Dit artikel behandelt het probleem van de temperatuurstijging van de hoofdeenheid van de ring door een vereenvoudigd model op te stellen en een vergelijkende analyse uit te voeren in twee modules voor het oplossen van temperatuurvelden.
Methodenartikel
Vergelijkende studie van de simulatie van de temperatuurstijging in de hoofdeenheid van de ring
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
De Ring Main Unit (RMU) is een essentieel apparaat in stroomdistributiesystemen die worden gebruikt voor het aansluiten en distribueren van elektriciteit. Vanwege de compacte interne structuur en de hoge stroombelasting zijn problemen met warmteafvoer echter bijzonder prominent. Om dit probleem aan te pakken, stelt deze studie op innovatieve wijze een vereenvoudigd RMU-model voor, waarbij gebruik wordt gemaakt van eindige-elementensimulatiemethoden om de ohmse verliezen van geleiders onder werkelijke bedrijfsomstandigheden nauwkeurig op te lossen en ohmse verliesgegevens voor verschillende componenten te verkrijgen. Dit is het eerste diepgaande onderzoek naar het probleem van de temperatuurstijging van de RMU met behulp van een dergelijke alomvattende aanpak. Vervolgens werd het temperatuurveld opgelost met behulp van twee verschillende modules voor temperatuurveldanalyse, met een gedetailleerde vergelijking en analyse van de simulatieresultaten om overeenkomsten, verschillen en trends in de temperatuurverdeling te identificeren. De resultaten geven aan dat het model van de temperatuurveldoplossing, dat rekening houdt met convectieve warmteoverdracht, nauwkeuriger is en overeenkomt met de werkelijke bedrijfsomstandigheden. Dit onderzoek biedt een innovatieve aanpak en praktische oplossingen voor het ontwerp en de optimalisatie van RMU's. Toekomstig onderzoek kan multifysische koppelingsanalysemethoden verder verkennen om structureel ontwerp en verplichte validatieproblemen voor hoog- en ultrahoogspannings-RMU's en andere elektrische apparatuur aan te pakken, waardoor belangrijke inzichten worden verkregen voor technisch ontwerp.
Inleiding
De ringhoofdeenheid is een groep hoogspanningsschakelaars die in een stalen metalen kast zijn gemonteerd of zijn gemaakt van een geassembleerde ringnetwerkvoedingseenheid van elektrische apparatuur. De algemene structuur van de belastingsschakelaar en het geleidende circuit bestaat uit het geleidende circuit, dat een aantal componenten omvat die de hoofdkern van de ringeenheid vormen. Vanwege de compacte interne structuur staat de ringhoofdeenheid echter voor uitdagingen op het gebied van warmteafvoer. Dit kan leiden tot thermische vervorming en veroudering bij langdurig gebruik in omgevingen met hoge temperaturen. Deze problemen hebben niet alleen invloed op de levensduur van het apparaat, maar ook op de isolerende eigenschappen, wat veiligheidsrisico's met zich meebrengt. Met name schade aan apparatuur en elektrische ongevallen worden waarschijnlijker, wat aanzienlijke veiligheidsrisico's met zich meebrengt.
Binnen verschillende onderzoeksgebieden hebben wetenschappers een reeks onderzoeken uitgevoerd naar de temperatuurstijging van bovenleidingschakelapparatuur en verschillende factoren geanalyseerd die van invloed zijn op de temperatuurverdeling1. In Polykrati et al.2 wordt een wiskundig model gepresenteerd voor de schatting van de temperatuurstijging van componenten die op het distributienet zijn geïnstalleerd tijdens een kortsluitfout. Het model werd toegepast op de gemeenschappelijke ontkoppelingsschakelaars van het netwerk en de kenmerken van de resultaten werden uitgezet volgens de verschillende vormen van het asymmetrische deel van de kortsluitstroomgolfvorm en de beginwaarde van de kortsluitgelijkstroomcomponent. Guan et al., aan de andere kant, hebben rekening gehouden met de contactweerstand en elektromagnetische afstoting door een equivalente contactbrug te bouwen om de contactinterface te simuleren en het elektromagnetisch-thermische koppelingsveld en temperatuurstijgingsexperimentverder geanalyseerd 3. Daarnaast onderzochten de onderzoekers het temperatuurveld en de thermische spanningsverdeling van de dynamische en statische contacten in de ringhoofdeenheid door middel van eindige-elementensimulatie, die een basis vormden voor de studie van de levensduur van de stroomonderbreker4. Ten slotte hebben Mueller et al. zich gericht op de geometrische kenmerken van koellichamen en de effecten van materiaalkeuze, totale oppervlakte, temperatuuruniformiteit en maximale oppervlaktetemperatuur op thermische prestaties geëvalueerd5. Deze studies bieden waardevolle inzichten en methoden om de prestaties en betrouwbaarheid van schakelapparatuur te verbeteren, temperatuurstijging te verminderen en de levensduur van de apparatuur te verlengen. Wang et al. stelden een MiNET Deep Learning Model (MDLM) voor in de UPIOT-omgeving met als doel foutdiagnose van elektrische ringkasten te detecteren, waarvan werd gevalideerd dat het een identificatienauwkeurigheid van 99,1% had, wat aanzienlijk hoger is dan die van andere methoden6. Lei et al. bestudeerden de thermische prestaties van een GIS-rail in een stabiele toestand met behulp van de magneto-vloeistof-thermische koppelingsanalysemethode, waardoor de geleider en tankdiameter werden geoptimaliseerd op basis van de simulatieresultaten van de temperatuurstijging7. Ouerdani et al. gebruikten het RMU-simulatiemodel voor temperatuurstijging om de temperatuurstijging op kritieke locaties in het model te bepalen, waarbij de duur van de maximale overbelasting voor de componenten in de RMU dienovereenkomstig werd vastgesteld8. Zheng et al. beschreven een conventionele rechthoekige rail in een model van hoogstroomschakelaars door een tweedimensionaal model te bouwen en de eindige-elementenmethode (FEM) toe te passen voor berekeningen van elektromagnetische velden. Het stelde hen in staat om de verdeling van de stroomdichtheid en het vermogensverlies van de busgeleider te verkrijgen. Een onregelmatige rail is ontworpen na overweging van de effecten van het nabijheidseffect en het huideffect. Dit onregelmatige railontwerp verbeterde de prestaties van conventionele rechthoekige rail9.
