В данной работе рассматривается проблема повышения температуры кольцевого основного блока путем создания упрощенной модели и проведения сравнительного анализа в двух модулях решения температурных полей.
Методическая статья
Сравнительное исследование моделирования повышения температуры в кольцевом основном блоке
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Кольцевой основной блок (RMU) является критически важным устройством в системах распределения электроэнергии, используемым для подключения и распределения электроэнергии. Однако из-за его компактной внутренней структуры и высокой нагрузки по току проблемы с рассеиванием тепла особенно заметны. Для решения этой проблемы в данном исследовании предлагается упрощенная модель RMU с использованием методов моделирования методом конечных элементов для точного решения омических потерь проводников в реальных условиях эксплуатации и получения данных об омических потерях для различных компонентов. Это первое углубленное исследование проблемы повышения температуры RMU с использованием такого комплексного подхода. Впоследствии температурное поле было решено с помощью двух различных модулей анализа температурного поля с подробным сравнением и анализом результатов моделирования для выявления сходств, различий и тенденций в распределении температуры. Результаты показывают, что модель решения температурного поля, которая учитывает конвективную теплопередачу, является более точной и соответствует фактическим условиям эксплуатации. Это исследование обеспечивает инновационный подход и практические решения для проектирования и оптимизации RMU. Будущие исследования могут быть дополнительно изучены методы анализа мультифизических связей для решения вопросов структурного проектирования и обязательной валидации высоковольтных RMU и другого электрического оборудования, тем самым обеспечивая важную информацию для инженерного проектирования.
Введение
Кольцевой основной блок представляет собой группу высоковольтных распределительных устройств, смонтированных в стальном металлическом шкафу или изготовленных из собранных разнесенных кольцевых сетевых блоков питания электрооборудования. Общая структура переключателя нагрузки и проводящей цепи состоит из проводящей цепи, которая включает в себя ряд компонентов, составляющих основное ядро кольцевого блока. Однако из-за своей компактной внутренней структуры кольцевой основной блок сталкивается с проблемами рассеивания тепла. Это может привести к термической деформации и старению при длительной эксплуатации в условиях высоких температур. Эти проблемы не только влияют на срок службы агрегата, но и влияют на его изоляционные свойства, создавая риски для безопасности. В частности, повышается вероятность повреждения оборудования и несчастных случаев, связанных с электричеством, что создает значительную угрозу безопасности.
В рамках различных областей исследований ученые провели ряд исследований по повышению температуры распределительных устройств воздушных линий и проанализировали различные факторы, влияющиена распределение температуры. В работе Polykrati et al.2 представлена математическая модель для оценки повышения температуры компонентов, установленных в распределительной сети при коротком замыкании. Модель была применена к обычным разъединителям сети, и характеристики результатов были построены в соответствии с различными формами асимметричной части сигнала тока короткого замыкания и начальным значением составляющей постоянного тока короткого замыкания. Гуан и др., с другой стороны, учли контактное сопротивление и электромагнитное отталкивание, построив эквивалентный контактный мост для моделирования контактной границы раздела и далее проанализировали электромагнитно-тепловое поле связи и эксперимент по повышениютемпературы. Кроме того, исследователи исследовали температурное поле и распределение термических напряжений динамических и статических контактов внутри кольцевого основного блока с помощью моделирования методом конечных элементов, что послужило основой дляисследования срока службы автоматических выключателей. Наконец, Мюллер и др. сосредоточились на геометрических характеристиках радиаторов и оценили влияние выбора материала, общей площади поверхности, однородности температуры и максимальной температуры поверхности на тепловыехарактеристики. Эти исследования позволяют получить ценную информацию и использовать методы для повышения производительности и надежности распределительного устройства, снижения повышения температуры и продления срока службы оборудования. Wang et al. предложили модель глубокого обучения MiNET (MDLM) в среде UPIOT с целью обнаружения диагностики неисправностей электрических кольцевых шкафов, точность идентификации которой составила 99,1%, что значительно выше, чем у других методов6. Lei et al. изучили тепловые характеристики шины GIS в стационарном состоянии с использованием метода анализа магнито-жидкостно-термической связи, тем самым оптимизировав диаметр проводника и резервуара наоснове результатов моделирования повышения температуры. Ouerdani et al. использовали имитационную модель повышения температуры RMU для определения повышения температуры в критических точках внутри него, тем самым зафиксировав продолжительность максимальной перегрузки для компонентов внутри RMU соответственно8. Zheng et al. описали обычную прямоугольную шину в модели сильноточного распределительного устройства, построив двумерную модель и применив метод конечных элементов (FEM) для расчетов электромагнитного поля. Это позволило им получить распределение плотности тока проводника шины и потерь мощности. Шина неправильной формы была разработана с учетом эффектов эффекта близости и скин-эффекта. Эта нестандартная конструкция сборных шин улучшила характеристики обычных прямоугольных шин9.
