Ten artykuł omawia problem wzrostu temperatury w pierścieniowej jednostce głównej, ustanawiając uproszczony model i przeprowadzając analizę porównawczą w dwóch modułach rozwiązywania problemów z temperaturą.
Artykuł metodologiczny
Badanie porównawcze symulacji wzrostu temperatury w pierścieniowej jednostce głównej
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
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.
Wprowadzenie
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.
Protokół
1. Model
UWAGA: Ze względu na złożoną strukturę rozdzielnicy pierścieniowej (Ryc. 1A), wybrano oprogramowanie projektowe online, aby uprościć obsługę rozdzielnicy pierścieniowej.
- Uproszczenie modelowania
- Uprość częściowo model, zachowując sekcję skrzynki powietrznej RMU, przy jednoczesnym usunięciu lub uproszczeniu innych komponentów, takich jak wały izolacyjne, śruby mocujące, nakrętki, elementy uszczelniające oraz wsporniki podtrzymujące ciśnienie. Uproszczona wersja przedstawiona jest na (Rycina 1B).
- W procesie upraszczania pierścieniowej stacji rozdzielczej typu 630A należy usunąć izolowany wał łączący komorę wyłącznika z skrzynką aparatury oraz liczne śruby i nakrętki mocujące. Należy wyjąć elementy uszczelniające oraz wspornik ciśnieniowy i połączyć styki statyczne izolowanej szyny statycznej z dolną szyną odgałęźną, przy zapewnieniu, że cały układ posiada taki sam prąd przewodzenia, zachowując jedynie wyłącznik próżniowy, płytę mocującą wyłącznika, styki statyczne oraz wyłącznik próżniowy.
- Pozostaw tylko wyłącznik próżniowy, płytę mocującą wyłącznika, kontakt statyczny oraz płytę blokującą wyłącznika próżniowego. W całym modelu usuń śruby i uszczelki, wypełnij ciała stałe w otworach pozostałych po usunięciu śrub, ogranicz liczbę elementów siatkowych oraz zoptymalizuj nieregularne kształty części. Usuń instrumenty do obsługi panelu, płyty montażowe, wsporniki i inne elementy operacyjne, takie jak obudowy aparatury, które nie mają wpływu na proces symulacji wzrostu temperatury.
- Można pominąć izolowane obudowy niektórych komponentów podczas symulacji, ponieważ mają one niewielki wpływ na jej wyniki. Ponadto należy usunąć przełączniki uziemiające, które nie wpływają na użytkowanie sprzętu podczas normalnej pracy, i zachować w symulacji miejsce na wyłącznik obwodu.
- Aby usunąć dowolną sekcję, wystarczy ją zaznaczyć i kliknąć Usuń opcja
- Uprość częściowo model, zachowując sekcję skrzynki powietrznej RMU, przy jednoczesnym usunięciu lub uproszczeniu innych komponentów, takich jak wały izolacyjne, śruby mocujące, nakrętki, elementy uszczelniające oraz wsporniki podtrzymujące ciśnienie. Uproszczona wersja przedstawiona jest na (Rycina 1B).
2. Roztwór pola wirowego
- Ustawienia wstępnego przetwarzania
UWAGA: Emulacja pola prądów wirowych stanowi podstawę do wyznaczenia rozkładu pola temperatury, co wymaga przeprowadzenia późniejszej analizy obliczonego źródła ciepła jako obciążenia pola temperatury.- Należy zapoznać się z dokumentacją techniczną oraz odpowiednimi instrukcjami obsługi rozdzielnicy pierścieniowej, aby zebrać informacje na temat właściwości fizycznych i parametrów każdego z jej komponentów. Na podstawie uzyskanych informacji należy zdefiniować atrybuty fizyczne i parametry komponentów rozdzielnicy pierścieniowej w programie Maxwell, zgodnie ze szczegółami opisanymi w Tabela 1.
