Ten artykuł omawia problem wzrostu temperatury w pierścieniowej jednostce głównej, ustanawiając uproszczony model i przeprowadzając analizę porównawczą w dwóch modułach rozwiązywania problemów z temperaturą.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Ten artykuł omawia problem wzrostu temperatury w pierścieniowej jednostce głównej, ustanawiając uproszczony model i przeprowadzając analizę porównawczą w dwóch modułach rozwiązywania problemów z temperaturą.
Jednostka główna pierścienia (RMU) jest krytycznym urządzeniem w systemach dystrybucji energii, używanym do podłączania i dystrybucji elektryczności. Jednak ze względu na zwartą strukturę wewnętrzną i wysokie obciążenie prądowe, problemy z rozpraszaniem ciepła są szczególnie widoczne. Aby rozwiązać ten problem, w niniejszym badaniu w innowacyjny sposób zaproponowano uproszczony model RMU, wykorzystujący metody symulacji elementów skończonych w celu dokładnego obliczenia strat omowych przewodników w rzeczywistych warunkach pracy i uzyskania danych o stratach omowych dla różnych komponentów. Jest to pierwsze dogłębne badanie problemu wzrostu temperatury w RMU przy użyciu tak kompleksowego podejścia. Następnie pole temperatury zostało rozwiązane przy użyciu dwóch różnych modułów analizy pola temperatury, ze szczegółowym porównaniem i analizą wyników symulacji w celu zidentyfikowania podobieństw, różnic i trendów w rozkładzie temperatury. Wyniki wskazują, że model rozwiązania pola temperaturowego, który uwzględnia konwekcyjne przenoszenie ciepła, jest dokładniejszy i zgodny z rzeczywistymi warunkami pracy. Badania te zapewniają innowacyjne podejście i praktyczne rozwiązania w zakresie projektowania i optymalizacji jednostek RMU. Przyszłe badania mogą przyczynić się do dalszego zbadania metod analizy sprzężeń wielofizycznych w celu rozwiązania problemów związanych z projektowaniem konstrukcyjnym i obowiązkową walidacją dla wysoko- i ultrawysokonapięciowych jednostek RMU oraz innych urządzeń elektrycznych, dostarczając w ten sposób ważnych informacji dla projektowania inżynieryjnego.
Główna jednostka pierścieniowa to grupa rozdzielnic wysokiego napięcia zamontowanych w stalowej metalowej szafie lub wykonanych z zmontowanego zespołu zasilającego sieć z rozmieszczonym pierścieniem elektrycznym. Ogólna struktura wyłącznika obciążenia i obwodu przewodzącego składa się z obwodu przewodzącego, który zawiera szereg elementów składających się na główny rdzeń jednostki pierścieniowej. Jednak ze względu na zwartą strukturę wewnętrzną, jednostka główna pierścienia stoi przed wyzwaniami związanymi z rozpraszaniem ciepła. Może to prowadzić do deformacji termicznej i starzenia się podczas pracy przez dłuższy czas w środowiskach o wysokiej temperaturze. Kwestie te wpływają nie tylko na żywotność urządzenia, ale także na jego właściwości izolacyjne, stwarzając zagrożenie dla bezpieczeństwa. W szczególności coraz bardziej prawdopodobne stają się uszkodzenia sprzętu i wypadki elektryczne, co stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa.