Wat betreft het aspect van het gebruik van de icepak-simulatie, voerden Wang et al. een simulatie van de temperatuurstijging uit door middel van vortexveld-, luchtstroomveld- en temperatuurveldtheorieën en ontdekten dat de temperatuurstijging van de ringhoofdeenheid ernstiger was onder natuurlijke convectie. Ze slaagden erin de temperatuurstijging te verminderen door geforceerde luchtkoeling toe te voegen en verbeteringen aan te brengen in de interne contactstructuur10. Zhu et al.11 gebruikten de icepak om een thermisch model te simuleren om het effect van de aanwezigheid van thermische via's op de printplaat en de aanwezigheid van koellichamen op de temperatuur van de elektrische apparaten te vergelijken. Ten slotte wordt de theoretische analyse vergeleken met de simulatieresultaten om de juistheid van de theoretische analyse te verifiëren. Mao et al.12 bestudeerden de temperatuur en de interne luchtstroomverdeling onder zomerse bedrijfsomstandigheden door middel van thermische simulatie op basis van de CAE-software in de icepak-simulatie. Het probleem van het verbeteren van de koelefficiëntie en het beheersen van de temperatuurstijging van meerdere verzilverde contacten wordt gegeven, en de temperatuur- en interne luchtstroomcontouren die in de simulatie zijn vastgelegd, zullen de basis leggen voor het ontwerp van het koelschema voor de zes verzilverde contacten die in de afdichtingseenheid zijn gemonteerd. Omgekeerd worden bij het gebruik van een steady-state thermische module Zhang13 Modelleringsmethoden besproken voor het oplossen van het thermische netwerk van een hogedrukbus met behulp van een alternatieve transiënte procedure. De test- en simulatieresultaten komen goed overeen met de thermische steady-state en transiënte toestanden van de bus. De transiënte resultaten worden vervolgens gebruikt om het overbelastingsvermogen van de bus te evalueren. Vaimann et al.14 ontwikkelden en analyseerden een analytisch thermisch model van een synchrone reluctantiemotor voor het voorspellen van de temperatuur van de verschillende componenten en het ingestelde totale parameter thermische netwerk.
Met de voortdurende vooruitgang van het onderzoek naar elektrische apparatuur zoals ringhoofdeenheden, zijn conventionele temperatuurstijgingstests en productiemethoden relatief inefficiënt. Door gebruik te maken van eindige-elemententechnologie in combinatie met offline tests, worden daarom niet alleen de ontwerpkostenproblemen aangepakt, maar kunnen op basis van simulaties snel aanpassingen en optimalisaties worden aangebracht in echte problemen. Op basis van de hierboven genoemde voortgang van het onderzoek wordt het gebruik van ANSYS Icepak en Steady-state thermische koppeling voor vergelijkende analyse zelden genoemd. Daarom beschrijft het protocol het mechanismeonderzoek van eindige elementen, gebruikt het numerieke en morfologische combinaties om een simulatiemodel voor de temperatuurstijging van eindige elementen voor de behuizing op te stellen, en bespreekt het simulatiemodel voor de temperatuurstijging van eindige elementen op basis van de resultaten van de twee analytische modules door de resultaten van de twee simulatiemodules te vergelijken. Door de vergelijking tussen de twee simulatiemodules zullen we de kenmerken van de temperatuurstijgingstrend van de ringhoofdeenheid krijgen en de meest toepasbare methode vinden om de nodige basis en onderzoeksideeën te bieden voor een strategie om de temperatuurstijging van de ringhoofdeenheid te verminderen.
Protocol
1. Uitvoering
OPMERKING: Vanwege de complexe structuur van de ringhoofdeenheid (Figuur 1A) is gekozen voor online ontwerpsoftware om de bediening van de ringhoofdeenheid te vereenvoudigen.
- Vereenvoudiging van de modellering
- Vereenvoudig het model gedeeltelijk, waarbij het luchtkastgedeelte van de RMU behouden blijft en andere componenten zoals isolatieassen, bevestigingsbouten, moeren, afdichtingscomponenten en druksteunbeugels worden verwijderd of vereenvoudigd. De vereenvoudigde versie is weergegeven in (Figuur 1B).
- Tijdens het vereenvoudigen van de hoofdeenheid van de ring van het 630A-type, verwijdert u de geïsoleerde as die de stroomonderbrekerkamer verbindt met de instrumentenkast en vele vaste bouten en moeren. Verwijder de afdichtingsonderdelen en de drukbehoudende beugel en verbind de statische contacten van de geïsoleerde statische balk met de onderste aftakrail onder de premisse om ervoor te zorgen dat de hele opstelling dezelfde geleidende stroom heeft en dat alleen de vacuümstroomonderbreker, de bevestigingsplaat van de stroomonderbreker en de statische contacten en de vacuümstroomonderbreker behouden blijven.
- Bewaar alleen de vacuümstroomonderbreker, de bevestigingsplaat van de stroomonderbreker, het statische contact en de blokkeerplaat van de vacuümstroomonderbreker. Verwijder in het algemeen bouten en pakkingen van het model, vul de gaten na het verwijderen van de bouten met vaste stoffen, verminder het aantal gaasonderdelen en optimaliseer de onregelmatige vormen van de onderdelen. Verwijder instrumenten voor paneelbediening, montageplaten, beugels en andere bedieningsonderdelen, zoals instrumentendozen, die geen effect hebben op het simulatieproces van de temperatuurstijging.
- Het verwijderen van de geïsoleerde behuizingen van sommige componenten kan bij simulatie buiten beschouwing worden gelaten omdat deze weinig effect hebben op de simulatieresultaten. Bovendien verwijderen aardingsschakelaars die geen effect hebben op het gebruik van de apparatuur tijdens normaal bedrijf deze en behouden ze de ruimte voor de stroomonderbreker voor simulatie.
