リング本体の温度上昇シミュレーションの比較検討

要約

本稿では、リング本体の温度上昇問題に、簡易モデルを確立し、2つの温度場解モジュールで比較解析を行うことで対処します。

要約

リングメインユニット(RMU)は、電力の接続と配電に使用される配電システムの重要なデバイスです。しかし、そのコンパクトな内部構造と高電流負荷のため、熱放散の問題が特に顕著です。この問題に対処するために、この研究では、有限要素シミュレーション手法を使用して、実際の動作条件下での導体のオーム損失を正確に解き、さまざまなコンポーネントのオーム損失データを取得する、簡略化されたRMUモデルを革新的に提案します。これは、このような包括的なアプローチを使用してRMUの温度上昇問題を詳細に調査した初めてのものです。その後、2つの異なる温度場解析モジュールを使用して温度場を解き、シミュレーション結果を詳細に比較および解析して、温度分布の類似点、相違点、および傾向を特定しました。この結果は、対流熱伝達を考慮した温度場解モデルの方が精度が高く、実際の動作条件に合致していることを示しています。この研究は、RMUの設計と最適化のための革新的なアプローチと実用的なソリューションを提供します。今後の研究では、高電圧および超高電圧のRMUやその他の電気機器の構造設計と必須の検証問題に対処するためのマルチフィジックス連成解析手法をさらに探求し、エンジニアリング設計に重要な洞察を提供することができます。

概要

リングメインユニットは、スチール製の金属製キャビネットに取り付けられた、または電気機器の組み立てられた間隔を空けたリングネットワーク電源ユニットで作られた高電圧開閉装置のグループです。ロードスイッチと導電回路の全体的な構造は、リングユニットのメインコアを構成するいくつかのコンポーネントを含む導電回路で構成されています。しかし、内部構造がコンパクトなため、リング本体は放熱性に課題があります。これにより、高温環境で長期間運転すると、熱変形や経年劣化につながる可能性があります。これらの問題は、ユニットの耐用年数に影響を与えるだけでなく、その絶縁特性にも影響を及ぼし、安全上のリスクをもたらします。特に、機器の損傷や電気事故が発生する可能性が高くなり、重大な安全上の問題を引き起こします。

さまざまな研究分野で、学者は架空送電線開閉装置の温度上昇に関する一連の研究を行い、温度分布に影響を与えるさまざまな要因を分析してきました¹。Polykrati et ^al.2では、短絡障害時の配電ネットワークに設置された部品の温度上昇を推定するための数学的モデルが提示されています。このモデルは、ネットワークの一般的な切断スイッチに適用され、結果の特性は、短絡電流波形の非対称部分のさまざまな形式と短絡DC電流成分の初期値に従ってプロットされました。一方、Guanらは、接触界面をシミュレートするための等価な接触ブリッジを構築することにより、接触抵抗と電磁反発を考慮に入れ、電磁-熱結合場と温度上昇実験³をさらに分析しました。さらに、研究者らは、有限要素シミュレーションによってリング本体内部の動的接点と静的接点の温度場と熱応力分布を調査し、サーキットブレーカーの寿命⁴の研究の基礎を提供しました。最後に、Muellerらはヒートシンクの幾何学的特性に焦点を当て、材料の選択、総表面積、温度均一性、および最大表面温度が熱性能に及ぼす影響を評価しました⁵。これらの研究は、開閉装置の性能と信頼性を向上させ、温度上昇を抑え、機器の寿命を延ばすための貴重な洞察と方法を提供します。Wangらは、電気リングキャビネットの故障診断を検出する目的で、UPIOT環境におけるMiNET Deep Learning Model(MDLM)を提案し、他の方法よりも大幅に高い99.1%の識別精度を持つことが確認されました⁶。Leiらは、磁気流体熱連成解析法を使用して定常状態のGISバスバーの熱性能を研究し、温度上昇シミュレーション結果⁷に基づいて導体とタンクの直径を最適化しました。Ouerdaniらは、RMU温度上昇シミュレーションモデルを使用して、その内部の重要な位置での温度上昇を決定し、それにより、それに応じてRMU内部のコンポーネントの最大過負荷の持続時間を固定しました⁸。Zhengらは、2次元モデルを構築し、電磁界計算に有限要素法(FEM)を適用することにより、高電流開閉装置のモデルにおける従来の長方形バスバーについて説明しました。これにより、バス導体、電流密度、電力損失の分布を得ることができました。イレギュラーバスバーは、近接効果と表皮効果の影響を考慮した上で設計されました。この不規則なバスバー設計により、従来の長方形バス^バー9の性能が向上しました。