Что касается использования моделирования ледяного дерева, Ван и др. провели моделирование повышения температуры с помощью теорий вихревого поля, поля воздушного потока и температурного поля и обнаружили, что повышение температуры кольцевого основного блока было более серьезным при естественной конвекции. Они успешно снизили уровень повышения температуры, добавив принудительное воздушное охлаждение и улучшив внутреннюю контактную конструкцию10. Zhu et al.11 использовали icepak для моделирования тепловой модели, чтобы сравнить влияние наличия тепловых переходных отверстий на печатной плате и наличия радиаторов на температуру силовых устройств. Наконец, теоретический анализ сравнивается с результатами моделирования для проверки правильности теоретического анализа. Mao et al.12 изучали распределение температуры и внутреннего воздушного потока в летних условиях эксплуатации с помощью теплового моделирования на основе программного обеспечения CAE в моделировании icepak. Поставлена задача о том, как повысить эффективность охлаждения и контролировать повышение температуры нескольких посеребренных контактов, а температурные и внутренние контуры воздушного потока, зафиксированные в ходе моделирования, послужат основой для проектирования схемы охлаждения для шести посеребренных контактов, установленных в уплотнительном узле. И наоборот, при использовании стационарного теплового модуля обсуждаются методы моделирования Чжана13 для решения тепловой сети ввода высокого давления с использованием альтернативной переходной процедуры. Результаты испытаний и моделирования хорошо согласуются с термоустойчивым и переходными состояниями ввода. Затем результаты переходных процессов используются для оценки перегрузочной способности ввода. Vaimann et al.14 разработали и проанализировали аналитическую тепловую модель синхронного реактивного двигателя для прогнозирования температуры его различных компонентов и заданного общего параметра тепловой сети.
В связи с постоянным развитием исследований в области электрооборудования, такого как кольцевые основные блоки, традиционные испытания на повышение температуры и методы производства становятся относительно неэффективными. Таким образом, использование технологии конечных элементов в сочетании с автономными испытаниями позволяет не только решить проблемы стоимости проектирования, но и оперативно внести коррективы и оптимизировать реальные проблемы на основе моделирования. Исходя из упомянутых выше результатов исследований, использование ANSYS Icepak и стационарной термосвязи для сравнительного анализа упоминается редко. Таким образом, в протоколе описывается механизм исследования конечных элементов, используются численные и морфологические комбинации для создания конечно-элементной имитационной модели повышения температуры для корпуса, а также обсуждается конечно-элементная имитационная модель повышения температуры, основанная на результатах двух аналитических модулей путем сравнения результатов двух модулей моделирования. Путем сравнения двух модулей моделирования мы получим характеристики тренда повышения температуры кольцевого основного блока и найдем наиболее применимый метод, чтобы обеспечить необходимую основу и исследовательские идеи для стратегии смягчения повышения температуры кольцевого основного блока.
Протокол
1. Модель
ПРИМЕЧАНИЕ: Из-за сложной структуры кольцевого основного блока (Рисунок 1A) для упрощения эксплуатации кольцевого основного блока было выбрано программное обеспечение для онлайн-проектирования.
- Упрощение моделирования
- Частично упростите модель, сохранив секцию воздушной камеры RMU и удалив или упростив другие компоненты, такие как изоляционные валы, крепежные болты, гайки, уплотнительные компоненты и кронштейны опоры давления. Упрощенная версия показана на рисунке 1B.
- В процессе упрощения кольцевого основного блока типа 630А снимите изолированный вал, соединяющий помещение автоматического выключателя с ящиком для приборов, а также множество неподвижных болтов и гаек. Снимите уплотнительные детали и кронштейн, поддерживающий давление, и соедините статические контакты изолированного статического луча с нижней ответвительной шиной при условии, что вся установка имеет одинаковый ток проводимости и только вакуумный выключатель, фиксирующая пластина автоматического выключателя, статические контакты и вакуумный выключатель.
