Etude comparative de la simulation de l’élévation de température dans l’unité principale de l’anneau

Résumé

Cet article aborde le problème de l’élévation de température de l’unité principale de l’anneau en établissant un modèle simplifié et en effectuant une analyse comparative dans deux modules de résolution de champs de température.

Résumé

L’unité principale en anneau (RMU) est un dispositif essentiel dans les systèmes de distribution d’énergie utilisé pour connecter et distribuer l’électricité. Cependant, en raison de sa structure interne compacte et de sa charge de courant élevée, les problèmes de dissipation de chaleur sont particulièrement importants. Pour résoudre ce problème, cette étude propose de manière innovante un modèle RMU simplifié, utilisant des méthodes de simulation par éléments finis pour résoudre avec précision les pertes ohmiques des conducteurs dans des conditions de fonctionnement réelles et obtenir des données de perte ohmique pour divers composants. Il s’agit de la première enquête approfondie sur le problème de l’élévation de la température de l’UAR à l’aide d’une approche aussi complète. Par la suite, le champ de température a été résolu à l’aide de deux modules d’analyse de champ de température différents, avec une comparaison et une analyse détaillées des résultats de la simulation pour identifier les similitudes, les différences et les tendances dans la distribution de la température. Les résultats indiquent que le modèle de solution de champ de température, qui prend en compte le transfert de chaleur par convection, est plus précis et s’aligne sur les conditions de fonctionnement réelles. Cette recherche fournit une approche innovante et des solutions pratiques pour la conception et l’optimisation des RMU. Les recherches futures peuvent explorer davantage les méthodes d’analyse de couplage multiphysique pour résoudre les problèmes de conception structurelle et de validation obligatoire pour les RMU à haute et ultra-haute tension et autres équipements électriques, fournissant ainsi des informations importantes pour la conception technique.

Introduction

L’unité principale en anneau est un groupe d’appareillages de commutation haute tension montés dans une armoire métallique en acier ou constitués d’une unité d’alimentation en réseau en anneau espacée assemblée d’un équipement électrique. La structure globale de l’interrupteur de charge et du circuit conducteur se compose du circuit conducteur, qui comprend un certain nombre de composants constituant le noyau principal de l’unité annulaire. Cependant, en raison de sa structure interne compacte, l’unité principale annulaire est confrontée à des défis de dissipation thermique. Cela peut entraîner une déformation thermique et un vieillissement lors d’un fonctionnement prolongé dans des environnements à haute température. Ces problèmes affectent non seulement la durée de vie de l’unité, mais aussi ses propriétés isolantes, ce qui pose des risques pour la sécurité. En particulier, les dommages à l’équipement et les accidents électriques deviennent plus probables, ce qui présente des risques importants pour la sécurité.

Dans différents domaines de recherche, les chercheurs ont mené une série d’études sur l’augmentation de la température des appareillages de commutation des lignes aériennes et analysé divers facteurs affectant la distribution de la température¹. Dans Polykrati et ^al.2, un modèle mathématique d’estimation de l’élévation de température des composants installés sur le réseau de distribution lors d’un défaut de court-circuit est présenté. Le modèle a été appliqué aux commutateurs de sectionnement courants du réseau, et les caractéristiques des résultats ont été tracées en fonction des différentes formes de la partie asymétrique de la forme d’onde du courant de court-circuit et de la valeur initiale de la composante de courant continu de court-circuit. Guan et al., d’autre part, ont pris en compte la résistance de contact et la répulsion électromagnétique en construisant un pont de contact équivalent pour simuler l’interface de contact et ont analysé plus en détail le champ de couplage électromagnétique-thermique et l’expérience d’élévation de température³. De plus, les chercheurs ont étudié le champ de température et la distribution des contraintes thermiques des contacts dynamiques et statiques à l’intérieur de l’unité principale de l’anneau par simulation par éléments finis, ce qui a fourni une base pour l’étude de la durée de vie du disjoncteur⁴. Enfin, Mueller et al. se sont concentrés sur les caractéristiques géométriques des dissipateurs thermiques et ont évalué les effets de la sélection des matériaux, de la surface totale, de l’uniformité de la température et de la température de surface maximale sur la performance thermique⁵. Ces études fournissent des informations et des méthodes précieuses pour améliorer les performances et la fiabilité de l’appareillage de commutation, réduire l’élévation de température et prolonger la durée de vie de l’équipement. Wang et al. ont proposé un modèle d’apprentissage profond MiNET (MDLM) dans l’environnement UPIOT dans le but de détecter le diagnostic de panne des armoires électriques, qui a été validé pour avoir une précision d’identification de 99,1 %, ce qui est nettement supérieur à celui des autres méthodes⁶. Lei et al. ont étudié les performances thermiques d’un jeu de barres GIS à l’état stationnaire en utilisant la méthode d’analyse du couplage magnéto-fluide-thermique, optimisant ainsi le diamètre du conducteur et du réservoir sur la base des résultats de simulation de l’élévation de température⁷. Ouerdani et al. ont utilisé le modèle de simulation d’élévation de température de la RMU pour déterminer l’élévation de température à des endroits critiques à l’intérieur de celle-ci, fixant ainsi la durée de la surcharge maximale pour les composants à l’intérieur de la RMU en conséquence⁸. Zheng et al. ont décrit un jeu de barres rectangulaire conventionnel dans un modèle d’appareillage de commutation à courant élevé en construisant un modèle bidimensionnel et en appliquant la méthode des éléments finis (FEM) pour les calculs de champs électromagnétiques. Cela leur a permis d’obtenir la distribution de la densité de courant et de la perte de puissance du conducteur de bus. Un jeu de barres irrégulier a été conçu après avoir pris en compte les effets de l’effet de proximité et de l’effet de peau. Cette conception irrégulière du jeu de barres a amélioré les performances^{du jeu de} barres rectangulaire 9 conventionnel.