- Om een sectie te verwijderen, selecteert u deze eenvoudig en klikt u op de optie Verwijderen .
- Vereenvoudig het model gedeeltelijk, waarbij het luchtkastgedeelte van de RMU behouden blijft en andere componenten zoals isolatieassen, bevestigingsbouten, moeren, afdichtingscomponenten en druksteunbeugels worden verwijderd of vereenvoudigd. De vereenvoudigde versie is weergegeven in (Figuur 1B).
2. Wervelveld oplossing
- Instellingen voor voorbewerking
OPMERKING: De emulatie van het wervelstroomveld is de basis voor het uitvoeren van de temperatuurveldoplossing, die de daaropvolgende analyse van de opgeloste warmtebron als belasting op het temperatuurveld vereist.- Raadpleeg de documentatie van de apparatuur voor de ringhoofdeenheid en de relevante handleidingen om informatie te verzamelen over de fysieke eigenschappen en parameters van elk onderdeel van de ringhoofdeenheid. Stel de fysieke kenmerken en parameters van de componenten van de ringhoofdeenheid in Maxwell in op basis van de verkregen informatie, zoals beschreven in Tabel 1.
- Stel de wervelstroombelastingsstroom in op 630 A met een frequentie van 50 Hz. Selecteer in de Maxwell-software één kant van de bovenste en onderste uitgaande armen, voer de excitatiemodule in en stel de huidige magnitude in op 630 A. Kies in het gedeelte met oplossingsinstellingen een frequentie van 50 Hz.
NOTITIE: In het geleidende circuit van een ringhoofdeenheid staat het pad dat wordt gevormd door alle componenten van de bovenste uitlaatarm naar de onderste uitlaatarm bekend als de fasevolgorde. Daarom zijn in dit artikel de fasen A, B en C van links naar rechts gerangschikt. - De materiaalparameters van de componenten van de ringhoofdeenheid worden weergegeven in tabel 2.
- Leid de stroom door de uitgaande lijnarmen, flexibele verbindingen, rails, stroomonderbrekers, statische contactondersteuningsrails en aftakrails voor elke fase. Het doel is om een stroompad te realiseren waarmee de componenten de belasting kunnen voltooien.
- Gebruik de adaptieve mazen van Maxwell om de rastercontrole voor het model te voltooien. Gebruik de Maxwell-methode voor adaptieve mesh-partitionering voor grotere componenten en de lokale mesh-verfijning voor kleinere interne componenten.
OPMERKING: Maxwell kan de nauwkeurigheid van het raster tijdens het oplosproces continu verbeteren, waardoor het niet nodig is om op Mesh Operations te klikken voor extra mesh-partitionering. - Stel de grootte van de oplossingsstap in. Klik op Analyse in de modelboom, open de instellingen voor Stap oplossen en stel het Maximum aantal gangen in op 10. Houd andere instellingen op hun standaardwaarden zonder wijzigingen aan te brengen.
- Principe van de berekening van wervelstroomvelden15,16.
- Gebruik de eerste vergelijking van Maxwell, die de werking van lading op het genereren van een elektrisch veldbeschrijft 17.
(1)
waarbij ρ de ladingsdichtheid voorstelt; ε0 staat voor de vacuüm diëlektrische constante. - Gebruik de tweede vergelijking van Maxwell, die de relatie beschrijft tussen een veranderend magnetisch veld en een elektrisch veld en het effect van een magnetisch veld op de beweging van een lading.
(2)
waar
staat voor de magnetische veldsterkte. Deze vergelijking beschrijft dat een variërend magnetisch veld een vortex elektrisch veld produceert, d.w.z. de spin van het vortex elektrische veld is gelijk aan het negatief van de veranderingssnelheid van het magnetische veld met de tijd. - Gebruik de derde vergelijking van Maxwell, die het effect van magnetische lading op de productie van een magnetisch veld beschrijft.
(3)
Deze vergelijking beschrijft het magnetische veld dat wordt geproduceerd door een magnetische lading als passief, d.w.z. er zijn geen monopolen in het magnetische veld. - Gebruik de vierde vergelijking van Maxwell, die de relatie beschrijft tussen een variërend elektrisch veld en een magnetisch veld en het effect van een elektrische stroom op een magnetisch veld.
(4)
waarbij
staat voor de stroomdichtheid en μ0 voor de vacuümpermeabiliteit. Deze vergelijking beschrijft dat een variërend elektrisch veld een vortex magnetisch veld produceert, d.w.z. de spin van het vortex magnetische veld is gelijk aan de som van de stroomdichtheid en de veranderingssnelheid van het elektrische veld met de tijd. - Gebruik op basis van de bovenstaande vergelijkingen de Maxwell 3D-gebruikende wervelstroomoplossermodule om het ohmse verlies op te lossen dat wordt gegenereerd door het geleidende circuit in de RMU, dat een warmtebron vormt voor de daaropvolgende thermische simulatieanalyse. De wiskundige uitdrukking wordt gegeven als18
(5)
waarbij σ de geleidbaarheid van het geleidende lusmateriaal aangeeft; J is de stroomdichtheid in de lus.
- Gebruik de eerste vergelijking van Maxwell, die de werking van lading op het genereren van een elektrisch veldbeschrijft 17.
- Resultaten van de berekening
- Klik op de Maxwell 3D-optie in de interface en open de validatiecontrole om alle instellingen op fouten te controleren. Als er geen fouten zijn, klikt u op Alles analyseren om het oplossingsproces te starten.
- Gebruik de nabewerkingscalculator van Maxwell om de ohmse verliezen in het wervelstroomveld van de ringhoofdeenheid te berekenen en uit te zetten, zoals weergegeven in tabel 3.
3. Oplossing voor temperatuurveld
OPMERKING: Verdeel voor vergelijkingsdoeleinden het temperatuurveld in Icepak en steady state thermisch. Stel ze elk afzonderlijk in en los ze op om tot een vergelijkende analyse te komen.