- Ustaw prąd obciążenia pola prądów wirowych na 630 A przy częstotliwości 50 Hz. W oprogramowaniu Maxwell wybierz Jedna strona górnego i dolnego ramienia odpływowego, wejdź do modułu wzbudzenia i ustaw wartość natężenia prądu na 630 A. W sekcji ustawień roztworu wybierz częstotliwość wynoszącą 50 Hz.
UWAGA: W obwodzie przewodzącym rozdzielnicy pierścieniowej ścieżka utworzona przez wszystkie komponenty od górnego ramienia odpływowego do dolnego ramienia odpływowego jest znana jako sekwencja faz. W związku z tym w niniejszej pracy fazy A, B i C są rozmieszczone od lewej do prawej strony. - Parametry materiałowe komponentów pierścieniowej stacji rozdzielczej przedstawiono w Tabela 2.
- Kieruj prąd przez ramiona linii odpływowych, połączenia elastyczne, szyny zbiorcze, wyłączniki obwodów, szyny wsporcze kontaktów statycznych oraz szyny odgałęźne dla każdej fazy. Celem jest stworzenie ścieżki przepływu prądu, która umożliwi komponentom przeniesienie obciążenia.
- Wykorzystaj adaptacyjną siatkę Maxwella w celu zrealizowania pełnej kontroli siatki dla modelu. Zastosuj metodę partycjonowania adaptacyjnej siatki Maxwella dla większych komponentów oraz lokalne zagęszczenie siatki dla mniejszych komponentów wewnętrznych.
UWAGA: Maxwell może stale zwiększać precyzję siatki podczas procesu rozwiązywania, co eliminuje konieczność klikania Operacje na siatkach do dodatkowego podziału siatki. - Ustaw krok rozwiązania. Kliknij w Analiza w drzewie modelu otwórz ustawienia kroku Solve i ustaw Maksymalną Liczbę Przejść (Maximum Number of Passes) na 10. Pozostałe ustawienia pozostaw bez zmian, zachowując ich wartości domyślne.
- Zasada obliczania pola prądów wirowych15,16.
- Należy zastosować pierwsze równanie Maxwella, które opisuje wpływ ładunku na generowanie pola elektrycznego.17.
(1)
gdzie ρ reprezentuje gęstość ładunku; ε0 reprezentuje przenikalność elektryczną próżni. - Należy wykorzystać drugie równanie Maxwella, które opisuje zależność między zmiennym polem magnetycznym a polem elektrycznym, oraz wpływ pola magnetycznego na ruch ładunku.
(2)
gdzie
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. - Należy skorzystać z trzeciego równania Maxwella, które opisuje wpływ ładunku magnetycznego na powstawanie pola magnetycznego.
(3)
Równanie to opisuje pole magnetyczne generowane przez ładunek magnetyczny jako pasywne, co oznacza, że w polu magnetycznym nie występują monopole. - Należy zastosować czwarte równanie Maxwella, które opisuje zależność między zmiennym polem elektrycznym a polem magnetycznym oraz wpływ prądu elektrycznego na pole magnetyczne.
(4)
gdzie
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. - Na podstawie powyższych równań, przy użyciu modułu Eddy current solver w programie Maxwell 3D, należy obliczyć straty omowe generowane przez obwód przewodzący w RMU, które stanowią źródło ciepła dla następczej analizy symulacji termicznej. Jego wyrażenie matematyczne jest następujące:18
(5)
gdzie σ oznacza przewodność materiału pętli przewodzącej; J to gęstość prądu w pętli.
- Należy zastosować pierwsze równanie Maxwella, które opisuje wpływ ładunku na generowanie pola elektrycznego.17.
- Wyniki obliczeń
- Kliknij w Maxwell 3D opcja w interfejsie i otwórz okno weryfikacji, aby sprawdzić wszystkie ustawienia pod kątem błędów. Jeśli nie wystąpią żadne błędy, kliknij Analizuj wszystko aby rozpocząć proces rozwiązywania.