En ce qui concerne l’utilisation de la simulation icepak, Wang et al. ont effectué une simulation de l’élévation de la température à l’aide des théories du champ de vortex, du champ d’écoulement d’air et du champ de température et ont constaté que l’élévation de température de l’unité principale de l’anneau était plus grave sous convection naturelle. Ils ont réussi à réduire le niveau d’élévation de la température en ajoutant un refroidissement par air forcé et en améliorant la structure de contact interne¹⁰. Zhu et ^al.11 ont utilisé l’icepak pour simuler un modèle thermique afin de comparer l’effet de la présence de vias thermiques sur le PCB et la présence de dissipateurs thermiques sur la température des dispositifs d’alimentation. Enfin, l’analyse théorique est comparée aux résultats de la simulation pour vérifier l’exactitude de l’analyse théorique. Mao et ^al.12 ont étudié la température et la distribution du flux d’air interne dans des conditions de fonctionnement estivales par simulation thermique basée sur le logiciel IAO dans la simulation icepak. Le problème de l’amélioration de l’efficacité du refroidissement et du contrôle de l’élévation de température de plusieurs contacts plaqués argent est donné, et la température et les contours du flux d’air interne capturés dans la simulation jetteront les bases de la conception du schéma de refroidissement des six contacts plaqués argent montés dans l’unité d’étanchéité. Inversement, dans l’utilisation d’un module thermique à l’état stationnaire, les méthodes de modélisation de Zhang¹³ sont discutées pour résoudre le réseau thermique d’une traversée haute pression à l’aide d’une procédure transitoire alternative. Les résultats des tests et des simulations sont en bon accord avec l’état stationnaire thermique et les états transitoires de la traversée. Les résultats transitoires sont ensuite utilisés pour évaluer la capacité de surcharge de la traversée. Vaimann et ^al.14 ont développé et analysé un modèle thermique analytique d’un moteur à réluctance synchrone pour prédire la température de ses différents composants et le réseau thermique de paramètres totaux définis.

Avec l’avancement continu de la recherche sur les équipements électriques tels que les unités principales en anneau, les tests d’élévation de température conventionnels et les méthodes de production sont relativement inefficaces. Par conséquent, en utilisant la technologie des éléments finis combinée à des tests hors ligne, non seulement les problèmes de coût de conception sont résolus, mais des ajustements et des optimisations peuvent être rapidement apportés aux problèmes du monde réel sur la base de simulations. Sur la base des progrès de la recherche mentionnés ci-dessus, l’utilisation d’ANSYS Icepak et du couplage thermique en régime permanent pour l’analyse comparative est rarement mentionnée. Par conséquent, le protocole décrit la recherche sur le mécanisme des éléments finis, utilise des combinaisons numériques et morphologiques pour établir un modèle de simulation de l’élévation de température par éléments finis pour l’enceinte, et discute du modèle de simulation de l’élévation de température par éléments finis basé sur les résultats des deux modules analytiques en comparant les résultats des deux modules de simulation. Grâce à la comparaison entre les deux modules de simulation, nous obtiendrons les caractéristiques de la tendance de l’élévation de température de l’unité principale de l’anneau et trouverons la méthode la plus applicable afin de fournir la base nécessaire et de rechercher des idées pour une stratégie visant à atténuer l’élévation de température de l’unité principale de l’anneau.

