Studio comparativo della simulazione dell'aumento di temperatura nell'unità principale dell'anello

Riepilogo

Questo articolo affronta il problema dell'aumento di temperatura dell'unità principale dell'anello stabilendo un modello semplificato e conducendo un'analisi comparativa in due moduli di risoluzione del campo di temperatura.

Abstract

L'unità principale ad anello (RMU) è un dispositivo critico nei sistemi di distribuzione dell'energia utilizzati per il collegamento e la distribuzione dell'elettricità. Tuttavia, a causa della sua struttura interna compatta e dell'elevato carico di corrente, i problemi di dissipazione del calore sono particolarmente importanti. Per affrontare questo problema, questo studio propone in modo innovativo un modello RMU semplificato, che impiega metodi di simulazione agli elementi finiti per risolvere con precisione le perdite ohmiche dei conduttori in condizioni operative reali e ottenere dati sulle perdite ohmiche per vari componenti. Questa è la prima indagine approfondita sul problema dell'aumento della temperatura dell'RMU utilizzando un approccio così completo. Successivamente, il campo di temperatura è stato risolto utilizzando due diversi moduli di analisi del campo di temperatura, con un confronto dettagliato e un'analisi dei risultati della simulazione per identificare somiglianze, differenze e tendenze nella distribuzione della temperatura. I risultati indicano che il modello di soluzione del campo di temperatura, che considera il trasferimento di calore convettivo, è più accurato e si allinea con le condizioni operative effettive. Questa ricerca fornisce un approccio innovativo e soluzioni pratiche per la progettazione e l'ottimizzazione delle RMU. La ricerca futura può esplorare ulteriormente i metodi di analisi dell'accoppiamento multifisico per affrontare la progettazione strutturale e i problemi di convalida obbligatoria per RMU ad alta e altissima tensione e altre apparecchiature elettriche, fornendo così importanti informazioni per la progettazione ingegneristica.

Introduzione

L'unità principale ad anello è un gruppo di quadri ad alta tensione montati in un armadio metallico in acciaio o costituiti da un'unità di alimentazione di rete ad anello distanziata assemblata di apparecchiature elettriche. La struttura complessiva dell'interruttore di carico e del circuito conduttivo è costituita dal circuito conduttivo, che comprende una serie di componenti che costituiscono il nucleo principale dell'unità ad anello. Tuttavia, a causa della sua struttura interna compatta, l'unità principale ad anello deve affrontare sfide nella dissipazione del calore. Ciò può portare a deformazione termica e invecchiamento quando si opera per lunghi periodi in ambienti ad alta temperatura. Questi problemi non solo influiscono sulla durata dell'unità, ma influiscono anche sulle sue proprietà isolanti, ponendo rischi per la sicurezza. In particolare, i danni alle apparecchiature e gli incidenti elettrici diventano più probabili, ponendo notevoli rischi per la sicurezza.