- Wykorzystaj kalkulator do przetwarzania danych po symulacji w programie Maxwell, aby obliczyć i wykreślić straty omowe w polu prądów wirowych w rozdzielni pierścieniowej, jak pokazano w Tabela 3.
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.
- Konfiguracja modelu Icepak
- Ustaw właściwości materiałowe w następujący sposób: wszystkie materiały stałe obwodu wyznacz jako Cu-Pure, a powierzchnie jako Cu-polished-surface. Dla elementów panelu wybierz materiał Aluminum6061-T6 z powłoką powierzchniową Paint-AL o emisyjności 0,35. Szczegóły znajdują się w Tabeli 4. Kliknij prawym przyciskiem myszy na Selected Component, wybierz Edit, a następnie przejdź do Properties, aby ustawić materiał zarówno dla powierzchni, jak i dla materiałów stałych.
- Wybierz model i kliknij Set w menu Edit, następnie wybierz Multilevel Meshing Level, aby dostosować ustawienia siatki. Dla zewnętrznej obudowy ustaw poziom siatki na 2, a dla wszystkich granic poziom siatki na 2. Dla wszystkich pozostałych komponentów ustaw poziom siatki na 3. Na koniec otwórz Mesh control i kliknij Generate, aby stworzyć siatkę.
- Aby zapewnić dokładność i efektywność symulacji niezależnie od rozmiaru siatki, niezbędna jest walidacja niezależności siatki. Zaimportuj model geometryczny obudowy pola temperatury, stworzony przy użyciu oprogramowania projektowego do generowania siatek.
- Jak pokazano na Rysunku 2, krzywe polaryzacyjne dla czterech zestawów siatek są dobrze dopasowane. Przy napięciu roboczym 0,5 V gęstości prądu dla czterech zestawów siatek wynoszą odpowiednio 2,357 A/cm2, 2,358 A/cm2, 2,356 A/cm2 i 2,454 A/cm2, a błąd między maksymalną a aktualną gęstością prądu wynosi mniej niż 1%. Aby zrównoważyć efektywność i dokładność, wyznacz rozmiar siatki, który w tym przypadku wynosi 987924.
- Konfiguracja rozwiązania
- Ustaw kierunki domeny rozwiązania Cabinet na Opening.
- W oprogramowaniu wybierz Problem Step. W sekcji Basic Parameters zaznacz Surface-to-Surface Radiation Model, wybierz Zero Equation dla Turbulent Flow Regime, zaznacz opcję Gravity dla Natural Convection i ustaw temperaturę otoczenia na 20 °C.
- W ustawieniach pliku (File settings) wybierz Volumetric Heat Losses dla EM Mapping oraz zaznacz All Objects Shown, aby zakończyć ustawienia strat.
- Obliczanie pola temperatury
- W programie icepak zastosuj trzy główne równania zachowania energii: równanie zachowania masy, równanie zachowania pędu i równanie zachowania energii. W szczególności zastosuj równanie zachowania pędu, które ma następującą postać19:
(6)
Równanie zachowania energii:
(7)
Równania zachowania masy:
(8)
Równanie transportu energii dla przekazywania ciepła z ciała stałego będącego źródłem ciepła:
(9)
ρ oznacza gęstość płynu; v oznacza wektor prędkości przepływu; T oznacza temperaturę; p to ciśnienie; τ to siła lepkości na powierzchni mikro-metabolitu; κ to współczynnik przenikania ciepła; Sh to źródło ciepła wewnątrz ciała; h to entalpia właściwa płynu, a F to siła objętościowa mikro-metabolitu.
UWAGA: Wyniki obliczeń pola temperatury przedstawiono na Rysunku 3A oraz Rysunku 4A.
- W programie icepak zastosuj trzy główne równania zachowania energii: równanie zachowania masy, równanie zachowania pędu i równanie zachowania energii. W szczególności zastosuj równanie zachowania pędu, które ma następującą postać19:
- Konfiguracja stanu ustalonego modelu termicznego
- Zachowaj właściwości materiałowe zgodnie z Tabelą 3 w ustawieniach materiałów. Wygeneruj straty omowe wynikające z analizy symulacji pola prądów wirowych w module Steady State Thermal, klikając generowanie Thermal Load.