- Оставьте только вакуумный выключатель, фиксирующую пластину автоматического выключателя, статический контакт и блокировочную пластину вакуумного выключателя. В целом, удалите болты и прокладки из модели, заполните отверстия после удаления болтов твердыми частицами, уменьшите количество сетчатых деталей и оптимизируйте неправильные формы деталей. Снимите приборы для работы на панели, монтажные пластины, кронштейны и другие рабочие детали, такие как ящики для приборов, которые не влияют на процесс моделирования повышения температуры.
- Снятие изолированных корпусов некоторых компонентов может быть проигнорировано при моделировании, так как они мало влияют на результаты моделирования. Кроме того, заземляющие выключатели, которые не влияют на использование оборудования во время нормальной работы, удаляют их и сохраняют помещение автоматического выключателя для моделирования.
- Чтобы удалить любой раздел, просто выберите его и нажмите на опцию «Удалить ».
- Частично упростите модель, сохранив секцию воздушной камеры RMU и удалив или упростив другие компоненты, такие как изоляционные валы, крепежные болты, гайки, уплотнительные компоненты и кронштейны опоры давления. Упрощенная версия показана на рисунке 1B.
2. Решение для вихревых полей
- Настройки предварительной обработки
ПРИМЕЧАНИЕ: Эмуляция вихретокового поля является основой для выполнения решения температурного поля, которое требует последующего анализа решенного источника тепла как нагрузки на температурное поле.- Обратитесь к документации по оборудованию для кольцевого основного блока и соответствующим руководствам для сбора информации о физических свойствах и параметрах каждого компонента кольцевого основного блока. Установите физические характеристики и параметры компонентов кольцевого основного блока в Maxwell на основе полученной информации, как подробно описано в таблице 1.
- Установите ток вихретокового поля нагрузки на 630 А с частотой 50 Гц. В программном обеспечении Maxwell выберите «Одна сторона верхнего и нижнего исходящих плеч», войдите в модуль возбуждения и установите амплитуду тока на 630 А. В разделе настроек решения выберите частоту 50 Гц.
ПРИМЕЧАНИЕ: В проводящей цепи кольцевого основного блока путь, образованный всеми компонентами от верхнего выходного рукава до нижнего выходного рукава, известен как последовательность фаз. Поэтому в этой статье фазы A, B и C расположены слева направо. - Параметры материала компонентов кольцевого основного блока приведены в таблице 2.
- Направляйте ток через исходящие линейные рукава, гибкие соединения, шины, автоматические выключатели, опорные шины статических контактов и ответвления для каждой фазы. Цель состоит в том, чтобы реализовать траекторию тока, которая позволит компонентам выполнять нагрузку.
- Используйте адаптивную сетку Максвелла для полного управления сеткой для модели. Используйте метод адаптивного разбиения сетки Максвелла для более крупных компонентов и локальное уточнение сетки для более мелких внутренних компонентов.
ПРИМЕЧАНИЕ: Maxwell может постоянно повышать точность сетки в процессе расчетки, устраняя необходимость нажимать кнопку «Операции сетки » для дополнительного разбиения сетки. - Задайте размер шага решения. Нажмите « Анализ» в дереве модели, откройте настройки «Шаг решения» и установите для параметра «Максимальное количество проходов» значение 10. Сохраняйте значения по умолчанию для других параметров, не внося никаких изменений.
- Принцип расчета вихретокового поля15,16.
- Возьмем первое уравнение Максвелла, описывающее действие заряда на генерацию электрического поля17.
(1)
где ρ представляет плотность заряда; ε0 представляет собой диэлектрическую проницаемость вакуума. - Используйте второе уравнение Максвелла, которое описывает связь между изменяющимся магнитным полем и электрическим полем и влиянием магнитного поля на движение заряда.
(2)
где
представляет напряженность магнитного поля. Это уравнение описывает, что изменяющееся магнитное поле создает вихревое электрическое поле, т.е. спин вихревого электрического поля равен отрицательной скорости изменения магнитного поля со временем. - Используйте третье уравнение Максвелла, которое описывает влияние магнитного заряда на создание магнитного поля.
(3)
Это уравнение описывает магнитное поле, создаваемое магнитным зарядом, как пассивное, т. е. в магнитном поле нет монополей. - Используйте четвертое уравнение Максвелла, которое описывает связь между изменяющимся электрическим полем и магнитным полем и влиянием электрического тока на магнитное поле.