All'interno di diverse aree di ricerca, gli studiosi hanno condotto una serie di studi sull'aumento della temperatura dei quadri delle linee aeree e hanno analizzato vari fattori che influenzano la distribuzione della temperatura¹. In Polykrati et ^al.2, viene presentato un modello matematico per la stima dell'aumento di temperatura dei componenti installati sulla rete di distribuzione durante un guasto di cortocircuito. Il modello è stato applicato ai sezionatori comuni della rete e le caratteristiche dei risultati sono state tracciate in base alle diverse forme della parte asimmetrica della forma d'onda della corrente di cortocircuito e al valore iniziale della componente di corrente CC in cortocircuito. Guan et al., d'altra parte, hanno preso in considerazione la resistenza di contatto e la repulsione elettromagnetica costruendo un ponte di contatto equivalente per simulare l'interfaccia di contatto e hanno ulteriormente analizzato il campo di accoppiamento elettromagnetico-termico e l'esperimento di aumento della temperatura³. Inoltre, i ricercatori hanno studiato il campo di temperatura e la distribuzione delle sollecitazioni termiche dei contatti dinamici e statici all'interno dell'unità principale ad anello mediante simulazione agli elementi finiti, che ha fornito una base per lo studio della durata dell'interruttore^{automatico 4}. Infine, Mueller et al. si sono concentrati sulle caratteristiche geometriche dei dissipatori di calore e hanno valutato gli effetti della selezione del materiale, dell'area superficiale totale, dell'uniformità della temperatura e della temperatura superficiale massima sulle prestazioni termiche⁵. Questi studi forniscono preziose informazioni e metodi per migliorare le prestazioni e l'affidabilità dei quadri elettrici, ridurre l'aumento della temperatura e prolungare la durata delle apparecchiature. Wang et al. hanno proposto un modello di apprendimento profondo MiNET (MDLM) nell'ambiente UPIOT con lo scopo di rilevare la diagnosi dei guasti degli armadi elettrici ad anello, che è stato convalidato per avere una precisione di identificazione del 99,1%, che è significativamente superiore a quella di altri metodi⁶. Lei et al. hanno studiato le prestazioni termiche di una sbarra GIS in uno stato stazionario utilizzando il metodo di analisi dell'accoppiamento magneto-fluido-termico, ottimizzando così il diametro del conduttore e del serbatoio in base ai risultati della simulazione dell'aumento di temperatura⁷. Ouerdani et al. hanno utilizzato il modello di simulazione dell'aumento della temperatura dell'RMU per determinare l'aumento della temperatura in punti critici al suo interno, fissando così la durata del sovraccarico massimo per i componenti all'interno dell'RMU di conseguenza⁸. Zheng et al. hanno descritto una sbarra rettangolare convenzionale in un modello di quadro ad alta corrente costruendo un modello bidimensionale e applicando il metodo degli elementi finiti (FEM) per i calcoli dei campi elettromagnetici. Ciò ha permesso loro di ottenere la distribuzione della densità di corrente e della perdita di potenza del conduttore del bus. Una sbarra irregolare è stata progettata dopo aver considerato gli effetti dell'effetto di prossimità e dell'effetto pelle. Questo design irregolare delle sbarre ha migliorato le prestazioni delle tradizionali sbarre rettangolari⁹.

Per quanto riguarda l'aspetto dell'utilizzo della simulazione icepak, Wang et al. hanno effettuato una simulazione dell'aumento di temperatura attraverso le teorie del campo del vortice, del campo del flusso d'aria e del campo di temperatura e hanno scoperto che l'aumento della temperatura dell'unità principale dell'anello era più grave sotto convezione naturale. Hanno ridotto con successo il livello di aumento della temperatura aggiungendo un raffreddamento ad aria forzata e apportando miglioramenti alla struttura di contatto interna¹⁰. Zhu et ^al.11 hanno utilizzato l'icepak per simulare un modello termico al fine di confrontare l'effetto della presenza di vie termiche sul PCB e la presenza di dissipatori di calore sulla temperatura dei dispositivi di potenza. Infine, l'analisi teorica viene confrontata con i risultati della simulazione per verificare la correttezza dell'analisi teorica. Mao et ^al.12 hanno studiato la temperatura e la distribuzione del flusso d'aria interno in condizioni operative estive mediante simulazione termica basata sul software CAE nella simulazione icepak. Viene presentato il problema di come migliorare l'efficienza di raffreddamento e controllare l'aumento di temperatura di più contatti argentati e i contorni della temperatura e del flusso d'aria interno catturati nella simulazione getteranno le basi per la progettazione dello schema di raffreddamento per i sei contatti argentati montati nell'unità di tenuta. Al contrario, nell'uso di un modulo termico allo stato stazionario, vengono discussi i metodi di modellazione di Zhang¹³ per risolvere la rete termica di una boccola ad alta pressione utilizzando una procedura transitoria alternativa. I risultati dei test e delle simulazioni sono in buon accordo con lo stato stazionario termico e gli stati transitori della boccola. I risultati transitori vengono quindi utilizzati per valutare la capacità di sovraccarico della boccola. Vaimann et ^al.14 hanno sviluppato e analizzato un modello termico analitico di un motore sincrono a riluttanza per prevedere la temperatura dei suoi diversi componenti e la rete termica a parametro totale impostato.