- Kliknij Convective Temperature Value i ustaw ją na 20 °C, stosując współczynnik konwekcyjny 5 (W/m²°C) do wewnętrznych ścian obudowy, komponentów oraz zewnętrznej obudowy. Zastosuj ustawienia i wygeneruj wynik. Ustaw wyjście na obliczanie temperatury, klikając Solve > Output Results.
UWAGA: Główne równania sterujące polem temperatury w obliczeniach pola temperatury w stanie ustalonym20,21,22 zazwyczaj wywodzą się z prawa przewodzenia ciepła (prawo Fouriera). W przypadku jednowymiarowym równanie przekazywania ciepła w polu temperatury można zapisać jako20:
(10)
W tym równaniu T oznacza temperaturę wewnątrz obiektu, t to czas, x to współrzędne przestrzenne, a α to dyfuzyjność cieplna. Równanie to opisuje zmienność temperatury w czasie i przestrzeni, gdzie prawa strona wyraża zależność między szybkością przewodzenia ciepła a gradientem temperatury. W bardziej ogólnym scenariuszu trójwymiarowym równanie przewodzenia ciepła dla pola temperatury można zapisać w następującej formie:
(11)
ρ oznacza gęstość obiektu, c to właściwa pojemność cieplna, K to przewodność cieplna, a Q to wyraz źródła ciepła wewnątrz objętości. Równanie to opisuje zmienność pola temperatury pod wpływem przewodzenia ciepła, źródeł ciepła i pojemności termicznej. - Wyniki obliczeń pola temperatury przedstawiono na Rysunku 3. Porównaj wartości temperatury podsumowane w Tabeli 5 i Tabeli 6.
Wyniki
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 generowane jest znaczne ciepło, co prowadzi do wzrostu temperatury i wyższych strat w tych obszarach.
Górne i dolne ramiona odprowadzające jednostki pierścieniowej rozdzielnicy generują pewne straty, zwłaszcza podczas przenoszenia głównego obciążenia. Straty w ramionach odprowadzających dla trzech faz są w przybliżeniu takie same. Dzieje się tak, ponieważ ta część prądu jest stosunkowo skoncentrowana, a ze względu na regularny kształt wartość rezystancji jest mała. W związku z tym straty w tych elementach są w przybliżeniu równe.
Straty w szynodziere w odgałęzieniu są stosunkowo wysokie, co wynika przede wszystkim z licznych zgięć oraz obecności sekcji kątowych. Większość prądu koncentruje się w obszarze zgięć i w pobliżu narożników. Poza sekcją próżniowego wyłącznika, straty w miedzianej części rurki szynowodu są również stosunkowo wysokie i wynoszą łącznie 22,32 W/m³, co stanowi 40% całkowitych strat omowych trzech faz. Straty w części kontaktu statycznego są stosunkowo niewielkie w porównaniu ze stratami całkowitymi.
Inne komponenty, takie jak płyta mocowania wyłącznika, przegroda wyłącznika oraz obudowa zewnętrzna rozdzielnicy pierścieniowej, charakteryzują się mniejszymi stratami. Ponieważ nie uczestniczą one bezpośrednio w obciążeniu, ich straty są generowane głównie przez komponenty wewnętrzne poprzez przewodzenie, co skutkuje niższymi wartościami strat. W obliczeniach w przetwarzaniu końcowym straty tych komponentów nie są szczegółowo analizowane. Podsumowując, zarysowano główne charakterystyki rozkładu strat, co dostarcza cennych informacji dla dalszej optymalizacji projektu.
Łącząc wyniki z Ryciny 3 i Ryciny 4, wraz z Tablicą 5 i Tablicą 6, przeprowadzono szczegółowe porównanie wyników rozwiązania pola temperatury pomiędzy modułami Icepak i Steady-state Thermal. W procesie analizy zaobserwowano różnice i podobieństwa między oboma modułami.