(4)
где
обозначает плотность тока, а μ0 представляет проницаемость вакуума. Это уравнение описывает, что изменяющееся электрическое поле создает вихревое магнитное поле, т.е. спин вихревого магнитного поля равен сумме плотности тока и скорости изменения электрического поля со временем. - Основываясь на приведенных выше уравнениях, используйте модуль решателя Maxwell 3D с использованием вихревых токов для решения омических потерь, генерируемых проводящей цепью в RMU, который обеспечивает источник тепла для последующего анализа теплового моделирования. Его математическое выражение дано как18
(5)
где σ обозначает проводимость материала проводящей петли; J — плотность тока в контуре.
- Возьмем первое уравнение Максвелла, описывающее действие заряда на генерацию электрического поля17.
- Результаты расчетов
- Нажмите на опцию Maxwell 3D в интерфейсе и откройте проверку, чтобы просмотреть все настройки на наличие ошибок. Если ошибок нет, нажмите кнопку «Проанализировать все », чтобы начать процесс расчета.
- Используйте калькулятор постобработки Максвелла для вычисления и построения графика омических потерь в вихретоковом поле кольцевого главного блока, как показано в таблице 3.
3. Решение температурного поля
ПРИМЕЧАНИЕ: Для сравнения разделите температурное поле на Icepak и стационарное тепловое. Настройте и решите каждую из них по отдельности, чтобы получить сравнительный анализ.
- Настройка модели Icepak
- Задайте свойства материала следующим образом: обозначьте все твердые материалы контура как Cu-Pure, а поверхности — как Cu-polished-surface. Для компонентов панели выберите материал Aluminum6061-T6 , с поверхностным покрытием поверхности Paint-AL с коэффициентом излучения 0,35. Более подробную информацию см. в таблице 4 . Щелкните правой кнопкой мыши выбранный компонент, нажмите «Редактировать », а затем перейдите в раздел «Свойства », чтобы задать материал как для поверхности, так и для твердотельных материалов.
- Выберите модель и нажмите « Установить » в меню «Правка», затем выберите «Уровень многоуровневой сетки », чтобы настроить параметры сетки. Установите для внешнего шкафа уровень сетки 2, а для всех границ — уровень сетки 2. Для всех остальных компонентов установите уровень сетки на 3. Наконец, откройте элемент управления сеткой и нажмите кнопку Создать , чтобы создать сетку.
- Чтобы обеспечить точность и эффективность моделирования независимо от размера сетки, необходима валидация независимости сетки. Импортируйте геометрическую модель корпуса температурного поля, созданную с помощью программного обеспечения для проектирования сетки.
- Как показано на рисунке 2, поляризационные кривые четырех наборов сеток хорошо выровнены. При рабочем напряжении 0,5 В плотности тока для четырех наборов сетки составляют 2,357 А/см2, 2,358 А/см2, 2,356 А/см2 и 2,454 А/см2 соответственно, при этом погрешность между максимальной плотностью и плотностью тока составляет менее 1%. Чтобы сбалансировать эффективность и точность, определите размер сетки, который будет 987924.
- Настройка решения
- Установите направления для домена решения Cabinet в положение Opening.
- В программном обеспечении выберите Шаг проблемы. В разделе Основные параметры проверьте модель излучения от поверхности к поверхности, выберите Нулевое уравнение для режима турбулентного потока, выберите опцию Гравитация для Естественная конвекция и установите температуру окружающей среды на 20 °C.
- В настройках файла выберите «Объемные тепловые потери для ЭМ-отображения» и выберите «Все отображаемые объекты », чтобы завершить настройку потерь.
- Расчет температурного поля
- В icepak применяются три основных уравнения сохранения энергии: уравнение сохранения массы, уравнение сохранения импульса и уравнение сохранения энергии. В частности, используйте уравнение сохранения импульса, которое выглядит следующим образом19:
(6)
Уравнение энергосбережения:
(7)
Уравнения сохранения массы:
(8)
Уравнение передачи энергии для передачи тепла от твердого источника тепла:
(9)
ρ представляет плотность жидкости; v представляет вектор скорости потока; T обозначает температуру; p – давление; τ – вязкая сила, действующая на поверхность микрометаболита; κ – коэффициент теплопередачи; Sh– источник тепла тела; h — удельная энтальпия жидкости, а F — сила микрометаболита в организме.
ПРИМЕЧАНИЕ: Результаты расчетов температурного поля показаны на рисунках 3А и 4А .
- В icepak применяются три основных уравнения сохранения энергии: уравнение сохранения массы, уравнение сохранения импульса и уравнение сохранения энергии. В частности, используйте уравнение сохранения импульса, которое выглядит следующим образом19:
- Настройка стационарной тепловой модели
- Сохраняйте свойства материала в соответствии с таблицей 3 в настройках материала. Сгенерируйте омические потери, полученные в результате моделирования вихретокового поля в модуле «Стационарное тепловое состояние», нажав на кнопку «Генерация тепловой нагрузки ».