Con il continuo progresso della ricerca sulle apparecchiature elettriche come le unità principali ad anello, i test convenzionali di aumento della temperatura e i metodi di produzione sono relativamente inefficienti. Pertanto, utilizzando la tecnologia degli elementi finiti combinata con i test offline, non solo vengono affrontati i problemi dei costi di progettazione, ma è possibile apportare prontamente modifiche e ottimizzazioni ai problemi del mondo reale sulla base di simulazioni. Sulla base dei progressi della ricerca sopra menzionati, l'uso di ANSYS Icepak e dell'accoppiamento termico allo stato stazionario per l'analisi comparativa è raramente menzionato. Pertanto, il protocollo descrive la ricerca dei meccanismi degli elementi finiti, utilizza combinazioni numeriche e morfologiche per stabilire un modello di simulazione dell'aumento della temperatura degli elementi finiti per l'involucro e discute il modello di simulazione dell'aumento della temperatura degli elementi finiti basato sui risultati dei due moduli analitici confrontando i risultati dei due moduli di simulazione. Attraverso il confronto tra i due moduli di simulazione, otterremo le caratteristiche dell'andamento dell'aumento di temperatura dell'unità principale ad anello e troveremo il metodo più applicabile in modo da fornire le basi necessarie e le idee di ricerca per una strategia per mitigare l'aumento di temperatura dell'unità principale ad anello.

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Protocollo

1. Modello

NOTA: A causa della complessa struttura dell'unità principale ad anello (Figura 1A), è stato scelto un software di progettazione online per semplificare il funzionamento dell'unità principale ad anello.

1. Semplificazione della modellazione
   1. Semplifica parzialmente il modello, preservando la sezione dell'air box dell'RMU e rimuovendo o semplificando altri componenti come alberi isolanti, bulloni di fissaggio, dadi, componenti di tenuta e staffe di supporto della pressione. La versione semplificata è mostrata in (Figura 1B).
      1. Nel processo di semplificazione dell'unità principale ad anello di tipo 630A, rimuovere l'albero isolato che collega la stanza dell'interruttore automatico con la scatola degli strumenti e molti bulloni e dadi fissi. Estrarre le parti di tenuta e la staffa di mantenimento della pressione e collegare i contatti statici della trave statica isolata con la sbarra di derivazione inferiore con la premessa di garantire che l'intera configurazione abbia la stessa corrente conduttiva e che vengano mantenuti solo l'interruttore a vuoto, la piastra di fissaggio dell'interruttore automatico e i contatti statici e l'interruttore a vuoto.
      2. Conservare solo l'interruttore a vuoto, la piastra di fissaggio dell'interruttore automatico, il contatto statico e la piastra di blocco dell'interruttore a vuoto. Nel complesso, rimuovere i bulloni e le guarnizioni dal modello, riempire i fori dopo aver rimosso i bulloni con solidi, ridurre il numero di parti mesh e ottimizzare le forme irregolari delle parti. Rimuovere gli strumenti per il funzionamento del pannello, le piastre di montaggio, le staffe e altre parti operative, come le scatole degli strumenti, che non hanno alcun effetto sul processo di simulazione dell'aumento della temperatura.
      3. La rimozione degli alloggiamenti isolati di alcuni componenti può essere ignorata durante la simulazione in quanto hanno scarso effetto sui risultati della simulazione. Inoltre, gli interruttori di messa a terra che non hanno alcun effetto sull'uso dell'apparecchiatura durante il normale funzionamento li rimuovono e mantengono la stanza dell'interruttore automatico per la simulazione.
   2. Per eliminare qualsiasi sezione, è sufficiente selezionarla e fare clic sull'opzione Elimina .