W zakresie temperatur od 20-31,24 °C, jak pokazano na Rysunku 2A, obszary o wyższej temperaturze są skoncentrowane w regionach, w których obudowa RMU styka się z komponentami wewnętrznymi. Głównym powodem jest fakt, że obszary styku te zazwyczaj służą jako krytyczne ścieżki przewodzenia ciepła. Podczas pracy komponenty wewnętrzne generują ciepło, które jest przewodzone do obudowy poprzez powierzchnie styku o dobrej przewodności cieplnej, co powoduje wzrost temperatury w tych regionach. Obszary te obejmują punkty styku górnego ramienia linii odchodzącej oraz części dolnego ramienia linii odchodzącej w kontakcie z pobliską obudową, z zakresem temperatur wynoszącym około 24-27 °C. W porównaniu z Rysunkiem 3B, zakres nagrzewania obudów w obu przypadkach jest w przybliżeniu taki sam, a zmiany temperatury rozprzestrzeniają się z punktów krytycznych (hotspotów) do obszarów chłodniejszych. Analizując Rysunek 4A,B, ogólne trendy temperatury w obu przypadkach są również zbliżone. Głównym źródłem wzrostu temperatury jest przewodnictwo cieplne poprzez dolne ramię linii odchodzącej, które przechodzi przez wewnętrzne przewodniki i rozprasza się z górnego ramienia linii odchodzącej. Tendencja nagrzewania jest skoncentrowana w obszarach blisko dolnego ramienia linii odchodzącej, w tym w szynach odgałęźnych każdej fazy i połączonych z nimi szynach wsporczych. Ponadto, z obserwacji rozkładu temperatury w obwodach wewnętrznych na Rysunku 4 wynika, że niezależnie od zastosowania programu Icepak czy modułu Steady-state Thermal do obliczeń, ogólna temperatura Fazy B jest konsekwentnie wyższa niż w pozostałych dwóch fazach. Sugeruje to przede wszystkim, że Faza B podczas procesu obciążenia nie tylko znosi ciepło generowane przez prąd tej fazy, ale także, ze względu na zbyt zwartą strukturę wewnętrzną RMU, ciepło wytwarzane przez każdą fazę nie może zostać szybko rozproszone. W wyniku wymiany ciepła temperatura Fazy B pozostaje wyższa niż w pozostałych dwóch fazach, niezależnie od użytego solvera. Ogólne trendy temperatury wykazują również wysoki stopień podobieństwa, przy czym główny wzrost temperatury wynika z przewodzenia ciepła przez dolne ramię linii odchodzącej i rozpraszania ciepła z górnego ramienia linii odchodzącej. Tendencja ta wydaje się być bardzo spójna między oboma modułami. Co więcej, położenie punktów krytycznych na mapach rozkładu temperatury w obu modułach jest wysoce zgodne. W szczególności w sekcji szyny odgałęźnej Fazy C oba solvery wskazują tę samą najwyższą temperaturę, a różnice są niemal pomijalne. Oznacza to, że niezależnie od zastosowanego solvera, dokładna identyfikacja miejsc o najwyższej temperaturze jest kluczowa dla zarządzania termicznego RMU.