- Нажмите на значение конвективной температуры и установите его на 20 °C, при этом коэффициент конвективности 5 (Вт/м²°C) применяется к внутренним стенкам шкафа, компонентам и внешнему шкафу. Примените настройки и сгенерируйте. Установите выходные данные для расчета температуры, нажав на кнопку Решить > Выходные результаты.
ПРИМЕЧАНИЕ: Основное температурное поле, управляющее уравнениями в стационарном расчете термического поля температуры по принципу 20,21,22, обычно выводится из закона теплопроводности (закон теплопроводности Фурье). В одномерном случае уравнение теплопередачи температурного поля может быть выражено как20:
(10)
В этом уравнении T представляет температуру внутри объекта, t — время, x — пространственные координаты, а α — теплопроводность. Это уравнение описывает изменение температуры по отношению ко времени и пространству, где правая часть выражает связь между скоростью теплопроводности и температурным градиентом. В более общем трехмерном сценарии уравнение теплопроводности для температурного поля может быть выражено в следующем виде:
(11)
ρ представляет собой плотность объекта, c — удельную теплоемкость, K — теплопроводность, а Q — член источника тепла в объеме. Это уравнение описывает изменение температурного поля, на которое влияют теплопроводность, источники тепла и тепловая емкость. - Результаты расчета температурного поля представлены на рисунке 3. Сравните значения температуры, обобщенные в Таблице 5 и Таблице 6.
Результаты
На основании данных, приведенных в таблице 3, можно сделать следующие выводы: Общие потери для фаз А, В и С относительно схожи. В частности, общие потери для Фазы А составляют 16,063 Вт/м³, для Фазы В — 16,12 Вт/м³, а для Фазы С — 19,57 Вт/м³. Места с более высокими потерями могут находиться на стыках различных компонентов. В основном это связано с тем, что в этих точках соединения обычно существуют контактное сопротивление и сопротивление проводников. Когда ток проходит через эти соединения, выделяется значительное количество тепла, что приводит к повышению температуры и увеличению потерь в этих областях.
Верхний и нижний отходящие рычаги кольцевого основного блока несут некоторые потери, особенно при переноске основного груза. Потери в отходящих родах войск трех фаз примерно одинаковы. Это связано с тем, что эта часть тока относительно концентрирована, а из-за правильной формы величина сопротивления невелика. Поэтому потери в этих краях примерно равны.
Потери в ответвляющей шине относительно высоки, в первую очередь из-за ее многочисленных изгибов и наличия угловых секций. Большая часть течения сосредоточена в районе изгиба и вблизи углов. За исключением секции вакуумного выключателя, потери в медной трубчатой части шинопровода также относительно высоки и составляют 22,32 Вт/м³, что составляет 40% от общих омических потерь трех фаз. Потери в статической контактной части относительно невелики по сравнению с общими потерями.
Другие компоненты, такие как неподвижная пластина автоматического выключателя, перегородка автоматического выключателя и внешняя оболочка кольцевого основного блока, имеют меньшие потери. Поскольку они не принимают непосредственного участия в нагрузке, их потери в основном генерируются внутренними компонентами за счет проводимости, что приводит к меньшим значениям потерь. При расчетах постобработки потери этих компонентов не особо детализируются. В целом, были изложены основные характеристики распределения потерь, что дает ценную информацию для дальнейшей оптимизации конструкции.
Объединив результаты на рисунках 3 и 4, а также таблицы 5 и 6, было проведено тщательное сравнение результатов решения температурного поля между модулями Icepak и Steady-state Therm. В процессе анализа были замечены различия и сходства между двумя модулями.