2. Soluzione in campo parassito

1. Impostazioni di pre-elaborazione
   NOTA: L'emulazione del campo delle correnti parassite è la base per l'esecuzione della soluzione del campo di temperatura, che richiede la successiva analisi della fonte di calore risolta come carico sul campo di temperatura.
   1. Fare riferimento alla documentazione dell'apparecchiatura dell'unità principale ad anello e ai relativi manuali per raccogliere informazioni sulle proprietà fisiche e sui parametri di ciascun componente dell'unità principale ad anello. Impostare gli attributi fisici e i parametri dei componenti dell'unità principale dell'anello in Maxwell in base alle informazioni ottenute, come descritto in dettaglio nella Tabella 1.
   2. Impostare la corrente di carico del campo a correnti parassite a 630 A con una frequenza di 50 Hz. Nel software Maxwell, selezionare un lato dei bracci in uscita superiore e inferiore, accedere al modulo di eccitazione e impostare l'ampiezza della corrente su 630 A. Nella sezione delle impostazioni della soluzione, scegli una frequenza di 50 Hz.
      NOTA: Nel circuito conduttivo di un'unità principale ad anello, il percorso formato da tutti i componenti dal braccio di uscita superiore al braccio di uscita inferiore è noto come sequenza di fase. Pertanto, in questo documento, le fasi A, B e C sono disposte da sinistra a destra.
   3. I parametri del materiale dei componenti dell'unità principale ad anello sono mostrati nella Tabella 2.
   4. Dirigere la corrente attraverso i bracci di linea in uscita, i collegamenti flessibili, le sbarre, gli interruttori automatici, le sbarre di supporto dei contatti statici e le sbarre di derivazione per ogni fase. Lo scopo è quello di realizzare un percorso di corrente che permetta ai componenti di completare il carico.
   5. Utilizza la mesh adattiva di Maxwell per completare il controllo della griglia per il modello. Utilizzare il metodo di partizionamento adattivo della mesh Maxwell per i componenti più grandi e il perfezionamento della mesh locale per i componenti interni più piccoli.
      NOTA: Maxwell è in grado di migliorare continuamente la precisione della griglia durante il processo di risoluzione, eliminando la necessità di fare clic su Operazioni mesh per ulteriori partizioni mesh.
   6. Impostare le dimensioni del passaggio della soluzione. Fare clic su Analisi nell'albero del modello, aprire le impostazioni del passo di risoluzione e impostare il numero massimo di passate su 10. Mantieni le altre impostazioni ai valori predefiniti senza apportare modifiche.
2. Principio del calcolo del campo delle correnti parassite^15,16.
   1. Usa la prima equazione di Maxwell, che descrive l'azione della carica sulla generazione di un campo elettrico¹⁷.
      (1)
      dove ρ rappresenta la densità di carica; ε₀ rappresenta la costante dielettrica del vuoto.
   2. Usa la seconda equazione di Maxwell, che descrive la relazione tra un campo magnetico variabile e un campo elettrico e l'effetto di un campo magnetico sul moto di una carica.
      (2)
      dove rappresenta l'intensità del campo magnetico. Questa equazione descrive che un campo magnetico variabile produce un campo elettrico a vortice, cioè lo spin del campo elettrico a vortice è uguale al negativo della velocità di variazione del campo magnetico nel tempo.
   3. Usa la terza equazione di Maxwell, che descrive l'effetto della carica magnetica sulla produzione di un campo magnetico.
      (3)
      Questa equazione descrive il campo magnetico prodotto da una carica magnetica come passivo, cioè non ci sono monopoli nel campo magnetico.
   4. Usa la quarta equazione di Maxwell, che descrive la relazione tra un campo elettrico variabile e un campo magnetico e l'effetto di una corrente elettrica su un campo magnetico.
      (4)
      dove rappresenta la densità di corrente e μ₀ rappresenta la permeabilità al vuoto. Questa equazione descrive che un campo elettrico variabile produce un campo magnetico a vortice, cioè lo spin del campo magnetico a vortice è uguale alla somma della densità di corrente e della velocità di variazione del campo elettrico nel tempo.
   5. Sulla base delle equazioni di cui sopra, utilizzare il modulo risolutore Maxwell 3D utilizzando correnti parassite per risolvere la perdita ohmica generata dal circuito conduttivo nell'RMU, che fornisce una fonte di calore per la successiva analisi della simulazione termica. La sua espressione matematica è data come¹⁸
      (5)
      dove σ denota la conduttività del materiale dell'anello conduttore; J è la densità di corrente nel circuito.
3. Risultati del calcolo
   1. Fare clic sull'opzione Maxwell 3D nell'interfaccia e aprire il controllo di convalida per rivedere tutte le impostazioni alla ricerca di errori. Se non ci sono errori, procedi facendo clic su Analizza tutto per avviare il processo di risoluzione.
   2. Utilizzare il calcolatore di post-elaborazione di Maxwell per calcolare e tracciare le perdite ohmiche nel campo delle correnti parassite dell'unità principale dell'anello, come mostrato nella Tabella 3.