- Opstelling van het Icepak-model
- Stel de materiaaleigenschappen als volgt in: alle vaste materialen van het circuit aanduiden als Cu-Pure, met oppervlakken met Cu-gepolijst oppervlak. Selecteer voor de paneelcomponenten aluminium6061-T6-materiaal , met een oppervlaktecoating van Paint-AL-oppervlak met een emissiviteit van 0,35. Zie tabel 4 voor details. Klik met de rechtermuisknop op de geselecteerde component, klik op Bewerken en ga vervolgens naar Eigenschappen om het materiaal voor zowel het oppervlak als de vaste materialen in te stellen.
- Selecteer het model en klik op Instellen in het menu Bewerken en kies vervolgens Multilevel meshing Level om de mesh-instellingen aan te passen. Stel de externe kast in op een maasniveau van 2 en alle grenzen op een maasniveau van 2. Voor alle andere componenten stelt u het maasniveau in op 3. Open ten slotte het besturingselement Mazen en klik op Genereren om de mazen te maken.
- Om de nauwkeurigheid en efficiëntie van de simulatie te garanderen, ongeacht de grootte van het net, is validatie van de netonafhankelijkheid noodzakelijk. Importeer het geometrische model van de temperatuurveldbehuizing, opgesteld met behulp van de ontwerpsoftware voor meshing.
- Zoals weergegeven in figuur 2 zijn de polarisatiecurven van de vier rastersets goed op elkaar afgestemd. Bij een werkspanning van 0,5 V zijn de stroomdichtheden voor de vier netsets respectievelijk 2,357 A/cm2, 2,358 A/cm2, 2,356 A/cm2 en 2,454 A/cm2, waarbij de fout tussen de maximale en stroomdichtheid minder dan 1% bedraagt. Om efficiëntie en nauwkeurigheid in evenwicht te brengen, bepaalt u de rastergrootte die wordt 987924.
- Oplossing instellen
- Stel de richtingen van het oplossingsdomein Kast in op Openen.
- Selecteer in de software Probleemstap. Controleer onder Basisparameters het Oppervlakte-tot-Oppervlakte-stralingsmodel, kies Nulvergelijking voor turbulent stromingsregime, selecteer de optie Zwaartekracht voor Natuurlijke convectie en stel de omgevingstemperatuur in op 20 °C.
- Kies in de Bestandsinstellingen de optie Volumetrische warmteverliezen voor EM-mapping en selecteer Alle getoonde objecten om de verliesinstellingen te voltooien.
- Berekening van het temperatuurveld
- Pas in icepak drie belangrijke behoudsvergelijkingen voor energie toe: massabehoudsvergelijking, impulsbehoudsvergelijking en energiebehoudsvergelijking. Gebruik in het bijzonder de impulsbehoudsvergelijking, die als volgt is19:
(6)
Vergelijking voor energiebesparing:
(7)
Vergelijkingen voor massabehoud:
(8)
Energieoverdrachtsvergelijking voor warmteoverdracht van een vaste warmtebron:
(9)
ρ staat voor de dichtheid van de vloeistof; v vertegenwoordigt de stroomsnelheidsvector; T staat voor de temperatuur; p is de druk; τ is de stroperige kracht op het oppervlak van de micrometaboliet; κ is de warmteoverdrachtscoëfficiënt; Shis de warmtebron van het lichaam; H is de specifieke enthalpie van de vloeistof en F is de lichaamskracht van de micrometaboliet.
OPMERKING: De resultaten van de berekeningen van het temperatuurveld worden weergegeven in Figuur 3A en Figuur 4A.
- Pas in icepak drie belangrijke behoudsvergelijkingen voor energie toe: massabehoudsvergelijking, impulsbehoudsvergelijking en energiebehoudsvergelijking. Gebruik in het bijzonder de impulsbehoudsvergelijking, die als volgt is19:
- Opstelling van het steady-state thermische model
- Behoud de materiaaleigenschappen zoals vermeld in Tabel 3 in de materiaalinstellingen. Genereer de ohmse verliezen die het gevolg zijn van de simulatieanalyse van het wervelstroomveld in de Steady State Thermal-module door te klikken op Thermische belastingsgeneratie .
- Klik op de convectietemperatuurwaarde en stel deze in op 20 °C, met een convectiecoëfficiënt van 5 (W/m²°C) toegepast op de binnenwanden van de kast, componenten en externe kast. Pas de instellingen toe en genereer. Stel de uitvoer in om de temperatuur op te lossen door op Solve > Output Results te klikken.
OPMERKING: Het belangrijkste temperatuurveld dat de vergelijkingen in het principe van het steady-state thermische temperatuurveld berekening 20,21,22 beheerst, is meestal afgeleid van de wet van warmtegeleiding (de wet van Fourier van warmtegeleiding). In het eendimensionale geval kan de warmteoverdrachtsvergelijking van het temperatuurveld worden uitgedrukt als20:
(10)
In deze vergelijking vertegenwoordigt T de temperatuur in het object, t is tijd, x is ruimtelijke coördinaten en α is de thermische diffusiteit. Deze vergelijking beschrijft de variatie van temperatuur met betrekking tot tijd en ruimte, waarbij de rechterkant de relatie tussen warmtegeleidingssnelheid en temperatuurgradiënt uitdrukt. In een algemener driedimensionaal scenario kan de warmtegeleidingsvergelijking voor het temperatuurveld als volgt worden uitgedrukt:
(11)
ρ staat voor de dichtheid van het object, c voor de specifieke warmtecapaciteit, K voor de thermische geleidbaarheid en Q voor de warmtebronterm binnen het volume. Deze vergelijking beschrijft de variatie van het temperatuurveld, beïnvloed door warmtegeleiding, warmtebronnen en thermische capaciteit. - De berekeningsresultaten van het temperatuurveld worden weergegeven in figuur 3. Vergelijk de temperatuurwaarden samengevat in Tabel 5 en Tabel 6.