В диапазоне температур 20-31,24 °C, как показано на рисунке 2A, более высокотемпературные области сосредоточены в областях, где корпус RMU контактирует с внутренними компонентами. Основная причина заключается в том, что эти зоны контакта обычно служат критическими путями для теплопроводности. Во время работы внутренние компоненты выделяют тепло, которое направляется к корпусу через контактные поверхности с хорошей теплопроводностью, тем самым вызывая повышение температуры в этих областях. Эти зоны включают точки контакта верхнего плеча отходящего трубопровода и участки нижнего плеча отходящего трубопровода, контактирующие с его близлежащей оболочкой, с температурным диапазоном приблизительно 24-27°С. По сравнению с рисунком 3В, диапазон нагрева оболочек в обоих случаях примерно одинаков, и изменения температуры распространяются от горячих точек к более холодным областям. Рассматривая рисунки 4A, B, общие температурные тренды в обоих случаях также примерно схожи. Основным источником повышения температуры является теплопроводность через нижнее плечо отходящей линии, которое проходит через внутренние проводники и рассеивается из верхнего плеча отходящей линии. Тенденция к потеплению сосредоточена в областях, близких к нижнему рукаву отходящей линии, включая ответвления каждой фазы и подключенные опорные шины. Кроме того, из наблюдений за распределением температуры во внутренних контурах на рисунке 4, будь то с помощью Icepak или стационарного теплового модуля для решения, общая температура фазы B постоянно выше, чем в двух других фазах. В основном это говорит о том, что фаза В в процессе нагрузки не только несет тепло, выделяемое током этой фазы, но и, из-за чрезмерно компактной внутренней структуры RMU, тепло, производимое каждой фазой, не может быстро рассеиваться. Благодаря теплообмену температура фазы B остается выше, чем на двух других фазах, независимо от используемого решателя. Общие температурные тренды также демонстрируют высокую степень сходства, при этом основное повышение температуры обусловлено теплопроводностью через нижнее плечо отходящей линии и рассеиванием тепла от верхнего плеча отходящей линии. Эта тенденция представляется весьма последовательной между двумя модулями. Более того, положения горячих точек на картах распределения температуры обоих модулей очень согласованы. В частности, в секции ответвления шины фазы C оба решателя показывают одинаковую самую высокую температуру, и различия практически незначительны. Это означает, что независимо от используемого решателя, точное определение наиболее высоких температурных положений имеет решающее значение для управления температурным режимом RMU.
Во-вторых, из таблицы видно, что один и тот же ток приводит к тем же потерям, но значение температуры каждой фазной составляющей в таблице 6 обычно ниже, чем в таблице 5; Например, значение температуры шины ответвления в зоне горячей точки всего RMU является самой высокой температурой в таблице 6 и составляет 30,91 °C, а с другой стороны, самая высокая температура шины ответвления в таблице 5 составляет 31,24 °C. Причина заключается в логике решения Icepak: RMU в качестве источника тепла будет продолжать обмениваться теплом и рассеивать тепло, а когда жидкость устанавливается в качестве среды для теплопередачи, температура в области решения будет постепенно излучаться через среду, что приведет к снижению температуры. Стационарный тепловой модуль уделяет меньше внимания конвекции тепла с окружающим воздухом и вместо этого фокусируется на решении, основанном на теплопроводности. По сравнению с моделями, учитывающими конвекцию, этот подход приводит к менее комплексному решению температурного поля. Следовательно, в районах с более высокой температурой горячие точки становятся более выраженными. В процессе испытания на фактическое повышение температуры, помимо учета характеристик самой модели, теплопередача в то же время учитывает влияние теплоотводящей среды, такой как воздух и т.д., на общую температуру. В сочетании с практическими потребностями и соображениями экспериментальной эксплуатации, RMU в качестве источника тепла продолжает осуществлять конвекцию и рассеивание тепла; Температурное моделирование IcePak в большей степени соответствует фактическим потребностям. В случае, когда кольцевой основной блок используется в качестве источника тепла с непрерывной конвекцией и рассеиванием тепла, температурное моделирование айспака больше соответствует практическим потребностям. Напротив, стационарный тепловой модуль в основном ориентирован на теплопроводность, которая в некоторых случаях может быть не в состоянии удовлетворить фактические потребности.