3. Soluzione del campo di temperatura

NOTA: A scopo comparativo, dividere il campo di temperatura in Icepak e termica allo stato stazionario. Imposta e risolvi ciascuno separatamente per ottenere un'analisi comparativa.

1. Configurazione del modello Icepak
   1. Impostare le proprietà del materiale come segue: designare tutti i materiali solidi del circuito come Cu-Pure, con superfici che utilizzano Cu-polished-surface. Per i componenti del pannello, selezionare il materiale Aluminium6061-T6 , con un rivestimento superficiale di superficie Paint-AL con un'emissività di 0,35. Vedere la Tabella 4 per i dettagli. Fare clic con il pulsante destro del mouse sul componente selezionato, fare clic su Modifica e quindi andare su Proprietà per impostare il materiale sia per la superficie che per i materiali solidi.
   2. Seleziona il modello e fai clic su Imposta nel menu Modifica, quindi scegli Livello di mesh multilivello per regolare le impostazioni della mesh. Impostare l'armadio esterno su un livello di mesh pari a 2 e tutti i limiti su un livello di mesh pari a 2. Per tutti gli altri componenti, impostare il livello di mesh su 3. Infine, apri il controllo Mesh e fai clic su Genera per creare la mesh.
   3. Per garantire l'accuratezza e l'efficienza della simulazione, indipendentemente dalle dimensioni della rete, è necessaria la convalida dell'indipendenza dalla rete. Importa il modello geometrico dell'involucro del campo di temperatura, stabilito utilizzando il software di progettazione per la mesh.
   4. Come illustrato nella Figura 2, le curve di polarizzazione dei quattro insiemi di griglie sono ben allineate. A una tensione di lavoro di 0,5 V, le densità di corrente per i quattro set di reti sono rispettivamente di 2,357 A/cm², 2,358 A/cm², 2,356 A/cm² e 2,454 A/cm², con un errore tra la densità massima e quella di corrente inferiore all'1%. Per bilanciare efficienza e precisione, determinare la dimensione della griglia che viene 987924.
2. Configurazione della soluzione
   1. Impostare le indicazioni del dominio della soluzione Cabinet su Opening.
   2. Nel software, selezionare Passaggio problema. In Parametri di base, controllare il modello di radiazione superficie-superficie, scegliere Equazione zero per Regime di flusso turbolento, selezionare l'opzione Gravità per Convezione naturale e impostare la temperatura ambiente su 20 °C.
   3. Nelle impostazioni del file, scegli Perdite di calore volumetriche per la mappatura EM e seleziona Tutti gli oggetti mostrati per completare le impostazioni di perdita.
3. Calcolo del campo di temperatura
   1. In icepak, applicare tre principali equazioni di conservazione dell'energia: equazione di conservazione della massa, equazione di conservazione della quantità di moto ed equazione di conservazione dell'energia. In particolare, utilizzare l'equazione di conservazione della quantità di moto, che è la seguente¹⁹:
      (6)
      Equazione di conservazione dell'energia:
      (7)
      Equazioni di conservazione della massa:
      (8)
      Equazione del trasferimento di energia per il trasferimento di calore da una fonte di calore solida:
      (9)
      ρ rappresenta la densità del fluido; v rappresenta il vettore della velocità del flusso; T rappresenta la temperatura; p è la pressione; τ è la forza viscosa sulla superficie del micrometabolita; κ è il coefficiente di scambio termico; S_hè la fonte di calore corporeo; h è l'entalpia specifica del fluido e F è la forza corporea del micrometabolita.