Resultaten
Op basis van de gegevens in tabel 3 kunnen de volgende conclusies worden getrokken: De totale verliezen voor fase A, B en C zijn relatief vergelijkbaar. Concreet zijn de totale verliezen voor fase A 16.063 W/m³, fase B is 16.12 W/m³ en fase C is 19.57 W/m³. De locaties met hogere verliezen kunnen zich bij de aansluitingen van verschillende componenten bevinden. Dit komt vooral omdat er op deze verbindingspunten meestal contactweerstand en geleiderweerstand bestaan. Wanneer stroom door deze verbindingen gaat, wordt er veel warmte gegenereerd, wat leidt tot een stijging van de temperatuur en hogere verliezen in die gebieden.
De bovenste en onderste uitgaande armen van de ringhoofdeenheid dragen enkele verliezen, vooral bij het dragen van de hoofdlast. De verliezen in de uitgaande takken van de drie fasen zijn ongeveer hetzelfde. Dit komt omdat dit deel van de stroom relatief geconcentreerd is, en door de regelmatige vorm is de weerstandswaarde klein. Daarom zijn de verliezen in deze delen ongeveer gelijk.
De verliezen in de aftakkingsrail zijn relatief hoog, voornamelijk door de vele bochten en de aanwezigheid van schuine secties. Het grootste deel van de stroom is geconcentreerd in het bochtgebied en in de buurt van de hoeken. Afgezien van het vacuümgedeelte van de stroomonderbreker zijn de verliezen in het koperen buisgedeelte van de rail ook relatief hoog, in totaal 22,32 W/m³, goed voor 40% van de totale ohmse verliezen van de drie fasen. De verliezen in het statische contactgedeelte zijn relatief klein in vergelijking met de totale verliezen.
Andere componenten, zoals de vaste plaat van de stroomonderbreker, het schot van de stroomonderbreker en de buitenschaal van de ringhoofdeenheid, hebben kleinere verliezen. Omdat ze niet direct deelnemen aan de belasting, worden hun verliezen voornamelijk gegenereerd door de interne componenten door geleiding, wat resulteert in kleinere verlieswaarden. In nabewerkingsberekeningen zijn de verliezen van deze componenten niet bijzonder gedetailleerd. Samenvattend zijn de belangrijkste kenmerken van de verliesverdeling geschetst, wat waardevolle inzichten oplevert voor verdere ontwerpoptimalisatie.
Door de resultaten van Figuur 3 en Figuur 4 te combineren, samen met Tabel 5 en Tabel 6, werd een grondige vergelijking gemaakt van de resultaten van de temperatuurveldoplossing tussen de Icepak- en Steady-state Thermal-modules. In het analyseproces werden verschillen en overeenkomsten waargenomen tussen de twee modules.
In het temperatuurbereik van 20-31,24 °C, zoals weergegeven in figuur 2A, zijn de gebieden met hogere temperaturen geconcentreerd in de gebieden waar de RMU-behuizing in contact komt met de interne componenten. De belangrijkste reden is dat deze contactgebieden doorgaans dienen als kritieke paden voor warmtegeleiding. Tijdens bedrijf genereren de interne componenten warmte, die via de contactvlakken met een goede thermische geleidbaarheid naar de behuizing wordt geleid, waardoor de temperatuur in deze regio's stijgt. Deze gebieden omvatten de contactpunten van de bovenste uitgaande lijnarm en de delen van de onderste uitgaande lijnarm die in contact komen met de nabijgelegen schaal, met een temperatuurbereik van ongeveer 24-27 °C. Vergeleken met figuur 3B is het opwarmingsbereik van de schelpen in beide gevallen ongeveer hetzelfde, en de temperatuurveranderingen verspreiden zich van de hotspots naar de koelere gebieden. Bij bestudering van figuur 4A,B zijn de algemene temperatuurtrends in beide gevallen ook ongeveer vergelijkbaar. De primaire bron van temperatuurstijging is de warmtegeleiding door de onderste uitgaande lijnarm, die door de interne geleiders gaat en afvoert van de bovenste uitgaande lijnarm. De opwarmingstrend concentreert zich in gebieden dicht bij de onderste uitgaande lijnarm, inclusief de aftakkingsrails van elke fase en de aangesloten ondersteunende rails. Bovendien blijkt uit de observatie van de temperatuurverdeling in de interne circuits in figuur 4, of het nu gaat om Icepak of de Steady-state Thermal-module voor het oplossen, dat de totale temperatuur van fase B consistent hoger is dan de andere twee fasen. Dit suggereert voornamelijk dat fase B tijdens het belastingsproces niet alleen de warmte draagt die wordt gegenereerd door de stroom van die fase, maar ook, vanwege de te compacte interne structuur van de RMU, de warmte die door elke fase wordt geproduceerd niet snel kan worden afgevoerd. Door de uitwisseling van warmte blijft de temperatuur van fase B hoger dan de andere twee fasen, ongeacht de gebruikte oplosser. De algemene temperatuurtrends vertonen ook een hoge mate van gelijkenis, waarbij de belangrijkste temperatuurstijging het gevolg is van de warmtegeleiding door de onderste uitgaande lijnarm en de afvoer van warmte door de bovenste uitgaande lijnarm. Deze trend lijkt zeer consistent te zijn tussen de twee modules. Bovendien zijn de posities van de hotspots in de temperatuurverdelingskaarten van beide modules zeer consistent. Met name in het aftakkingsrailgedeelte van fase C vertonen beide oplossers dezelfde hoogste temperatuur en zijn de verschillen bijna verwaarloosbaar. Dit houdt in dat, ongeacht de gebruikte oplosser, een nauwkeurige identificatie van de heetste temperatuurposities cruciaal is voor het thermisch beheer van de RMU.