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Protocole

1. Modèle

REMARQUE : en raison de la structure complexe de l’unité principale de l’anneau (Figure 1A), un logiciel de conception en ligne a été choisi pour simplifier le fonctionnement de l’unité principale de l’anneau.

1. Simplification de la modélisation
   1. Simplifiez partiellement le modèle, en préservant la section de la boîte à air de la RMU tout en supprimant ou en simplifiant d’autres composants tels que les arbres isolants, les boulons de fixation, les écrous, les composants d’étanchéité et les supports de support. La version simplifiée est illustrée à la figure 1B.
      1. Dans le processus de simplification de l’unité principale annulaire de type 630A, retirez l’arbre isolé reliant la salle des disjoncteurs à la boîte d’instruments et à de nombreux boulons et écrous fixes. Retirez les pièces d’étanchéité et le support de maintien de la pression et connectez les contacts statiques du faisceau statique isolé avec le jeu de barres de dérivation inférieur en veillant à ce que l’ensemble de la configuration ait le même courant conducteur et que seuls le disjoncteur à vide, la plaque de fixation du disjoncteur, les contacts statiques et le disjoncteur à vide soient conservés.
      2. Conservez uniquement le disjoncteur à vide, la plaque de fixation du disjoncteur, le contact statique et la plaque de blocage du disjoncteur à vide. Dans l’ensemble, retirez les boulons et les joints du modèle, remplissez les trous après avoir retiré les boulons avec des solides, réduisez le nombre de pièces maillées et optimisez les formes irrégulières des pièces. Retirez les instruments de fonctionnement du panneau, les plaques de montage, les supports et autres pièces de fonctionnement, telles que les boîtes d’instruments, qui n’ont aucun effet sur le processus de simulation de l’élévation de la température.
      3. Le retrait des boîtiers isolés de certains composants peut être négligé dans le cadre de la simulation car ils ont peu d’effet sur les résultats de la simulation. De plus, les interrupteurs de mise à la terre qui n’ont aucun effet sur l’utilisation de l’équipement en fonctionnement normal les suppriment et conservent la salle du disjoncteur pour la simulation.
   2. Pour supprimer une section, il suffit de la sélectionner et de cliquer sur l’option Supprimer .