Po drugie, z tabeli wynika, że ten sam prąd powoduje takie same straty, jednak wartość temperatury każdego komponentu fazowego w Tabela 6 jest zazwyczaj niższa niż w Tabela 5; na przykład wartość temperatury szyny odgałęźnej w obszarze punktu krytycznego całej jednostki RMU jest najwyższą temperaturą w Tabela 6 w 30.91 °C, a z drugiej strony, najwyższa temperatura szyny odgałęźnej w Tabela 5 jest 31.24 °CWynika to z logiki rozwiązań programu Icepak: RMU jako źródło ciepła stale wymienia i odprowadza ciepło, a gdy płyn zostanie zdefiniowany jako medium przenoszenia ciepła, temperatura w obszarze rozwiązania będzie stopniowo emitowana poprzez to medium, co prowadzi do spadku temperatury. Moduł Steady-state Thermal kładzie mniejszy nacisk na konwekcję ciepła z otaczającym powietrzem, koncentrując się zamiast tego na rozwiązaniu opartym na przewodnictwie cieplnym. W porównaniu z modelami uwzględniającymi konwekcję, podejście to skutkuje mniej kompleksowym rozwiązaniem pola temperatur. W konsekwencji w obszarach o wyższej temperaturze punkty przegrzania stają się bardziej wyraźne. W procesie rzeczywistego testu wzrostu temperatury, oprócz uwzględnienia charakterystyki samego modelu, przekazywanie ciepła bierze pod uwagę jednocześnie wpływ medium odprowadzającego ciepło, takiego jak powietrze itd., na temperaturę całkowitą. Biorąc pod uwagę praktyczne potrzeby i kwestie operacyjne podczas eksperymentu, RMU jako źródło ciepła stale przeprowadza konwekcję i odprowadzanie ciepła; symulacja temperatury w programie Icepak jest zatem bardziej zgodna z rzeczywistymi potrzebami. W przypadku, gdy jednostka pierścieniowa służy jako źródło ciepła z ciągłą konwekcją i odprowadzaniem ciepła, symulacja temperatury w Icepak lepiej odpowiada praktycznym wymaganiom. Przeciwnie, moduł Steady-state Thermal koncentruje się głównie na przewodnictwie cieplnym, co w niektórych przypadkach może nie spełniać rzeczywistych potrzeb.
Rysunek 1: Model pierścieniowej jednostki głównej (RMU). (A) Ogólny model pierścieniowej jednostki głównej (B) Uproszczony model pierścieniowej jednostki głównej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rycina 2: Krzywe polaryzacyjne dla czterech zestawów siatek. Do większych części zastosowano adaptacyjne siatkowanie Maxwell, a do mniejszych części lokalne zagęszczenie siatki. W oprogramowaniu projektowym stworzono uproszczony model 3D szafy rozdzielczej pierścieniowej, który zaimportowano do programu Maxwell, a następnie wykonano siatkowanie modelu przy użyciu modułu Mesh. Rycina przedstawia weryfikację siatek modelu. Gęstość prądu dla czterech grup siatek przy obciążeniu napięciem wynosi odpowiednio 2,357 A/cm2, 2,358 A/cm2, 2,356 A/cm2 oraz 2,354 A/cm2, a błąd względny między maksymalną a minimalną gęstością prądu jest mniejszy niż 1%. Aby uwzględnić wydajność i dokładność obliczeń, końcową liczbę elementów siatki ustalono na 1169091. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.
Rysunek 3: Model analizy pola temperatury zewnętrznej obudowy. (A) Rozkład temperatury obudowy z rozwiązaniem Icepak. (B) Rozkład temperatury obudowy z rozwiązaniem stanu ustalonego (Steady-state thermal solution). Aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.
Rysunek 4: Model analizy pola temperatury wewnętrznego obwodu. (A) Rozkład temperatury pętli przewodzącej z rozwiązaniem Icepak (B) Rozkład temperatury pętli przewodzącej z rozwiązaniem stanu ustalonego (Steady-state thermal solution). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
| Materiał | Powietrze | Blacha stalowa ocynkowana | Miedź | Aluminium | ||
| ciepło właściwe (J/(kg·K)) | 1007 | 500 | 500 | 897 | ||
| Gęstość (kg/m³) | 1.1614 | 8030 | 8900 | 2689 | ||
| Przenikalność względna | 1 | 0.3 | 0.9999991 | / | ||
| Względna przenikalność magnetyczna | 1 | 2500 | 1 | 1 | ||
| Przewodność cieplna (W/(m·K)) | 0.026 | 16 | 386 | 237 | ||
| Emisyjność | / | 0.65 | 0.3 | 0.1 | ||
| Przewodność elektryczna (S/m) | / | 0.8 | 5.80E+07 | / | ||
Tabela 1: Parametry fizyczne niektórych materiałów w rozdzielnicy pierścieniowej.