Ten tweede is uit de tabel te zien dat dezelfde stroom hetzelfde verlies veroorzaakt, maar dat de temperatuurwaarde van elke fasecomponent in Tabel 6 over het algemeen lager is dan die in Tabel 5; de temperatuurwaarde van de aftakkingsbus in het hotspotgebied van de gehele RMU is bijvoorbeeld de hoogste temperatuur in tabel 6 met 30,91 °C, en aan de andere kant is de hoogste temperatuur van de aftakbus in tabel 5 31,24 °C. De reden is de oplossingslogica van Icepak: de RMU als warmtebron zal warmte blijven uitwisselen en warmte afvoeren, en wanneer een vloeistof wordt ingesteld als medium voor warmteoverdracht, zal de temperatuur in het oplossingsdomein geleidelijk door het medium worden uitgezonden, wat resulteert in een temperatuurdaling. De Steady-state Thermal-module legt minder nadruk op warmteconvectie met de omringende lucht en richt zich in plaats daarvan op een op warmtegeleiding gebaseerde oplossing. Vergeleken met modellen die rekening houden met convectie, resulteert deze benadering in een minder uitgebreide oplossing voor het temperatuurveld. Bijgevolg worden in gebieden waar de temperatuur hoger is, hotspots meer uitgesproken. Tijdens de daadwerkelijke temperatuurstijgingstest wordt niet alleen rekening gehouden met de kenmerken van het model zelf, maar wordt bij warmteoverdracht ook rekening gehouden met de invloed van warmteafvoermedium, zoals lucht, enz., op de totale temperatuur. Gecombineerd met de praktische behoeften en experimentele bedieningsoverwegingen, blijft de RMU als warmtebron warmteconvectie en warmteafvoer uitvoeren; De temperatuursimulatie van Icepak sluit beter aan bij de werkelijke behoeften. In het geval dat de ringhoofdeenheid wordt gebruikt als warmtebron met continue warmteconvectie en dissipatie, is de temperatuursimulatie van icepak meer in overeenstemming met de praktische behoeften. Integendeel, de steady-state thermische module richt zich voornamelijk op warmtegeleiding, die in sommige gevallen misschien niet aan de werkelijke behoeften kan voldoen.
Afbeelding 1: Model van de hoofdeenheid van de ring. (A) Algemeen model van de hoofdeenheid van de ring (B) Vereenvoudigd model van de hoofdeenheid van de ring. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Polarisatiecurven voor vier sets mazen. Maxwell adaptieve mazen worden gebruikt voor grotere onderdelen en lokale mazenverfijning worden gebruikt voor kleinere onderdelen. In ontwerpsoftware wordt een vereenvoudigd 3D-model van de ringhoofdkast gemaakt en geïmporteerd in Maxwell, en het model wordt in elkaar gezet met behulp van de Mesh-module. De figuur vertegenwoordigt de verificatie van de modelrasters. De stroomdichtheid van de vier groepen netten is 2,357 A/cm2, 2,358 A/cm2, 2,356 A/cm2 en 2,354 A/cm2 onder de spanningsbelasting, en de relatieve fout tussen de maximale stroomdichtheid en de minimale stroomdichtheid is minder dan 1%, en om rekening te houden met de efficiëntie en nauwkeurigheid van de berekeningen, Het uiteindelijke aantal roosters wordt bepaald op 1169091. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Analysemodel voor het temperatuurveld van de buitenkast. (A) Temperatuurverdeling van de schaal met Icepak-oplossing. (B) Temperatuurverdeling van de schaal met steady-state thermische oplossing. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Analysemodel voor het temperatuurveld van het interne circuit. (A) Temperatuurverdeling van de geleidende lus met Icepak-oplossing (B) Temperatuurverdeling van de geleidende lus met steady-state thermische oplossing. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Materiaal | Lucht | Gegalvaniseerde staalplaat | Koper | Aluminium | ||
| Specifieke warmtecapaciteit (J/(kg· K)) | 1007 | 500 | 500 | 897 | ||
| Dichtheid (kg/m³) | 1.1614 | 8030 | 8900 | 2689 | ||
| Relatieve permeabiliteit | 1 | 0.3 | 0.9999991 | / | ||
| Relatieve magnetische permeabiliteit | 1 | 2500 | 1 | 1 | ||
| Thermische geleidbaarheid (W/(m·K)) | 0.026 | 16 | 386 | 237 | ||
| Emissiviteit | / | 0.65 | 0.3 | 0.1 | ||
| Elektrische geleidbaarheid (S/m) | / | 0.8 | 5.80E+07 | / | ||
Tabel 1: Fysische parameters van sommige materialen in de hoofdeenheid van de ring.
| Onderdelen | Relatieve permeabiliteit | Geleidbaarheid(en) | Materiaal |
| Stroomvoerende circuits (rail, aftakbare rail, enz.) | 0 | 3,00,00,000 | Aluminium legering |
| Vacuüm stroomonderbreker | 0.9999 | 2,00,00,000 | Koperlegeringen |
| Lichaam | 200 | 11,00,000 | Constructiestaal |
Tabel 2: Lijst van materialen voor elk onderdeel.
| Ohms verlies W/m³ | Een | B | C |
| Uit laat wapen | 3.78 | 3.72 | 3.73 |
| Tak rail: | 2.1 | 2.09 | 2.1 |
| Flexibele verbinding | 1.3 | 1.3 | 1.3 |
| Vacuüm stroomonderbreker | 1.023 | 0.95 | 0.98 |
| Statische contacten | 0.36 | 0.36 | 0.36 |
| Feeder rail | 1.33 | 1.35 | 1.32 |
| Koperen buizen voor aftakkingen rails | 6.19 | 6.35 | 9.78 |
Tabel 3: Ohmische verlieswaarden voor fase A-, B- en C-componenten.
| Getal | 1 | 2 |
| Materia | Aluminium6061-T6 | Cu-Puur |
| Thermische geleidbaarheid (W/m·K) | 167 | 387.6 |
| Dichtheid (kg/m³) | 8933 | 2700 |
| Specifieke warmtecapaciteit/(kg· K) | / | 896 |
| Materiaal van het oppervlak | Paint-AL oppervlak | Cu-Gepolijst oppervlak |
| Emissiviteit | 0.35 | 0.052 |
Tabel 4: Instellingen materiaalparameter.