2. Solution de champ de foucault

1. Paramètres de prétraitement
   REMARQUE : L’émulation de champ de courants de Foucault est la base pour effectuer la solution de champ de température, ce qui nécessite l’analyse ultérieure de la source de chaleur résolue en tant que charge sur le champ de température.
   1. Reportez-vous à la documentation de l’équipement de l’unité principale annulaire et aux manuels pertinents pour recueillir des informations sur les propriétés physiques et les paramètres de chaque composant de l’unité principale annulaire. Définissez les attributs physiques et les paramètres des composants de l’unité principale de l’anneau dans Maxwell en fonction des informations obtenues, comme indiqué dans le Tableau 1.
   2. Réglez le courant de charge de champ des courants de Foucault à 630 A avec une fréquence de 50 Hz. Dans le logiciel Maxwell, sélectionnez un côté des bras sortants supérieur et inférieur, entrez dans le module d’excitation et réglez l’amplitude du courant sur 630 A. Dans la section des paramètres de la solution, choisissez une fréquence de 50 Hz.
      REMARQUE : Dans le circuit conducteur d’une unité principale en anneau, le chemin formé par tous les composants du bras de sortie supérieur au bras de sortie inférieur est connu sous le nom de séquence de phase. Par conséquent, dans cet article, les phases A, B et C sont disposées de gauche à droite.
   3. Les paramètres de matériau des composants de l’unité principale de l’anneau sont indiqués dans le tableau 2.
   4. Dirigez le courant à travers les bras de ligne sortants, les connexions flexibles, les jeux de barres, les disjoncteurs, les jeux de barres de support de contact statique et les jeux de barres de dérivation pour chaque phase. L’objectif est de réaliser un chemin de courant qui permet aux composants de compléter la charge.
   5. Utilisez le maillage adaptatif de Maxwell pour compléter le contrôle de la grille du modèle. Utilisez la méthode de partitionnement de maillage adaptatif Maxwell pour les composants plus volumineux et l’affinement du maillage local pour les composants internes plus petits.
      REMARQUE : Maxwell peut continuellement améliorer la précision de la grille pendant le processus de résolution, éliminant ainsi le besoin de cliquer sur Opérations de maillage pour un partitionnement de maillage supplémentaire.
   6. Définissez la taille de l’étape de solution. Cliquez sur Analyse dans l’arbre du modèle, ouvrez les paramètres de l’étape de résolution et définissez le nombre maximal de passes sur 10. Conservez les autres paramètres à leurs valeurs par défaut sans apporter de modifications.
2. Principe du calcul du champ de courants de Foucault^15,16.
   1. Utilisez la première équation de Maxwell, qui décrit l’action de la charge sur la génération d’un champ électrique¹⁷.
      (1)
      où ρ représente la densité de charge ; ε₀ représente la constante diélectrique du vide.
   2. Utilisez la deuxième équation de Maxwell, qui décrit la relation entre un champ magnétique changeant et un champ électrique et l’effet d’un champ magnétique sur le mouvement d’une charge.
      (2)
      où représente l’intensité du champ magnétique. Cette équation décrit qu’un champ magnétique variable produit un champ électrique tourbillonnaire, c’est-à-dire que le spin du champ électrique tourbillonnaire est égal au négatif du taux de variation du champ magnétique avec le temps.
   3. Utilisez la troisième équation de Maxwell, qui décrit l’effet de la charge magnétique sur la production d’un champ magnétique.
      (3)
      Cette équation décrit le champ magnétique produit par une charge magnétique comme étant passif, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de monopôles dans le champ magnétique.
   4. Utilisez la quatrième équation de Maxwell, qui décrit la relation entre un champ électrique variable et un champ magnétique et l’effet d’un courant électrique sur un champ magnétique.
      (4)
      où représente la densité de courant et μ₀ représente la perméabilité au vide. Cette équation décrit qu’un champ électrique variable produit un champ magnétique vortex, c’est-à-dire que le spin du champ magnétique vortex est égal à la somme de la densité de courant et du taux de variation du champ électrique avec le temps.
   5. Sur la base des équations ci-dessus, utilisez le module de résolution Maxwell 3D à l’aide de courants de Foucault pour résoudre la perte ohmique générée par le circuit conducteur dans la RMU, qui fournit une source de chaleur pour l’analyse de simulation thermique ultérieure. Son expression mathématique est donnée par¹⁸
      (5)
      où σ désigne la conductivité du matériau de la boucle conductrice ; J est la densité de courant dans la boucle.
3. Résultats du calcul
   1. Cliquez sur l’option Maxwell 3D dans l’interface et ouvrez le contrôle de validation pour vérifier tous les paramètres à la recherche d’erreurs. S’il n’y a pas d’erreurs, cliquez sur Analyser tout pour lancer le processus de résolution.
   2. Utilisez la calculatrice de post-traitement de Maxwell pour calculer et tracer les pertes ohmiques dans le champ de courants de Foucault de l’unité principale de l’anneau, comme indiqué dans le Tableau 3.

3. Solution de champ de température

REMARQUE : À des fins de comparaison, divisez le champ de température en Icepak et thermique à l’état stationnaire. Configurez et résolvez chacun séparément pour réaliser une analyse comparative.