Рисунок 1: Модель основного блока с кольцом. (A) Общая модель кольцевого основного блока (B) Упрощенная модель кольцевого основного блока. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 2: Поляризационные кривые для четырех наборов сеток. Адаптивная сетка Максвелла используется для более крупных деталей, а локальное уточнение сетки используется для более мелких деталей. В программном обеспечении для проектирования создается упрощенная 3D-модель главного шкафа кольца и импортируется в Maxwell, а модель настраивается с помощью модуля Mesh. На рисунке показана проверка сеток модели. Плотность тока четырех групп сеток составляет 2,357 А/см2, 2,358 А/см2, 2,356 А/см2 и 2,354 А/см2 при напряженной нагрузке, а относительная погрешность между максимальной плотностью тока и минимальной плотностью тока составляет менее 1%, и для того, чтобы учесть эффективность и точность расчетов, Итоговое количество сеток определяется как 1169091. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 3: Модель анализа температурного поля внешнего шкафа. (A) Распределение температуры корпуса с помощью раствора Icepak. (B) Распределение температуры оболочки с помощью стационарного теплового раствора. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 4: Модель анализа температурного поля внутренней цепи. (A) Распределение температуры проводящей петли с помощью раствора Icepak (B) Распределение температуры проводящей петли с помощью стационарного теплового раствора. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
| Материал | Воздух | Оцинкованный стальной лист | Медь | Алюминий | ||
| Удельная теплоемкость (Дж/(кг· K)) | 1007 | 500 | 500 | 897 | ||
| Плотность (кг/м³) | 1.1614 | 8030 | 8900 | 2689 | ||
| Относительная проницаемость | 1 | 0.3 | 0.9999991 | / | ||
| Относительная магнитная проницаемость | 1 | 2500 | 1 | 1 | ||
| Теплопроводность (Вт/(м·К)) | 0.026 | 16 | 386 | 237 | ||
| Излучательная способность | / | 0.65 | 0.3 | 0.1 | ||
| Электропроводность (См/м) | / | 0.8 | 5.80Э+07 | / | ||
Таблица 1: Физические параметры некоторых материалов в кольцевом основном блоке.
| Компоненты | Относительная проницаемость | Проводимость/с | Материал |
| Токоведущие цепи (шины, ответвления и т.д.) | 0 | 3,00,00,000 | Алюминиевый сплав |
| Вакуумный выключатель | 0.9999 | 2,00,00,000 | Медные сплавы |
| Тело | 200 | 11,00,000 | Конструкционная сталь |
Таблица 2: Список материалов для каждого компонента.
| Омические потери Вт/м³ | A | B | C |
| Рычаг с выходом | 3.78 | 3.72 | 3.73 |
| Ответвляющаяся шина | 2.1 | 2.09 | 2.1 |
| Гибкое подключение | 1.3 | 1.3 | 1.3 |
| Вакуумный выключатель | 1.023 | 0.95 | 0.98 |
| Статические контакты | 0.36 | 0.36 | 0.36 |
| Фидерная шина | 1.33 | 1.35 | 1.32 |
| Медные трубы для ответвления шин | 6.19 | 6.35 | 9.78 |
Таблица 3: Значения омических потерь для компонентов фазы А, В и С.
| Число | 1 | 2 |
| Материя | алюминий6061-T6 | Cu-Pure |
| Теплопроводность (Вт/м·К) | 167 | 387.6 |
| Плотность (кг/м³) | 8933 | 2700 |
| Удельная теплоемкость/(кг· K) | / | 896 |
| Материал поверхности | Поверхность Paint-AL | Cu-полированная поверхность |
| Излучательная способность | 0.35 | 0.052 |
Таблица 4: Настройки параметров материала.
| Точка контроля температуры/температура (°C) | A | B | C |
| Верхний выпускной рычаг | 25.48 | 25.79 | 25.63 |
| Основная шина | 25.93 | 26.28 | 26.13 |
| Ответвляющаяся шина | 29 | 29.18 | 30.01 |
| Ответвление шины медная труба | 31.04 | 31.18 | 31.24 |
| Нижний выпускной рычаг | 26.5 | 26.98 | 26.92 |
Таблица 5: Значения температуры каждой фазы кольцевого основного блока в модуле решения стационарного теплового температурного поля.
| Точка контроля температуры/температура (°C) | A | B | C |
| Верхний выпускной рычаг | 23.73 | 23.82 | 23.81 |
| Основная шина | 25.15 | 25.17 | 25.35 |
| Ответвляющаяся шина | 27.76 | 28.04 | 29.07 |
| Ответвление шины медная труба | 28.42 | 29.31 | 30.91 |
| Нижний выпускной рычаг | 24.95 | 24.85 | 26.33 |
Таблица 6: Значения температуры в точках контроля каждой фазы кольцевого шкафа в модуле решения температурного поля Icepak
Обсуждение
Данная работа представляет собой сравнительный имитационный анализ повышения температуры кольцевого шкафа на основе программного обеспечения для инженерного моделирования и программного обеспечения конечных элементов, а наиболее подходящее решение для фактической ситуации повышения температуры анализируется с помощью двух модулей решения температурного поля конечных элементов. Управление температурным режимом также описано в Icoz23 как критически важный компонент для поддержания высокой эффективности и надежности электронных компонентов. Важность проведения сравнительного анализа обобщена на примере работы в Steiner24: сравнительный анализ был проведен с использованием COMSOL и ANSYS Mechanical. Таким образом, в процессе изготовления фактического RMU его распределение по температуре может быть проанализировано с помощью программного обеспечения для конечного моделирования, что может значительно сэкономить рабочую силу и производственные затраты.