| Temperatuur bewakingspunt/temperatuur (°C) | Een | B | C |
| Bovenste uitlaatarm | 25.48 | 25.79 | 25.63 |
| Hoofd stroomrail | 25.93 | 26.28 | 26.13 |
| Tak rail: | 29 | 29.18 | 30.01 |
| Tak busbar koperen buis | 31.04 | 31.18 | 31.24 |
| Onderste uitlaatarm | 26.5 | 26.98 | 26.92 |
Tabel 5: Temperatuurwaarden van elke fase van de ringhoofdeenheid onder de module voor het oplossen van het stabiele thermische temperatuurveld.
| Temperatuur bewakingspunt/temperatuur (°C) | Een | B | C |
| Bovenste uitlaatarm | 23.73 | 23.82 | 23.81 |
| Hoofd stroomrail | 25.15 | 25.17 | 25.35 |
| Tak rail: | 27.76 | 28.04 | 29.07 |
| Tak busbar koperen buis | 28.42 | 29.31 | 30.91 |
| Onderste uitlaatarm | 24.95 | 24.85 | 26.33 |
Tabel 6: Temperatuurwaarden op bewakingspunten van elke fase van de ringkast onder de Icepak temperatuurveldoplossingsmodule
Discussie
Dit artikel is een vergelijkende simulatieanalyse van de temperatuurstijging van de ringkast op basis van technische modelleringssoftware en eindige-elementensoftware, en de meest geschikte oplossing voor de werkelijke temperatuurstijgingssituatie wordt geanalyseerd door twee eindige-elemententemperatuurveldoplossingsmodules. Thermisch beheer wordt in Icoz23 ook beschreven als een cruciaal en essentieel onderdeel voor het handhaven van de hoge efficiëntie en betrouwbaarheid van elektronische componenten. Het belang van het uitvoeren van een vergelijkende analyse wordt samengevat door gebruik te maken van het werk in Steiner24: een vergelijkende analyse is uitgevoerd met behulp van COMSOL en ANSYS Mechanical. Daarom kan tijdens het vervaardigen van de werkelijke RMU de temperatuurverdeling worden geanalyseerd door eindige simulatiesoftware, wat aanzienlijk kan besparen op mankracht en productiekosten.
Het driedimensionale model van de RMU kan worden gemaakt met behulp van SolidWorks, zoals weergegeven in figuur 1A. In stap 1.1 wordt de vereenvoudiging van het model benadrukt als een cruciale stap in de eindige-elementenanalyse23. Gezien de talrijke componenten van de RMU, die van invloed kunnen zijn op de nauwkeurigheid van de oplossing en de berekeningsresultaten, worden onnodige onderdelen verwijderd nadat alleen de geleidende componenten in overweging zijn genomen. De belangrijkste werkende delen blijven behouden, zoals geïllustreerd in figuur 1B.
In de voorbewerkingsfase van het wervelstroomveld is een cruciaal aspect de toevoeging en verificatie van de belastingsexcitatie. Zoals beschreven in stap 2.1, is het essentieel om de belastingsstroom nauwkeurig toe te voegen aan de bovenste en onderste uitgaande armen, om ervoor te zorgen dat het gehele geleidende circuit een pad voor de stroom vormt. Dit vergemakkelijkt de berekening van de verdelingswolkkaart van het wervelstroomveld. De moeilijkheid ligt in de noodzaak om het circuit te controleren voordat de oplossing wordt berekend, omdat een onvolledig stroompad in het circuit kan leiden tot niet-convergentie tijdens het oplossen of situaties waarin Maxwell niet kan rekenen. De daaropvolgende analyse van het temperatuurveld is volledig gebaseerd op de verliezen die worden verkregen door het oplossen van dit wervelstroomveld, waardoor de inspectie van het stroompad een noodzakelijke stap is.
In de temperatuurveldoplossing presenteert stap 3 twee verschillende modules voor het oplossen van het model. Het waarborgen van identieke begincondities tijdens het oplossingsproces vormt echter een uitdaging. Aangezien de modules verschillende accenten hebben in hun oplossingen, is het noodzakelijk om identieke omgevingstemperaturen, convectieve coëfficiënten en andere oplossende voorwaarden te benaderen of in te stellen om consistentie te garanderen onder de unieke warmtebron die door Maxwell wordt geleverd. Bovendien maakt het consistent regelen van de intervallen voor de temperatuurveldoplossing in beide modellen een directe vergelijking van temperatuurweergaven voor dezelfde componenten in hetzelfde temperatuurbereik mogelijk, waardoor verschillen in de oplossingen worden benadrukt en intuïtieve conclusies worden vergemakkelijkt.
Dit artikel presenteert een innovatieve methode voor het nauwkeurig meten en analyseren van de temperatuurverdeling van elektrische apparatuur tijdens bedrijf. Deze studie gaat in op de uitdaging om ohmse verliezen nauwkeurig te meten met traditionele methoden en maakt gebruik van de Maxwell-wervelstroomoplosser voor nauwkeurige berekeningen, die vervolgens als basis dient voor het oplossen van het temperatuurveld. Vervolgens wordt de module voor het oplossen van temperatuurvelden gebruikt om de temperatuurverdeling van elk onderdeel visueel weer te geven, waardoor de efficiëntie en nauwkeurigheid van technische tests aanzienlijk worden verbeterd. De nieuwigheid van dit artikel ligt niet alleen in het bieden van een efficiënte methode voor het oplossen van het temperatuurveld, maar ook in het demonstreren hoe deze resultaten kunnen worden gebruikt voor structurele optimalisatie en analyse van warmteafvoer. Dit biedt nieuwe technische middelen voor het ontwerp en de optimalisatie van elektrische apparatuur. Er waren echter beperkingen in het onderzoeksproces en in toekomstige werkzaamheden zal verder onderzoek worden gedaan op de volgende gebieden. Ten eerste modelverfijning en multi-field koppeling. Het model zal verder worden verfijnd om de thermische eigenschappen van de ringnetwerkkast tijdens daadwerkelijk gebruik nauwkeurig weer te geven. Ten tweede, het bestuderen van voorbijgaande temperatuurvelden. Er zal diepgaand onderzoek worden gedaan naar de temperatuurveldveranderingen van de ringnetwerkkast onder wisselende belastingsomstandigheden om extra ondersteuning te bieden voor de stabiele werking van de ringnetwerkkast in complexe bedrijfsomstandigheden.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben geen tegenstrijdige belangen.
