที่ปรับปรุงแล้วสอดคล้องกับข้อกำหนดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่ระบุใน GB/T 11022-2011 "ข้อกำหนดทั่วไปสำหรับอุปกรณ์สวิตช์และควบคุมแรงดันสูง" และได้ขอบเขตความปลอดภัยที่สำคัญ