W różnych obszarach badawczych, uczeni przeprowadzili serię badań nad wzrostem temperatury rozdzielnic linii napowietrznych i przeanalizowali różne czynniki wpływające na rozkład temperatury1. W Polykrati et al.2 przedstawiono model matematyczny służący do szacowania wzrostu temperatury komponentów zainstalowanych w sieci dystrybucyjnej podczas zwarcia zwarciowego. Model zastosowano do wspólnych rozłączników sieci, a charakterystyki wyników wykreślono zgodnie z różnymi postaciami asymetrycznej części przebiegu prądu zwarciowego i wartości początkowej składowej zwarciowego prądu stałego. Z drugiej strony, Guan i in. wzięli pod uwagę rezystancję styku i odpychanie elektromagnetyczne, budując równoważny mostek kontaktowy w celu symulacji interfejsu kontaktowego i dalej analizowali pole sprzężenia elektromagnetyczno-termicznego i eksperyment ze wzrostem temperatury3. Ponadto naukowcy zbadali pole temperatury i rozkład naprężeń termicznych styków dynamicznych i statycznych wewnątrz pierścieniowej jednostki głównej za pomocą symulacji elementów skończonych, która stanowiła podstawę do badania żywotności wyłącznika4. Wreszcie, Mueller i in. skupili się na charakterystyce geometrycznej radiatorów i ocenili wpływ wyboru materiałów, całkowitej powierzchni, jednorodności temperatury i maksymalnej temperatury powierzchni na wydajność cieplną5. Badania te dostarczają cennych informacji i metod poprawy wydajności i niezawodności rozdzielnic, zmniejszenia wzrostu temperatury i wydłużenia żywotności sprzętu. Wang i in. zaproponowali model głębokiego uczenia (MDLM) w środowisku UPIOT w celu wykrywania diagnostyki usterek elektrycznych szaf pierścieniowych, który został zweryfikowany pod kątem dokładności identyfikacji na poziomie 99,1%, co jest znacznie wyższe niż w przypadku innych metod6. Lei i in. badali wydajność cieplną szyny zbiorczej GIS w stanie ustalonym przy użyciu metody analizy sprzężenia magneto-płyn-termiczna, optymalizując w ten sposób średnicę przewodu i zbiornika na podstawie wyników symulacji wzrostu temperatury7. Ouerdani i in. wykorzystali model symulacji wzrostu temperatury RMU do określenia wzrostu temperatury w krytycznych miejscach wewnątrz RMU, ustalając w ten sposób czas trwania maksymalnego przeciążenia komponentów wewnątrz RMU odpowiednio8. Zheng i wsp. opisali konwencjonalną prostokątną szynę zbiorczą w modelu rozdzielnicy wysokoprądowej, budując model dwuwymiarowy i stosując metodę elementów skończonych (MES) do obliczeń pola elektromagnetycznego. Umożliwiło to uzyskanie rozkładu gęstości prądu i strat mocy przewodu magistrali. Nieregularna szyna zbiorcza została zaprojektowana po uwzględnieniu efektów efektu zbliżeniowego i efektu skórnego. Ta nieregularna konstrukcja szyny zbiorczej poprawiła wydajność konwencjonalnej prostokątnej szyny zbiorczej9.
Jeśli chodzi o aspekt korzystania z symulacji icepak, Wang i in. przeprowadzili symulację wzrostu temperatury za pomocą teorii pola wirowego, pola przepływu powietrza i pola temperatury i stwierdzili, że wzrost temperatury głównej jednostki pierścieniowej był poważniejszy w warunkach naturalnej konwekcji. Udało im się zmniejszyć poziom wzrostu temperatury, dodając wymuszone chłodzenie powietrzem i wprowadzając ulepszenia w wewnętrznej strukturze kontaktów10. Zhu et al.11 użyli icepak do symulacji modelu termicznego w celu porównania wpływu obecności przelotek termicznych na płytce drukowanej i obecności radiatorów na temperaturę urządzeń zasilających. Na koniec analiza teoretyczna jest porównywana z wynikami symulacji w celu zweryfikowania poprawności analizy teoretycznej. Mao et al.12 badali temperaturę i rozkład wewnętrznego przepływu powietrza w letnich warunkach pracy za pomocą symulacji termicznej opartej na oprogramowaniu CAE w symulacji icepak. Przedstawiono problem, w jaki sposób poprawić wydajność chłodzenia i kontrolować wzrost temperatury wielu posrebrzanych styków, a kontury temperatury i wewnętrznego przepływu powietrza uchwycone w symulacji stworzą podstawy do zaprojektowania schematu chłodzenia dla sześciu posrebrzanych styków zamontowanych w jednostce uszczelniającej. I odwrotnie, w przypadku stosowania modułu termicznego w stanie ustalonym, Zhang13 Omówiono metody modelowania w celu rozwiązania sieci termicznej przepustu wysokociśnieniowego przy użyciu alternatywnej procedury stanów nieustalonych. Wyniki testów i symulacji są dobrze zgodne ze stanami ustalonymi termicznymi i przejściowymi tulei. Wyniki stanów nieustalonych są następnie wykorzystywane do oceny przeciążeniowości przepustu. Vaimann i in.14 opracowali i przeanalizowali analityczny model termiczny synchronicznego silnika reluktancyjnego do przewidywania temperatury jego różnych komponentów i ustawionego całkowitego parametru sieci termicznej.