Dankbetuigingen
De auteurs bedanken de heer Wu, MS Sun, de heer Wang, de heer Mu en de heer Li voor hun hulp. Deze studie werd ondersteund door de China Postdoctoral Science Foundation (2022M721604) en de Wenzhou Key Science and Technology Tackling Programmer (ZG2023015).
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Lucht | / | / | Conventionele gassen |
| Aluminium | / | / | Legeringmaterialen |
| Koper | / | / | Legeringmaterialen |
| Icepak | ANSYS-bedrijf | ANSYS 2021R1 | Een CFD thermische simulatiesoftware |
| PC-hosting | / | 12e generatie Intel(R) Core(TM) i5-13500F CPU | Hostcomputerapparatuur |
| SolidWorks | Dochteronderneming van Dassault Systemes | SolidWorks2021 | Een technische softwaretekentool |
| Thermisch stationair | ANSYS-bedrijf | ANSYS 2021R1 | Een thermische simulatie-oplossingstool |
Referenties
- Xia, H., et al. Temperature rise test and analysis of high current switchgear in distribution system. J Engg. , 754-757 (2019).
- Polykrati, A. D., Karagiannopoulos, C. G., Bourkas, P. D. Thermal effect on electric power network components under short-circuit currents. Electric Power Syst Res. 72 (3), 261-267 (2004).
- Guan, X., Shu, N., Kang, B., Zou, M. Multiphysics analysis of plug-in connector under steady and short circuit conditions. IEEE Trans Comp Packag Manu Technol. 5 (3), 320-327 (2015).
- Wang, L., Wang, R., Li, X., Jia, S. Simulation analysis on the impact of different filling gases on the temperature rise of C-GIS. IEEE Trans Comp Packag Manu Technol. 9 (10), 2055-2065 (2019).
- Mueller, A., et al. Numerical design and optimization of a novel heatsink using ANSYS steady-state thermal analysis. 2020 27th International Workshop on Electric Drives: MPEI Department of Electric Drives 90th Anniversary (IWED. , 1-5 (2020).
- Wang, Y., Yan, J., Yang, Z., Zhao, Y., Liu, T. Optimizing GIS partial discharge pattern recognition in the ubiquitous power internet of things context: A MiNET deep learning model). Int J Electrical Power Energy Sys. 125, 106484(2021).
- Lei, J., et al. A 3-D steady-state analysis of thermal behavior in. EHV GIS Busbar. J Electr Engg Tech. 11 (3), 781-789 (2016).
- Ouerdani, Y., et al. Temperature rise simulation model of RMU with switchfuse combinations for future load profiles. CIRED 2021 - The 26th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution. , 360-364 (2021).
- Zheng, W., Jia, X., Zhou, Z., Yang, J., Wang, Q. Multi-physical field coupling simulation and thermal design of 10 kV-KYN28A high-current switchgear. Thermal Sci Engg Prog. 43, 101954(2021).
- Wang, L., et al. Electromagnetic-thermal-flow field coupling simulation of 12-kV medium-voltage switchgear. IEEE Trans Comp Packag Manufact Technol. 6 (8), 1208-1220 (2016).
- Zhu, Y., et al. Thermal analysis and design of GaN device of energy storage converter based on Icepak. 2022 4th International Conference on Smart Power & Internet Energy Systems (SPIES. , 762-767 (2022).
- Ye Mao, Thermal simulation of high-current switch cabinet based on Icepak). Electr Ener Mgmt Technol. , 1-7 (2018).
- Zhang, S. Evaluation of thermal transient and overload capability of high-voltage bushings with ATP. IEEE Trans Power Delivery. 24 (3), 1295-1301 (2009).
- Ghahfarokhi, P. S., et al. Steady-state thermal model of a synchronous reluctance motor. 2018 IEEE 59th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON. , 1-5 (2018).
- Şeker, E. A., Çelik, B., Yildirim, D., Sakaci, E. A., Deniz, A. Temperature field and power loss calculation with coupled simulations for a medium-voltage simplified switchgear). Electrica. 23 (1), 107-120 (2021).
- Ruibo, Y., et al. Research and application of temperature load of switchgear. J Physics: Conf Series. 2378 (2022), (2022).
- Sheikholeslami, M., Khalili, Z. Simulation for impact of nanofluid spectral splitter on efficiency of concentrated solar photovoltaic thermal system. Sust Cities Soc. 101, 105139(2024).
- Sheikholeslami, M., Khalili, Z., Scardi, P., Ataollahi, N. Environmental and energy assessment of photovoltaic-thermal system combined with a reflector supported by nanofluid filter and a sustainable thermoelectric generator. J Cleaner Prod. 438, (2024).
- Sheikholeslami, M., Khalili, Z. Solar photovoltaic-thermal system with novel design of tube containing eco-friendly nanofluid. Renewable Ener. , 222(2024).
- Sheikholeslami, M., Khalili, Z. Environmental and energy analysis for photovoltaic-thermoelectric solar unit in existence of nanofluid cooling reporting CO2 emission reduction. J Taiwan Inst Chem Eng. 156, 105341(2024).
- Zhao, L., et al. Research on the temperature rise characteristics of medium-voltage switchgear under different operation conditions. IEEJ Trans Elect Electr Engg. 17 (5), 654-664 (2022).
- Fjeld, E., Rondeel, W., Vaagsaether, K., Attar, E. Influence of heat source location on air temperatures in sealed MV switchgear. CIRED - 24th International Conference on Electricity Distribution. , 1-5 (2017).
- Icoz, T., Arik, M. Light weight high performance thermal management with advanced heat sinks and extended surfaces. IEEE Trans Comp Pack Technol. 33 (1), 161-166 (2010).
- Steiner, T. R. High temperature steady-state experiment for computational radiative heat transfer validation using COMSOL. and ANSYS. Results Engg. 13, 100354(2022).
Herprints en machtigingen
