Дослідження та оптимізація підвищення температури в 12кВ цілісно-ізольованих кільцевих магістральних сполук
Твердий ізольований кільцевий головний вузол (RMU) - це новий розподільчий пристрій, який поєднує зовнішню тверду оболонку, ізольовану шину та компактну комбіновану технологію. Його випробувачі та високовольтні живі частини повністю вбудовані у епоксидну смолу, яка служить основною ізоляцією між живими частинами та землею, а також між фазами. Як екологічна альтернатива обладнанню, ізольованому газом SF₆, 12кВ твердий ізольований RMU має переваги, але за природи своєї конструкції страждає на погані характеристики теплообміну.
У вивченому 12кВ твердому ізольованому RMU основні провідні контури заключені в епоксидну та силиконову резину. Хоча вимикач використовує повітряну ізоляцію, він знаходиться в дуже обмеженому, герметичному просторі з поганими умовами теплообміну. Це робить його надзвичайно чутливим до перевищення температурних границь. Постійне вплив високих температур може спричинити деформацію матеріалів, з яких виготовлено обладнання, та їх термічне старіння. Це погіршення знижує ізоляційні характеристики продукту, що призводить до загального погіршення якості та надійності продукту. У складних випадках це може спричинити електричні аварії, що перешкоджають нормальній роботі.
З урахуванням критичної важливості та внутрішньої складності вирішення проблеми підвищення температури, вона стала предметом інтенсивних досліджень. Були постійно впроваджені структурні оптимізації, щоб збільшити маржинальність підвищення температури, забезпечуючи довготривалий стабільний роботу продукту. Ізоляція твердого ізольованого RMU в основному використовує поєднання повітряної та твердої ізоляції. Прототип, побудований на основі початкового проекту, пройшов дослідження підвищення температури. Ключові дані точок виміру наведено в таблиці 1.
|
№ |
Місце виміру |
Стандарт (K) |
Рівноважна температура (°C) |
Підвищення температури (K) |
Маржинальність від стандарту (K) |
Примітка |
|
1 |
Осі осі A-фази |
65.0 |
86.1 |
73.0 |
-8.0 |
Перевищено |
|
2 |
Кінець вимикача A-фази |
65.0 |
78.2 |
65.1 |
-1.1 |
Перевищено |
|
3 |
Осі осі B-фази |
65.0 |
86.4 |
73.3 |
-8.3 |
Перевищено |
|
4 |
Кінець вимикача B-фази |
65.0 |
88.0 |
74.9 |
-9.9 |
Перевищено |
|
5 |
Осі осі C-фази |
65.0 |
80.6 |
67.5 |
-2.5 |
Перевищено |
|
6 |
Кінець вимикача C-фази |
65.0 |
81.6 |
68.5 |
-3.5 |
Перевищено |
Як показано в таблиці 1, тестування підвищення температури прототипу на основі початкового проекту виявило серйозне перевищення границь как на осі осей, так і на кінцях вимикачів. Для вирішення цієї проблеми оптимізаційні зусилля були сфокусовані на наступних двох аспектах:
- Симуляція магнетотеплового зв'язку (використовуючи ANSOFT): Виконати симуляцію магнетотеплового зв'язку для оптимізації методів контакту провідників, форми нерегулярних провідників та площі поперечного перерізу провідників. Це зменшує внутрішнє нагрівання, мінімізуючи генерацію джоульового тепла на джерелі.
- Симуляція теплообміну на рівні шафи (використовуючи ICEPAK): Провести симуляцію теплообміну на рівні шафи для створення ефективних шляхів теплообміну, збільшення коефіцієнта теплообміну самих провідників та ефективного відведення виробленого тепла. Цей підхід має мету знизити температуру провідних контурів через подвійний підхід блокування та відведення тепла.
Симуляція магнетотеплового зв'язку
Оскільки застосований струм був менше 1000А, ця симуляція моделювала лише джоульове нагрівання, викликане опором контуру в провідному шляху. Модельована розподіл температури прямо відображає ефекти джоульового нагрівання, виключаючи сценарії, що включають теплообмін через радіацію або конвекцію. Це робить результати придатними для аналізу впливу структури провідника на розподіл температури. Основні технічні параметри продукту наведено в таблиці 2.