1. Configuration du modèle Icepak
   1. Définissez les propriétés du matériau comme suit : désignez tous les matériaux solides du circuit comme Cu-Pure, avec des surfaces utilisant Cu-polished-surface. Pour les composants du panneau, sélectionnez le matériau Aluminium6061-T6 , avec un revêtement de surface de surface Paint-AL avec une émissivité de 0,35. Voir le tableau 4 pour plus de détails. Cliquez avec le bouton droit de la souris sur le composant sélectionné, cliquez sur Modifier , puis accédez à Propriétés pour définir le matériau pour les matériaux de surface et solides.
   2. Sélectionnez le modèle et cliquez sur Définir dans le menu Edition, puis choisissez Niveau de maillage à plusieurs niveaux pour ajuster les paramètres de maillage. Réglez l’armoire externe sur un niveau de maillage de 2 et toutes les limites sur un niveau de maillage de 2. Pour tous les autres composants, réglez le niveau de maillage sur 3. Enfin, ouvrez le contrôle Maillage et cliquez sur Générer pour créer le maillage.
   3. Pour garantir la précision et l’efficacité de la simulation quelle que soit la taille du réseau, la validation de l’indépendance du réseau est nécessaire. Importez le modèle géométrique de l’enceinte du champ de température, établi à l’aide du logiciel de conception pour le maillage.
   4. Comme le montre la figure 2, les courbes de polarisation des quatre ensembles de grille sont bien alignées. À une tension de fonctionnement de 0,5 V, les densités de courant pour les quatre ensembles de grilles sont respectivement de 2,357 A/cm², 2,358 A/cm², 2,356 A/cm² et 2,454 A/cm², l’erreur entre les densités maximale et actuelle étant inférieure à 1 %. Pour équilibrer efficacité et précision, déterminez la taille de la grille qui est 987924.
2. Configuration de la solution
   1. Définissez l’orientation du domaine de solution Armoire sur Ouverture.
   2. Dans le logiciel, sélectionnez Étape du problème. Sous Paramètres de base, vérifiez le modèle de rayonnement surface-surface, choisissez l’équation zéro pour le régime d’écoulement turbulent, sélectionnez l’option Gravité pour la convection naturelle et réglez la température ambiante sur 20 °C.
   3. Dans les paramètres du fichier, choisissez Pertes de chaleur volumétriques pour le mappage EM et sélectionnez Tous les objets affichés pour compléter les paramètres de perte.
3. Calcul du champ de température
   1. Dans icepak, appliquez trois équations de conservation principales pour l’énergie : l’équation de conservation de la masse, l’équation de conservation de la quantité de mouvement et l’équation de conservation de l’énergie. Plus précisément, utilisez l’équation de conservation de la quantité de mouvement, qui est la suivante¹⁹ :
      (6)
      Équation de la conservation de l’énergie :
      (7)
      Équations de conservation de la masse :
      (8)
      Équation de transfert d’énergie pour le transfert de chaleur à partir d’une source de chaleur solide :
      (9)
      ρ représente la masse volumique du fluide ; v représente le vecteur vitesse d’écoulement ; T représente la température ; p est la pression ; τ est la force visqueuse à la surface du micrométabolite ; κ est le coefficient de transfert de chaleur ; S_hest la source de chaleur corporelle ; h est l’enthalpie spécifique du fluide et F est la force corporelle du micrométabolite.
      REMARQUE : Les résultats des calculs de champ de température sont présentés à la figure 3A et à la figure 4A.
4. Configuration du modèle thermique en régime permanent
   1. Conservez les propriétés du matériau conformément au tableau 3 dans les paramètres du matériau. Générez les pertes ohmiques résultant de l’analyse de simulation de champ de courants de Foucault dans le module Thermique en régime permanent en cliquant sur Génération de charge thermique .
   2. Cliquez sur la valeur de température convective et réglez-la sur 20 °C, avec un coefficient de convection de 5 (W/m²°C) appliqué aux parois intérieures de l’armoire, aux composants et à l’armoire externe. Appliquez les paramètres et générez. Réglez la sortie pour résoudre la température en cliquant sur Résoudre > résultats de sortie.
      REMARQUE : Le champ de température principal régissant les équations dans le principe de calcul du champ de température thermique en régime permanent 20,21,22 est généralement dérivé de la loi de conduction thermique (loi de Fourier de conduction thermique). Dans le cas unidimensionnel, l’équation de transfert de chaleur du champ de température peut être exprimée par²⁰ :
      (10)
      Dans cette équation, T représente la température à l’intérieur de l’objet, t est le temps, x est les coordonnées spatiales et α est la diffusivité thermique. Cette équation décrit la variation de température par rapport au temps et à l’espace, où le membre droit exprime la relation entre le taux de conduction thermique et le gradient de température. Dans un scénario tridimensionnel plus général, l’équation de conduction thermique pour le champ de température peut être exprimée sous la forme suivante :
      (11)
      ρ représente la densité de l’objet, c est la capacité thermique spécifique, K est la conductivité thermique et Q est le terme de la source de chaleur dans le volume. Cette équation décrit la variation du champ de température, influencée par la conduction thermique, les sources de chaleur et la capacité thermique.
   3. Les résultats du calcul du champ de température sont illustrés à la figure 3. Comparez les valeurs de température résumées dans le tableau 5 et le tableau 6.

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Résultats

Sur la base des données du tableau 3, les conclusions suivantes peuvent être tirées : Les pertes globales pour les phases A, B et C sont relativement similaires. Plus précisément, les pertes totales pour la phase A sont de 16,063 W/m³, la phase B de 16,12 W/m³ et la phase C de 19,57 W/m³. Les endroits où les pertes sont plus élevées peuvent se trouver au niveau des connexions de divers composants. Cela s’explique principalement par le fait qu’une résistan...

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Discussion

Cet article est une analyse de simulation comparative de l’élévation de température de l’armoire annulaire basée sur un logiciel de modélisation d’ingénierie et un logiciel d’éléments finis, et la solution la plus appropriée à la situation réelle d’élévation de température est analysée par deux modules de solution de champ de température par éléments finis. La gestion thermique est également décrite dans Icoz²³ comme un composant crit...

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matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
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