アイスパックシミュレーションの側面としては、Wangらが渦場、気流場、温度場の理論を通じて温度上昇シミュレーションを行い、自然対流下ではリング本体の温度上昇がより深刻になることを発見しました。彼らは、強制空冷を追加し、内部接点構造¹⁰を改善することにより、温度上昇レベルを減少させることに成功しました。Zhu et ^al.11 は、アイスパックを使用して熱モデルをシミュレートし、PCB 上のサーマルビアの存在とヒートシンクの存在がパワーデバイスの温度に及ぼす影響を比較しました。最後に、理論解析をシミュレーション結果と比較し、理論解析の正確性を検証します。Mao et ^al.12 は、icepakシミュレーションのCAEソフトウェアに基づく熱シミュレーションにより、夏季の運転条件下での温度と内部気流分布を研究しました。冷却効率を向上させ、複数の銀メッキ接点の温度上昇を制御する方法の問題が提起され、シミュレーションでキャプチャされた温度と内部の気流の輪郭は、シーリングユニットに取り付けられた6つの銀メッキ接点の冷却スキームの設計の基礎となります。逆に、定常状態の熱モジュールの使用では、代替の過渡手順を使用して高圧ブッシングの熱ネットワークを解くためのZhang¹³ モデリング法について説明します。テスト結果とシミュレーション結果は、ブッシュの熱定常状態と非定常状態とよく一致しています。次に、過渡結果を使用して、ブッシングの過負荷容量を評価します。Vaimann et ^al.14 は、同期リラクタンス モーターのさまざまなコンポーネントの温度と設定された合計パラメーターの熱ネットワークを予測するための解析熱モデルを開発および分析しました。

リング本体などの電気機器の研究が進む中、従来の温度上昇試験や製造方法は比較的非効率的でした。したがって、オフラインテストと組み合わせた有限要素技術を活用することで、設計コストの問題に対処するだけでなく、シミュレーションに基づいて実際の問題に迅速に調整と最適化を行うことができます。上記の研究の進歩を踏まえると、ANSYS Icepakと定常熱連成を比較解析に使用していることはほとんど言及されていません。したがって、プロトコルでは、有限要素のメカニズム研究について説明し、数値と形態学の組み合わせを使用してエンクロージャの有限要素温度上昇シミュレーションモデルを確立し、2つのシミュレーションモジュールの結果を比較することにより、2つの解析モジュールの結果に基づく有限要素温度上昇シミュレーションモデルについて説明します。2つのシミュレーションモジュールの比較を通じて、リング本体の温度上昇傾向の特性を取得し、リング本体の温度上昇を軽減するための戦略に必要な基礎と研究アイデアを提供するために、最も適切な方法を見つけます。

プロトコル

1.モデル

注:リング本体(図1A)の構造が複雑なため、リング本体の操作を簡素化するためにオンライン設計ソフトウェアが選択されました。

1. モデリングの簡素化
   1. モデルを部分的に簡略化し、RMUのエアボックスセクションを維持しながら、絶縁シャフト、固定ボルト、ナット、シーリングコンポーネント、圧力サポートブラケットなどの他のコンポーネントを取り外したり簡略化したりします。簡略化されたバージョンを(図1B)に示します。
      1. 630Aタイプのリング本体を簡略化する過程で、サーキットブレーカー室と計器ボックスと多くの固定ボルトとナットをつなげている絶縁シャフトを取り外します。シーリング部品と保圧ブラケットを取り出し、全体のセットアップが同じ導電電流を持ち、真空回路ブレーカー、回路ブレーカー固定プレート、および静的接点と真空回路ブレーカーのみが保持されることを保証することを前提として、絶縁された静的ビームの静的接点を下分岐バスバーに接続します。
      2. 真空回路ブレーカー、回路ブレーカー固定プレート、静電気接点、および真空回路ブレーカーブロッキングプレートのみを保持します。全体として、モデルからボルトとガスケットを取り外し、ボルトをソリッドで取り外した後に穴を埋め、メッシュパーツの数を減らし、パーツの不規則な形状を最適化します。パネル操作用の機器、取り付けプレート、ブラケット、および温度上昇シミュレーションプロセスに影響を与えない計器ボックスなどの他の操作部品を取り外します。
      3. 一部のコンポーネントの絶縁ハウジングの取り外しは、シミュレーション結果にほとんど影響しないため、シミュレーションでは無視できます。さらに、通常の運用中に機器の使用に影響を与えない接地スイッチは、それらを取り外し、シミュレーション用の回路ブレーカールームを保持します。
   2. セクションを削除するには、セクションを選択して[ 削除 ]オプションをクリックするだけです。