Ciągły postęp badań nad urządzeniami elektrycznymi, takimi jak główne jednostki pierścieniowe, konwencjonalne testy wzrostu temperatury i metody produkcji są stosunkowo mało efektywne. W związku z tym, wykorzystując technologię elementów skończonych w połączeniu z testami offline, nie tylko rozwiązuje się problemy związane z kosztami projektowania, ale można szybko wprowadzić poprawki i optymalizacje rzeczywistych problemów w oparciu o symulacje. Opierając się na wyżej wymienionych postępach badawczych, rzadko wspomina się o zastosowaniu ANSYS Icepak i sprzężenia termicznego w stanie ustalonym do analizy porównawczej. W związku z tym w protokole opisano badania mechanizmów elementów skończonych, wykorzystano kombinacje numeryczne i morfologiczne w celu ustalenia modelu symulacji wzrostu temperatury elementów skończonych dla obudowy oraz omówiono model symulacji wzrostu temperatury elementów skończonych w oparciu o wyniki dwóch modułów analitycznych, porównując wyniki dwóch modułów symulacyjnych. Poprzez porównanie dwóch modułów symulacyjnych uzyskamy charakterystykę trendu wzrostu temperatury pierścieniowej jednostki głównej i znajdziemy najbardziej odpowiednią metodę, aby zapewnić niezbędną podstawę i pomysły badawcze dla strategii łagodzenia wzrostu temperatury pierścieniowej jednostki głównej.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Model
UWAGA: Ze względu na złożoną strukturę rozdzielnicy pierścieniowej (Ryc. 1A), wybrano oprogramowanie projektowe online, aby uprościć obsługę rozdzielnicy pierścieniowej.
2. Roztwór pola wirowego
(1)
(2)
reprezentuje natężenie pola magnetycznego. Równanie to opisuje fakt, że zmienne pole magnetyczne wytwarza wirowe pole elektryczne, t. j. rotacja pola elektrycznego jest równa wartości ujemnej szybkości zmian pola magnetycznego w czasie.
(3)
(4)
reprezentuje gęstość prądu i μ0 reprezentuje przenikalność próżni. Równanie to opisuje, że zmienne pole elektryczne generuje wirowe pole magnetyczne, t. j. rotacja pola magnetycznego jest równa sumie gęstości prądu i szybkości zmian pola elektrycznego w czasie.
(5)3. Rozwiązanie pola temperatury
UWAGA: W celach porównawczych należy podzielić pole temperatury na Icepak oraz termikę stanu ustalonego. Skonfiguruj i oblicz każdy z nich oddzielnie, aby przeprowadzić analizę porównawczą.
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Na podstawie danych w Tabeli 3 można wyciągnąć następujące wnioski: całkowite straty dla faz A, B i C są do siebie zbliżone. Dokładnie rzecz biorąc, całkowite straty dla fazy A wynoszą 16,063 W/m³, dla fazy B 16,12 W/m³, a dla fazy C 19,57 W/m³. Miejsca o wyższych stratach mogą znajdować się w punktach połączeń poszczególnych komponentów. Wynika to głównie z faktu, że w tych punktach połączeń zazwyczaj występuje rezystancja styku oraz rezystancja przewodnika. Podczas przepływu prądu przez te połączenia g...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Niniejszy artykuł jest porównawczą analizą symulacyjną wzrostu temperatury szafy pierścieniowej w oparciu o oprogramowanie do modelowania inżynierskiego i oprogramowanie elementów skończonych, a najbardziej odpowiednie rozwiązanie dla rzeczywistej sytuacji wzrostu temperatury jest analizowane przez dwa moduły rozwiązań pola temperatury elementów skończonych. Zarządzanie ciepłem jest również opisane w Icoz23 jako krytyczny i niezbędny element utrzymania wysokiej wydajności i niezawodności komponent...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają sprzecznych interesów.
Autorzy dziękują Panu/Pani Wu, Pani Sun, Panu Wang, Panu Mu i Panu Li za pomoc. Badanie to było wspierane przez Chińską Fundację Nauk Podoktoranckich (2022M721604) oraz Wenzhou Key Science and Technology Tackling Programmer (ZG2023015).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Powietrze | / | / | Gazy konwencjonalne |
| Aluminium | / | / | Materiały stopowe |
| Miedź | / | / | Materiały stopowe |
| Icepak | ANSYS firma | ANSYS 2021R1 | A Oprogramowanie do symulacji termicznej CFD |
| Hosting PC | / | Intel(R) Core(TM) i5-13500F 12. generacji CPU | Sprzęt |
| komputerowy hostaSolidWorks | Spółka zależna Dassault Systèmes | , SolidWorks2021 | Narzędzie do rysowania oprogramowania inżynierskiego |
| Termiczna | firma ANSYS | ANSYS 2021R1 | Narzędzie do symulacji termicznej |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.