| Komponenty | Przenikalność względna | Przewodność/s | Materiały |
| Obwody przewodzące prąd (szyna zbiorcza, szyna odgałęźna itp.) | 0 | 3,00,00,000 | Stop aluminium |
| Przełącznik próżniowy | 0.9999 | 2,00,00,000 | Stopy miedzi |
| Organizm | 200 | 11,00,000 | Stal konstrukcyjna |
Tabela 2: Lista materiałów dla każdego komponentu.
| Straty omowe W/m³ | A | B | C |
| Ramię wylotowe | 3.78 | 3.72 | 3.73 |
| Szyna odgałęźna | 2.1 | 2.09 | 2.1 |
| Połączenie elastyczne | 1.3 | 1.3 | 1.3 |
| Wyłącznik próżniowy | 1.023 | 0.95 | 0.98 |
| Koniakty statyczne | 0.36 | 0.36 | 0.36 |
| Szyna zasilająca | 1.33 | 1.35 | 1.32 |
| Rury miedziane dla szyn odgałęźnych | 6.19 | 6.35 | 9.78 |
Tabela 3: Wartości strat omowych dla komponentów fazy A, B i C.
| Numer | 1 | 2 |
| Materiał | Aluminum6061-T6 | Cu-Pure |
| Przewodność cieplna (W/m·K) | 167 | 387.6 |
| Gęstość (kg/m³) | 8933 | 2700 |
| Kojąca pojemność cieplna/(kg·K) | / | 896 |
| Materiał powierzchni | Powierzchnia lakierowana AL | Powierzchnia miedziana polerowana |
| Emisyjność | 0.35 | 0.052 |
Tabela 4: Ustawienia parametrów materiałowych.
| Punkt monitorowania temperatury/temperatura (°C) | A | B | C |
| Górne ramię wylotowe | 25.48 | 25.79 | 25.63 |
| Główna szyna zbiorcza | 25.93 | 26.28 | 26.13 |
| Szyna odgałęźna | 29 | 29.18 | 30.01 |
| Miedziana szyna zbiorcza odgałęźna | 31.04 | 31.18 | 31.24 |
| Dolne ramię wylotowe | 26.5 | 26.98 | 26.92 |
Tabela 5: Wartości temperatury każdej fazy rozdzielnicy pierścieniowej w module rozwiązywania stacjonarnego pola temperatury termicznej.
| Punkt monitorowania temperatury/temperatura (°C) | A | B | C |
| Górne ramię wylotowe | 23.73 | 23.82 | 23.81 |
| Główna szyna zbiorcza | 25.15 | 25.17 | 25.35 |
| Szyna zbiorcza odgałęźna | 27.76 | 28.04 | 29.07 |
| Rozdzielcza szyna miedziana | 28.42 | 29.31 | 30.91 |
| Dolne ramię wylotowe | 24.95 | 24.85 | 26.33 |
Tabela 6: Wartości temperatury w punktach monitorowania każdej fazy szafy pierścieniowej w module rozwiązywania pola temperatury Icepak
Dyskusja
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 komponentów elektronicznych. Znaczenie przeprowadzenia analizy porównawczej podsumowano, opierając się na pracy Steinera24: analiza porównawcza została przeprowadzona przy użyciu COMSOL i ANSYS Mechanical. Dlatego w procesie produkcji rzeczywistego RMU jego rozkład temperatury może być analizowany przez skończone oprogramowanie symulacyjne, co może znacznie zaoszczędzić siłę roboczą i koszty produkcji.
Trójwymiarowy model RMU można utworzyć za pomocą SolidWorks, jak pokazano na rysunku 1A. W kroku 1.1 uproszczenie modelu jest podkreślone jako kluczowy krok w analizie elementów skończonych23. Biorąc pod uwagę liczne elementy RMU, które mogą mieć wpływ na dokładność rozwiązania i wyniki obliczeń, niepotrzebne części są usuwane po uwzględnieniu tylko elementów przewodzących. Główne części robocze są zachowane, jak pokazano na rysunku 1B.
