Jämförande studie av simulering av temperaturökning i ringhuvudenheten
Summary
Detta dokument behandlar problemet med temperaturökning för ringhuvudenheten genom att etablera en förenklad modell och genomföra en jämförande analys i två temperaturfältlösningsmoduler.
Abstract
Ring Main Unit (RMU) är en kritisk enhet i kraftdistributionssystem som används för att ansluta och distribuera el. Men på grund av dess kompakta inre struktur och höga strömbelastning är problem med värmeavledning särskilt framträdande. För att ta itu med detta problem föreslår denna studie på ett innovativt sätt en förenklad RMU-modell, som använder simuleringsmetoder för finita element för att exakt lösa de ohmska förlusterna hos ledare under faktiska driftsförhållanden och erhålla ohmska förlustdata för olika komponenter. Detta är den första djupgående undersökningen av RMU:s problem med temperaturökning med hjälp av ett så omfattande tillvägagångssätt. Därefter löstes temperaturfältet med hjälp av två olika temperaturfältsanalysmoduler, med en detaljerad jämförelse och analys av simuleringsresultaten för att identifiera likheter, skillnader och trender i temperaturfördelningen. Resultaten indikerar att temperaturfältlösningsmodellen, som tar hänsyn till konvektiv värmeöverföring, är mer exakt och i linje med faktiska driftsförhållanden. Denna forskning ger ett innovativt tillvägagångssätt och praktiska lösningar för design och optimering av RMU:er. Framtida forskning kan ytterligare utforska metoder för analys av multifysikaliska kopplingar för att ta itu med strukturell design och obligatoriska valideringsfrågor för hög- och ultrahögspännings-RMU:er och annan elektrisk utrustning, och därigenom ge viktiga insikter för teknisk design.
Introduction
Ringhuvudenheten är en grupp högspänningsställverk monterade i ett stålmetallskåp eller tillverkade av monterade nätaggregat med mellanrum för elektrisk utrustning. Den övergripande strukturen för lastbrytaren och den ledande kretsen består av den ledande kretsen, som inkluderar ett antal komponenter som utgör huvudkärnan i ringenheten. Men på grund av sin kompakta inre struktur står ringhuvudenheten inför utmaningar vid värmeavledning. Detta kan leda till termisk deformation och åldrande vid drift under längre perioder i miljöer med hög temperatur. Dessa problem påverkar inte bara enhetens livslängd utan påverkar också dess isolerande egenskaper, vilket utgör säkerhetsrisker. I synnerhet blir skador på utrustning och elolyckor mer sannolika, vilket utgör betydande säkerhetsrisker.
Inom olika forskningsområden har forskare genomfört en rad studier om temperaturhöjningen i luftledningsställverk och analyserat olika faktorer som påverkar temperaturfördelningen1. I Polykrati et al.2 presenteras en matematisk modell för uppskattning av temperaturökningen hos komponenter installerade i distributionsnätet under ett kortslutningsfel. Modellen tillämpades på de vanliga frånkopplingsbrytarna i nätverket, och resultatens egenskaper plottades enligt de olika formerna av den asymmetriska delen av kortslutningsströmvågformen och det initiala värdet av kortslutningskomponenten likström. Guan et al., å andra sidan, har tagit hänsyn till kontaktresistansen och den elektromagnetiska repulsionen genom att bygga en ekvivalent kontaktbrygga för att simulera kontaktgränssnittet och ytterligare analyserat det elektromagnetisk-termiska kopplingsfältet och temperaturökningsexperimentet3. Dessutom undersökte forskarna temperaturfältet och den termiska spänningsfördelningen av de dynamiska och statiska kontakterna inuti ringhuvudenheten genom finita elementsimulering, vilket gav en grund för studien av strömbrytarens livslängd4. Slutligen har Mueller et al. fokuserat på de geometriska egenskaperna hos kylflänsar och utvärderat effekterna av materialval, total yta, temperaturjämnhet och maximal yttemperatur på termisk prestanda5. Dessa studier ger värdefulla insikter och metoder för att förbättra ställverkens prestanda och tillförlitlighet, minska temperaturökningen och förlänga utrustningens livslängd. Wang et al. föreslog en MiNET Deep Learning Model (MDLM) i UPIOT-miljön med syftet att detektera feldiagnos av elektriska ringskåp, som validerades för att ha en identifieringsnoggrannhet på 99,1 %, vilket är betydligt högre än för andra metoder6. Lei et al. studerade den termiska prestandan hos en GIS-strömskena i ett stabilt tillstånd med hjälp av analysmetoden för magneto-fluid-termisk koppling, och optimerade därigenom ledaren och tankdiametern baserat på simuleringsresultaten för temperaturökning7. Ouerdani et al. använde RMU:s simuleringsmodell för temperaturökning för att bestämma temperaturökningen på kritiska platser inuti den, och fastställde därigenom varaktigheten av den maximala överbelastningen för komponenterna inuti RMU:n i enlighet med8. Zheng et al. beskrev en konventionell rektangulär samlingsskena i en modell av högströmsställverk genom att bygga en tvådimensionell modell och tillämpa finita elementmetoden (FEM) för beräkningar av elektromagnetiska fält. Det gjorde det möjligt för dem att få fördelningen av bussledarens strömtäthet och effektförlust. En oregelbunden samlingsskena designades efter att ha övervägt effekterna av närhetseffekt och hudeffekt. Denna oregelbundna samlingsskenedesign förbättrade prestandan hos konventionell rektangulär samlingsskena9.