      NOTA: I risultati dei calcoli del campo di temperatura sono mostrati nella Figura 3A e nella Figura 4A.
4. Configurazione del modello termico in stato stazionario
   1. Mantenere le proprietà del materiale come indicato nella Tabella 3 nelle impostazioni del materiale. Generare le perdite ohmiche risultanti dall'analisi della simulazione del campo delle correnti parassite nel modulo termico a stato stazionario facendo clic su Generazione carico termico .
   2. Fare clic sul valore della temperatura convettiva e impostarlo su 20 °C, con un coefficiente convettivo di 5 (W/m²°C) applicato alle pareti interne dell'armadio, dei componenti e dell'armadio esterno. Applicare le impostazioni e generare. Imposta l'output per risolvere la temperatura facendo clic su Risolvi > Risultati output.
      NOTA: Il principale campo di temperatura che governa le equazioni nel principio di calcolo del campo di temperatura termica^allo stato stazionario 20,21,22 è solitamente derivato dalla legge di conduzione del calore (legge di Fourier della conduzione del calore). Nel caso unidimensionale, l'equazione di trasferimento del calore del campo di temperatura può essere espressa come²⁰:
      (10)
      In questa equazione, T rappresenta la temperatura all'interno dell'oggetto, t è il tempo, x sono le coordinate spaziali e α è la diffusività termica. Questa equazione descrive la variazione della temperatura rispetto al tempo e allo spazio, dove il lato destro esprime la relazione tra la velocità di conduzione del calore e il gradiente di temperatura. In uno scenario tridimensionale più generale, l'equazione di conduzione del calore per il campo di temperatura può essere espressa nella seguente forma:
      (11)
      ρ rappresenta la densità dell'oggetto, c è la capacità termica specifica, K è la conducibilità termica e Q è il termine della fonte di calore all'interno del volume. Questa equazione descrive la variazione del campo di temperatura, influenzata dalla conduzione del calore, dalle fonti di calore e dalla capacità termica.
   3. I risultati del calcolo del campo di temperatura sono mostrati nella Figura 3. Confrontare i valori di temperatura riassunti nella Tabella 5 e nella Tabella 6.

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Risultati

Sulla base dei dati della Tabella 3, si possono trarre le seguenti conclusioni: Le perdite complessive per le fasi A, B e C sono relativamente simili. In particolare, le perdite totali per la Fase A sono di 16,063 W/m³, la Fase B è di 16,12 W/m³ e la Fase C è di 19,57 W/m³. Le posizioni con perdite più elevate possono essere in corrispondenza delle connessioni di vari componenti. Ciò è dovuto principalmente al fatto che in questi punti di connessione esistono tip...

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Discussione

Questo documento è un'analisi di simulazione comparativa dell'aumento di temperatura dell'armadio ad anello basata su software di modellazione ingegneristica e software agli elementi finiti e la soluzione più adatta per l'effettiva situazione di aumento della temperatura viene analizzata da due moduli di soluzione del campo di temperatura agli elementi finiti. La gestione termica è anche descritta in Icoz²³ come una componente critica ed essenziale per mantener...

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Materiali

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