Na etapie wstępnego przetwarzania pola prądów wirowych krytycznym aspektem jest dodanie i weryfikacja wzbudzenia obciążenia. Jak opisano w kroku 2.1, konieczne jest dokładne dodanie prądu obciążenia do górnego i dolnego ramienia odpływowego, upewniając się, że cały obwód przewodzący tworzy ścieżkę dla prądu. Ułatwia to obliczenie mapy chmur dystrybucyjnych pola prądów wirowych. Trudność polega na konieczności sprawdzenia obwodu przed obliczeniem rozwiązania, ponieważ niekompletna ścieżka prądowa w obwodzie może prowadzić do braku zbieżności podczas rozwiązywania lub sytuacji, w których Maxwell nie może obliczyć. Późniejsza analiza pola temperatury opiera się całkowicie na stratach uzyskanych w wyniku rozwiązania tego pola prądów wirowych, co sprawia, że inspekcja ścieżki prądu jest niezbędnym krokiem.
W rozwiązaniu pola temperatury, Krok 3 przedstawia dwa różne moduły do rozwiązywania modelu. Wyzwaniem jest jednak zapewnienie identycznych warunków początkowych podczas procesu rozwiązywania. Ponieważ moduły mają różne akcenty w swoich rozwiązaniach, konieczne jest przybliżenie lub ustawienie identycznych temperatur otoczenia, współczynników konwekcji i innych warunków rozwiązania, aby zapewnić spójność w ramach unikalnego źródła ciepła dostarczanego przez Maxwella. Co więcej, kontrolowanie interwałów dla roztworu pola temperatury w obu modelach w celu uzyskania spójności pozwala na bezpośrednie porównanie wyświetlaczy temperatury dla tych samych komponentów w tym samym zakresie temperatur, podkreślając różnice w rozwiązaniach i ułatwiając intuicyjne wyciąganie wniosków.
W artykule przedstawiono innowacyjną metodę dokładnego pomiaru i analizy rozkładu temperatur urządzeń elektrycznych podczas pracy. Podejmując wyzwanie precyzyjnego pomiaru strat omowych tradycyjnymi metodami, w badaniu tym wykorzystano solwer prądów wirowych Maxwella do dokładnych obliczeń, który następnie służy jako podstawa do rozwiązania pola temperatury. Następnie moduł rozwiązywania problemów w polu temperaturowym służy do wizualnego przedstawiania rozkładu temperatury każdego komponentu, co znacznie zwiększa wydajność i dokładność testów inżynierskich. Nowatorstwo tego artykułu polega nie tylko na przedstawieniu skutecznej metody rozwiązywania pola temperatury, ale także na zademonstrowaniu, jak wykorzystać te wyniki do optymalizacji strukturalnej i analizy rozpraszania ciepła. Oferuje to nowe środki techniczne do projektowania i optymalizacji urządzeń elektrycznych. Wystąpiły jednak ograniczenia w procesie badawczym, a w przyszłych pracach dalsze badania będą prowadzone w następujących obszarach. Po pierwsze, udoskonalenie modelu i sprzężenie wielopolowe. Model będzie dalej udoskonalany, aby dokładnie odzwierciedlić charakterystykę termiczną szafy sieci pierścieniowej podczas rzeczywistej pracy. Po drugie, badanie pól temperatur przejściowych. Przeprowadzone zostaną dogłębne badania nad zmianami pola temperaturowego szafy sieci pierścieniowej w zmiennych warunkach obciążenia, aby zapewnić dodatkowe wsparcie dla stabilnej pracy szafy sieci pierścieniowej w złożonych warunkach pracy.
Oświadczenia
Autorzy nie mają sprzecznych interesów.
Podziękowania
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).
Materiały
| 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 |
Bibliografia
- 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).
Przedruki i uprawnienia