När det gäller aspekten av att använda icepak-simuleringen genomförde Wang et al. en temperaturhöjningssimulering genom virvelfälts-, luftflödesfält- och temperaturfältteorier och fann att temperaturökningen för ringens huvudenhet var allvarligare under naturlig konvektion. De lyckades minska temperaturstegringsnivån genom att lägga till forcerad luftkylning och göra förbättringar av den interna kontaktstrukturen10. Zhu et al.11 använde icepak för att simulera en termisk modell för att jämföra effekten av närvaron av termiska vias på PCB och närvaron av kylflänsar på temperaturen hos kraftenheterna. Slutligen jämförs den teoretiska analysen med simuleringsresultaten för att verifiera riktigheten av den teoretiska analysen. Mao et al.12 studerade temperaturen och den interna luftflödesfördelningen under sommardriftsförhållanden genom termisk simulering baserad på CAE-programvaran i icepak-simuleringen. Problemet med hur man kan förbättra kylningseffektiviteten och kontrollera temperaturökningen för flera silverpläterade kontakter ges, och temperatur- och interna luftflödeskonturer som fångas i simuleringen kommer att lägga grunden för utformningen av kylschemat för de sex silverpläterade kontakterna monterade i tätningsenheten. Omvänt, vid användning av en termisk modul i stationärt tillstånd, diskuteras Zhang13-modelleringsmetoder för att lösa det termiska nätverket för en högtrycksbussning med hjälp av en alternativ transient procedur. Test- och simuleringsresultaten är i god överensstämmelse med bussningens termiska stationära tillstånd och transienta tillstånd. De transienta resultaten används sedan för att utvärdera överbelastningskapaciteten för bussningar. Vaimann et al.14 utvecklade och analyserade en analytisk termisk modell av en synkron reluktansmotor för att förutsäga temperaturen på dess olika komponenter och det inställda totala parametertermiska nätverket.
Med den kontinuerliga utvecklingen av forskning om elektrisk utrustning som ringhuvudenheter, är konventionella temperaturstegringstester och produktionsmetoder relativt ineffektiva. Genom att använda finita elementteknik i kombination med offlinetester kan man därför inte bara ta itu med problemen med konstruktionskostnaderna, utan även justera och optimera verkliga problem snabbt baserat på simuleringar. Baserat på de forskningsframsteg som nämns ovan nämns sällan användningen av ANSYS Icepak och Steady-state termisk koppling för jämförande analys. Därför beskriver protokollet mekanismforskningen för finita element, använder numeriska och morfologiska kombinationer för att etablera en simuleringsmodell för temperaturökning med finita element för kapslingen, och diskuterar simuleringsmodellen för temperaturökning med finita element baserat på resultaten från de två analytiska modulerna genom att jämföra resultaten från de två simuleringsmodulerna. Genom jämförelsen mellan de två simuleringsmodulerna kommer vi att få egenskaperna hos temperaturökningstrenden för ringhuvudenheten och hitta den mest tillämpliga metoden för att ge den nödvändiga grunden och forskningsidéerna för en strategi för att mildra temperaturökningen för ringhuvudenheten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta dokument är en jämförande simuleringsanalys av temperaturökningen i ringskåpet baserat på teknisk modelleringsprogramvara och finita elementprogramvara, och den mest lämpliga lösningen för den faktiska temperaturstegringssituationen analyseras av två finita elementtemperaturfältlösningsmoduler. Värmehantering beskrivs också i Icoz23 som en kritisk och väsentlig komponent för att upprätthålla den höga effektiviteten och tillförlitligheten …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna tackar Wu, MS Sun, Wang, Mu och Li för deras hjälp. Denna studie stöddes av China Postdoctoral Science Foundation (2022M721604) och Wenzhou Key Science and Technology Tackling Programmer (ZG2023015).
Materials
| Air | / | / | Conventional gases |
| Aluminum | / | / | Alloy Materials |
| Copper | / | / | Alloy Materials |
| Icepak | ANSYS company | ANSYS 2021R1 | A CFD thermal simulation software |
| PC hosting | / | 12th Generation Intel(R) Core(TM) i5-13500F CPU | Host computer equipment |
| SolidWorks | Subsidiary of Dassault Systemes | SolidWorks2021 | An engineering software drawing tool |
| Steady-state thermal | ANSYS company | ANSYS 2021R1 | A thermal simulation solution tool |
References
- 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. , 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. , 762-767 (2022).
- Mao, Y. e. 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. , 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), 012019 (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, 140659 (2024).
- Sheikholeslami, M., Khalili, Z. Solar photovoltaic-thermal system with novel design of tube containing eco-friendly nanofluid. Renewable Ener. 222, 119862 (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. , 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).