2.渦場ソリューション

1. 前処理設定
   注:渦電流場エミュレーションは、温度場解析を実行するための基礎であり、温度場の負荷として解決された熱源をその後に分析する必要があります。
   1. リング本体の機器マニュアルと関連マニュアルを参照して、リング本体の各コンポーネントの物理的特性とパラメータに関する情報を収集してください。 表1に詳述されているように、取得した情報に基づいて、Maxwellのリング本体コンポーネントの物理的属性とパラメータを設定します。
   2. 渦電流フィールド負荷電流を630A、周波数50Hzに設定します。Maxwellソフトウェアで、 One Side of the Upper and Lower Outgoing Armsを選択し、励起モジュールに入り、電流の大きさを630 Aに設定します。ソリューション設定セクションで、 周波数を50Hzに選択します。
      注意: リング本体の導電回路では、上部出口アームから下部出口アームまでのすべてのコンポーネントによって形成される経路は、位相シーケンスとして知られています。したがって、この論文では、フェーズA、B、およびCを左から右に並べています。
   3. リング本体のコンポーネントの材料パラメータを 表2に示します。
   4. 各フェーズの発信ラインアーム、フレキシブル接続、バスバー、サーキットブレーカー、静的接点サポートバスバー、および分岐バスバーに電流を送ります。その目的は、コンポーネントが負荷を完了できる電流経路を実現することです。
   5. Maxwellのアダプティブメッシングを利用して、モデルのグリッド制御を完了します。大きなコンポーネントにはMaxwellアダプティブメッシュ分割法を使用し、小さな内部コンポーネントにはローカルメッシュ細分化を使用します。
      注:Maxwellは、解析プロセス中にグリッド精度を継続的に向上させることができるため、追加のメッシュ 分割のためにメッシュ操作 をクリックする必要がなくなります。
   6. 解析のステップ サイズを設定します。モデルツリーで 「解析 」をクリックし、「ソルブステップ」設定を開いて、「パスの最大数」を10に設定します。他の設定は、何も変更せずにデフォルト値のままにします。
2. 渦流場計算の原理^15,16.
   1. 電場¹⁷の生成に対する電荷の作用を説明するマクスウェルの最初の方程式を使用します。
      (1)
      ここで、ρ は電荷密度を表します。 ε₀ は真空誘電率を表します。
   2. 変化する磁場と電場との関係、および電荷の運動に対する磁場の影響を説明するマクスウェルの2番目の方程式を使用します。
      (2)
      ここで 、 は磁場の強さを表します。この方程式は、変化する磁場が渦電場を生成する、つまり、渦電場のスピンが時間とともに磁場の変化率の負に等しいことを説明しています。
   3. 磁場の生成に対する磁荷の影響を説明するマクスウェルの3番目の方程式を使用します。
      (3)
      この方程式は、磁荷によって生成される磁場が受動的である、つまり磁場にモノポールが存在しないと説明しています。
   4. マクスウェルの 4 番目の方程式は、変化する電場と磁場との関係、および電流が磁場に及ぼす影響を表します。
      (4)
      ここで 、 は電流密度、μ₀ は真空透過性を表します。この方程式は、変化する電場が渦磁場を生成する、つまり、渦磁場のスピンは、電流密度と電場の時間変化率の合計に等しいことを説明しています。
   5. 上記の式に基づいて、Maxwell 3D using Eddy current solverモジュールを使用して、RMUの導電回路によって生成されるオーミック損失を解き、その後の熱シミュレーション解析のための熱源を提供します。その数式は¹⁸ として与えられます
      (5)
      ここで、σ は導電ループ材料の導電率を示します。Jはループ内の電流密度です。
3. 計算結果
   1. インターフェイスの Maxwell 3D オプションをクリックし、検証チェックを開いて、エラーのすべての設定を確認します。エラーがない場合は、[ すべて分析] をクリックして解決プロセスを開始します。
   2. 表3に示すように、Maxwellの後処理計算機を使用して、リング本体の渦電流フィールドのオーミック損失を計算してプロットします。