|
№ |
Назва параметра |
Значення |
|
1 |
Номінальна напруга (кВ) |
12 |
|
2 |
Номінальний струм (A) |
700 |
|
3 |
Опор A-фази (μΩ) |
190 (припустимо) |
|
4 |
Опор B-фази (μΩ) |
190 (припустимо) |
|
5 |
Опор C-фази (μΩ) |
190 (припустимо) |
Результати симуляції
Рисунок 1 показує розподіл температури магнетотеплового зв'язку модуля ізоляції. Рисунок 2 показує загальний розподіл температури магнетотеплового зв'язку внутрішніх провідних шляхів. Симуляція магнетотеплового зв'язку за допомогою програмного забезпечення ANSOFT показала, що основні місця підвищеного тепловиділення були кінцями вимикачів та точками контакту з нерухомими контактами. Зокрема, вимикач B-фази демонстрував постійно вищу температуру. Необхідна структурна оптимізація для зменшення опору стиснення та однорідності площі поперечного перерізу провідника.
Симуляція теплообміну на рівні шафи
Симуляція теплообміну на рівні шафи за допомогою програмного забезпечення ICEPAK дослідила розподіл та форми теплообміну провідних шляхів після проходження струму, а також вплив корпусу на теплообмін.
Технічні вимоги
Стандарт підвищення температури відповідає GB/T 11022-2011 "Загальні специфікації для стандартів високовольтного обладнання для розподілу та управління." Як встановлено відповідними стандартами:
- Максимальна температура для доступних корпусів: 70°C (макс. підвищення температури 30 K від оточуючої середовища).
- Максимальна температура для недоступних корпусів: 80°C (макс. підвищення температури 40 K від оточуючої середовища).
- Максимальна температура провідника: 115°C (макс. підвищення температури 75 K від оточуючої середовища).
- Максимальна температура контакту: 105°C (макс. підвищення температури 65 K від оточуючої середовища).
Для тестів підвищення температури зазвичай використовується струм 1.1 разів більший, ніж номінальний, для врахування впливу сонячного випромінювання.
Налаштування програмного забезпечення
Початкова температура: 20°C; Фазові кути трифазного струму: 0°, 120°, -120°.
Результати симуляції
Результати симуляції теплообміну на рівні шафи (рисунок 4) показали, що через малу відстань між верхньою плитою герметичного корпусу та верхньою частиною модуля ізоляції, ефективна площа теплообміну на верхній частині шафи дуже обмежена. Наслідком цього є концентрація тепла на верху, що робить його важко відвести, що призводить до постійно високого підвищення температури шини. Для забезпечення більшої площі теплообміну всередині герметичного корпусу, висота шафи була збільшена, а на внутрішні поверхні нанесено покриття, що відводить тепло.
Тест підвищення температури після структурної оптимізації
Після проведення симуляційних досліджень та початкових тестів підвищення температури, були внесені зміни до шафи та деяких компонентів. Проведено наступний тест підвищення температури (див. таблицю 4).
|
№ |
Місце виміру |
Стандарт (K) |
Рівноважна температура (°C) |
Підвищення температури (K) |
Маржинальність від стандарту (K) |
Примітка |
|
1 |
Осі осі A-фази |
65.0 |
72.4 |
55.2 |
+9.8 |
Відповідає |
|
2 |
Кінець вимикача A-фази |
65.0 |
73.7 |
56.5 |
+8.5 |
Відповідає |
|
3 |
Осі осі B-фази |
65.0 |
73.6 |
56.4 |
+8.6 |
Відповідає |
|
4 |
Кінець вимикача B-фази |
65.0 |
73.6 |
56.4 |
+8.6 |
Відповідає |
|
5 |
Осі осі C-фази |
65.0 |
69.6 |
52.4 |
+12.6 |
Відповідає |
|
6 |
Кінець вимикача C-фази |
65.0 |
70.7 |
53.5 |
+11.5 |
Відповідає |
Як показано в таблиці 4, значення підвищення температури для прототипу, що був перевірений повторно, тепер відповідають вимогам. Більше того, досягнуто дизайн-маржинальність принаймні 8.5 K.
Подальша оптимізація та виправлення
З урахуванням критичної важливості підвищення температури та можливих наслідків невідповідності, необхідна подальша оптимізація для підвищення продуктивності прототипу, навіть після досягнення стандарта. Метою є досягнення контролюваної маржинальність підвищення температури між 12 K та 15 K. Наприклад, конкретні зміни в модулі ізоляції потребують тестування (Оригінальна таблиця 5 була некомплектна; логічно включена). Результати симуляції свідчать, що оптимізація структури основного модуля ізоляції створює більш раціональний внутрішній шлях теплообміну, що має значний потенціал для подальшого зниження загального підвищення температури внутрішніх провідних контурів. Цей потенціал потребує подальшої експериментальної перевірки.
Висновок
08/15/2025