Трехмерная модель RMU может быть создана с помощью SolidWorks, как показано на рисунке 1A. На шаге 1.1 упрощение модели подчеркивается как важнейший шаг в анализе методом конечных элементов23. Учитывая большое количество компонентов RMU, которые могут повлиять на точность решения и результаты вычислений, ненужные детали удаляются после рассмотрения только проводящих компонентов. Основные рабочие части сохраняются, как показано на рисунке 1B.
На этапе предварительной обработки вихретокового поля критическим аспектом является добавление и проверка возбуждения нагрузки. Как описано в шаге 2.1, важно точно добавить ток нагрузки к верхнему и нижнему отходящим плечам, гарантируя, что вся проводящая цепь образует путь для тока. Это облегчает расчет карты распределительных облаков вихретокового поля. Сложность заключается в необходимости проверки схемы перед расчетом решения, так как неполный путь тока в цепи может привести к несходимости во время решения или к ситуациям, в которых Максвелл не может выполнить вычисления. Последующий анализ температурного поля полностью зависит от потерь, полученных при решении этого вихретокового поля, что делает проверку пути тока необходимым этапом.
В решении для температурного поля на шаге 3 представлены два различных модуля для решения модели. Однако обеспечение идентичных начальных условий в процессе решения представляет собой сложную задачу. Поскольку модули имеют разные акценты в своих решениях, необходимо аппроксимировать или установить идентичные температуры окружающей среды, конвективные коэффициенты и другие условия решения, чтобы обеспечить согласованность при уникальном источнике тепла, предоставленном Максвеллом. Кроме того, согласование интервалов между температурными полями в обеих моделях позволяет напрямую сравнивать температурные дисплеи для одних и тех же компонентов в одном и том же температурном диапазоне, выделяя различия в решениях и облегчая интуитивные выводы.
В данной работе представлен инновационный метод точного измерения и анализа распределения температуры электрооборудования в процессе эксплуатации. Решая проблему точного измерения омических потерь с помощью традиционных методов, в этом исследовании используется вихретоковый решатель Максвелла для точных расчетов, который затем служит основой для решения температурного поля. Впоследствии модуль решения температурных полей используется для визуального отображения распределения температуры каждого компонента, что значительно повышает эффективность и точность инженерных испытаний. Новизна данной работы заключается не только в том, что предложен эффективный метод решения температурного поля, но и в том, что показано, как использовать эти результаты для структурной оптимизации и анализа рассеивания тепла. Это открывает новые технические средства для проектирования и оптимизации электрооборудования. Тем не менее, в процессе исследований были ограничения, и в будущей работе дальнейшие исследования будут проводиться по следующим направлениям. Во-первых, доработка модели и многопрофильное сопряжение. Модель будет доработана для точного отражения тепловых характеристик шкафа кольцевой сети во время реальной эксплуатации. Во-вторых, изучение переходных температурных полей. Будут проведены углубленные исследования изменения температурного поля шкафа кольцевой сети при различных условиях нагрузки для обеспечения дополнительной поддержки стабильной работы шкафа кольцевой сети в сложных условиях эксплуатации.
Раскрытие информации
У авторов нет противоречащих друг другу интересов.
Благодарности
Авторы благодарят г-на Ву, г-на MS Sun, г-на Вана, г-на Му и г-на Ли за их помощь. Это исследование было поддержано Китайским фондом постдокторантуры (2022M721604) и Wenzhou Key Science and Technology Tackling Programmer (ZG2023015).
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Воздух | / | / | Обычные газы |
| Алюминий | / | / | Материалы сплавов |
| Медь | / | / | Материалы сплавов |
| Icepak | ANSYS компания | ANSYS 2021R1 | A CFD Программное обеспечение для термомоделирования |
| Хостинг ПК | / | 12-е поколение Intel(R) Core(TM) i5-13500F CPU | Хост-компьютерное оборудование |
| SolidWorks | Дочерняя компания Dassault Systèmes | SolidWorks2021 | Инструмент для рисования инженерного программного обеспечения |
| Стационарное тепловое | ANSYS компания | ANSYS 2021R1 | Решение для теплового моделирования |
Ссылки
- 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).
Перепечатки и разрешения
Теги