3.温度場溶液

注:比較のために、温度フィールドをIcepakと定常温度に分けます。それぞれを個別に設定して解決し、比較分析を実現します。

1. Icepak モデルのセットアップ
   1. 材料特性を次のように設定します:すべての回路ソリッド材料をCu-Pureとして指定し、表面はCu-polished-surfaceを使用します。パネルコンポーネントには、 Aluminum6061-T6 材料を選択し、放射率0.35のPaint-AL表面の表面コーティングを施します。詳細については、 表 4 を参照してください。 選択したコンポーネントを右クリックし、[ 編集 ]をクリックしてから、[ プロパティ ]に移動して、サーフェス材料とソリッド材料の両方の材料を設定します。
   2. モデルを選択し、[編集]メニューの [設定 ]をクリックし、[ マルチレベルメッシュレベル ]を選択してメッシュ設定を調整します。外部キャビネットをメッシュ レベル 2 に設定し、すべての境界をメッシュ レベル 2 に設定します。他のすべてのコンポーネントについては、メッシュ レベルを 3 に設定します。最後に、メッシュ コントロールを開き、[ 生成 ] をクリックしてメッシュを作成します。
   3. グリッドサイズに関係なくシミュレーションの精度と効率を確保するためには、グリッドの独立性の検証が必要です。メッシング用の設計ソフトウェアを使用して確立された温度場エンクロージャの幾何学的モデルをインポートします。
   4. 図2に示すように、4つのグリッドセットの偏光曲線は整列しています。動作電圧が0.5Vの場合、4つのグリッドセットの電流密度はそれぞれ2.357 A/cm²、2.358 A/cm²、2.356 A/cm²、2.454 A/cm²で、最大密度と電流密度の間の誤差は1%未満です。効率と精度のバランスをとるには、987924になるグリッドサイズを決定します。
2. ソリューションのセットアップ
   1. ソリューション ドメイン キャビネットの方向を [開口部] に設定します。
   2. ソフトウェアで、[ 問題ステップ]を選択します。[基本パラメータ]で[ Surface-to-Surface Radiation Model]をオンにし、[乱流領域]で[ ゼロ方程式 ]を選択し、[自然対流]で [重力 ]オプションを選択し、周囲温度を 20 °C に設定します。
   3. [ファイル]設定で、[EMマッピングの 体積熱損失 ]を選択し、[ 表示されているすべてのオブジェクト ]を選択して損失設定を完了します。
3. 温度場の計算
   1. icepakでは、エネルギーの3つの主要な保存方程式(質量保存方程式、運動量保存方程式、エネルギー保存方程式)を適用します。具体的には、次の¹⁹である運動量保存方程式を使用します。
      (6)
      エネルギー保存方程式:
      (7)
      質量保存方程式:
      (8)
      固体熱源からの熱伝達のエネルギー伝達方程式:
      (9)
      ρ は流体の密度を表します。 v は流速ベクトルを表します。 Tは 温度を表します。 p は圧力です。 τ は、微小代謝物の表面上の粘性力です。κ は熱伝達係数です。 S_hは体の熱源です。 h は流体の比エンタルピー、 F は微小代謝物の体力です。
      注:温度場の計算結果を 図3A と図4Aに示します。
4. 定常熱モデルのセットアップ
   1. 材料設定の 表3 に従って材料特性を維持します。Steady State Thermalモジュールでの渦電流場シミュレーション解析から生じるオーム損失を生成するには、 Thermal Load Generationをクリックします。
   2. [Convective Temperature Value] をクリックして 20 °C に設定し、キャビネット、コンポーネント、および外部キャビネットの内壁に対流係数 5 (W/m²°C) を適用します。設定を適用して生成します。Solve > Output Resultsをクリックして、温度を解析する出力を設定します。
      注:定常状態の熱温度場計算20,21,22の原理で方程式を支配する主な温度場は、通常、熱伝導の法則(フーリエの熱伝導の法則)から導き出されます。1次元の場合、温度場熱伝達方程式は²⁰として表すことができます。
      (10)
      この方程式では、 T はオブジェクト内の温度、 t は時間、 xは空間座標、α は熱拡散率を表します。この方程式は、時間と空間に対する温度の変化を表しており、右側は熱伝導率と温度勾配の関係を表しています。より一般的な 3 次元シナリオでは、温度場の熱伝導方程式は次の形式で表すことができます。
      (11)
      ρは物体の密度、 c は比熱容量、 K は熱伝導率、 Q は体積内の熱源項です。この式は、熱伝導、熱源、および熱容量の影響を受ける温度場の変化を表しています。
   3. 温度場の計算結果を 図 3に示します。 表5 と 表6にまとめた温度値を比較します。

結果

表3のデータに基づいて、次の結論を導き出すことができます:フェーズA、B、およびCの全体的な損失は比較的類似しています。具体的には、フェーズAの総損失は16.063 W /m³、フェーズBは16.12 W /m³、フェーズCは19.57 W /m³です。損失が大きい場所は、さまざまなコンポーネントの接続部にある可能性があります。これは主に、接触抵抗と導体抵抗が通常、こ?...

ディスカッション

この論文は、エンジニアリングモデリングソフトウェアと有限要素ソフトウェアに基づくリングキャビネットの温度上昇の比較シミュレーション分析であり、実際の温度上昇状況に最適な解決策を2つの有限要素温度場ソリューションモジュールによって分析します。熱管理は、電子部品の高効率と信頼性を維持するための重要かつ不可欠なコンポーネントとして

資料

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