Ring Main Unit의 온도 상승 시뮬레이션에 대한 비교 연구

요약

이 논문은 단순화된 모델을 설정하고 두 개의 온도 필드 해석 모듈에서 비교 분석을 수행하여 링 본체의 온도 상승 문제를 해결합니다.

초록

RMU(Ring Main Unit)는 전기 연결 및 분배에 사용되는 배전 시스템의 중요한 장치입니다. 그러나 컴팩트한 내부 구조와 높은 전류 부하로 인해 방열 문제가 특히 두드러집니다. 이 문제를 해결하기 위해 본 연구는 유한 요소 시뮬레이션 방법을 사용하여 실제 작동 조건에서 도체의 옴 손실을 정확하게 해결하고 다양한 구성 요소에 대한 옴 손실 데이터를 얻는 단순화된 RMU 모델을 혁신적으로 제안합니다. 이것은 이러한 포괄적인 접근 방식을 사용하여 RMU의 온도 상승 문제에 대한 최초의 심층 조사입니다. 그 후, 두 개의 서로 다른 온도 필드 분석 모듈을 사용하여 온도 필드를 해결했으며, 시뮬레이션 결과를 자세히 비교 및 분석하여 온도 분포의 유사점, 차이점 및 추세를 식별했습니다. 결과는 대류 열 전달을 고려하는 온도 필드 솔루션 모델이 더 정확하고 실제 작동 조건과 일치한다는 것을 나타냅니다. 이 연구는 RMU의 설계 및 최적화를 위한 혁신적인 접근 방식과 실용적인 솔루션을 제공합니다. 향후 연구에서는 고전압 및 초고압 RMU 및 기타 전기 장비에 대한 구조 설계 및 필수 검증 문제를 해결하기 위한 다중물리 결합 분석 방법을 추가로 탐구하여 엔지니어링 설계에 중요한 통찰력을 제공할 수 있습니다.

서문

링 메인 유닛은 강철 금속 캐비닛에 장착되거나 전기 장비의 조립된 간격 링 네트워크 전원 공급 장치로 만들어진 고전압 개폐 장치 그룹입니다. 부하 스위치와 전도성 회로의 전체 구조는 전도성 회로로 구성되며, 여기에는 링 유닛의 주요 코어를 구성하는 여러 구성 요소가 포함됩니다. 그러나 컴팩트한 내부 구조로 인해 링 본체는 방열 문제에 직면해 있습니다. 이는 고온 환경에서 장기간 작동할 경우 열 변형 및 노화로 이어질 수 있습니다. 이러한 문제는 장치의 서비스 수명에 영향을 미칠 뿐만 아니라 절연 특성에도 영향을 미쳐 안전 위험을 초래합니다. 특히 장비 손상 및 전기 사고가 발생할 가능성이 높아져 심각한 안전 위험을 초래합니다.

다양한 연구 분야에서 학자들은 가공선 개폐 장치의 온도 상승에 대한 일련의 연구를 수행하고 온도 분포에 영향을 미치는 다양한 요인을 분석했습니다¹. Polykrati et ^al.2에서는 단락 오류 동안 배전망에 설치된 구성 요소의 온도 상승을 추정하기 위한 수학적 모델을 제시합니다. 이 모델은 네트워크의 공통 분리 스위치에 적용되었으며 단락 전류 파형의 비대칭 부분의 다양한 형태와 단락 DC 전류 구성 요소의 초기 값에 따라 결과의 특성을 표시했습니다. 한편, Guan et al.은 접촉 인터페이스를 시뮬레이션하기 위해 등가 접촉 브리지를 구축하여 접촉 저항과 전자기 반발력을 고려하고 전자기-열 결합 필드 및 온도 상승 실험을 추가로 분석했습니다³. 또한, 연구원들은 유한 요소 시뮬레이션을 통해 링 본체 내부의 동적 및 정적 접촉의 온도 필드와 열 응력 분포를 조사했으며, 이는 회로 차단기 수명⁴ 연구의 기초를 제공했습니다. 마지막으로, Mueller et al.은 방열판의 기하학적 특성에 초점을 맞추고 재료 선택, 총 표면적, 온도 균일성 및 최대 표면 온도가 열 성능에 미치는 영향을 평가했습니다⁵. 이러한 연구는 개폐기 성능과 신뢰성을 개선하고, 온도 상승을 줄이고, 장비 수명을 연장할 수 있는 귀중한 통찰력과 방법을 제공합니다. Wang et al.은 전기 링 캐비닛의 고장 진단을 감지하기 위해 UPIOT 환경에서 MiNET Deep Learning Model(MDLM)을 제안했으며, 이는 다른 방법보다 훨씬 높은 99.1%의 식별 정확도를 갖는 것으로 검증되었습니다⁶. Lei et al.은 자기-유체-열 결합 해석 방법을 사용하여 정상 상태에서 GIS 버스바의 열 성능을 연구하여 온도 상승 시뮬레이션 결과를 기반으로 도체와 탱크 직경을 최적화했습니다⁷. Ouerdani et al.은 RMU 온도 상승 시뮬레이션 모델을 사용하여 내부 임계 위치에서의 온도 상승을 결정함으로써 RMU 내부 구성 요소의 최대 과부하 지속 시간을 그에 따라 고정했습니다⁸. Zheng et al.은 2차원 모델을 구축하고 전자기장 계산을 위해 유한요소법(FEM)을 적용하여 고전류 개폐 장치 모델에서 기존의 직사각형 버스바를 설명했습니다. 이를 통해 버스 도체 전류 밀도 및 전력 손실의 분포를 얻을 수 있었습니다. 불규칙한 부스바는 근접 효과와 피부 효과의 효과를 고려하여 설계되었습니다. 이러한 불규칙한 부스바 설계는 종래의 직사각형 버스바(⁹)의 성능을 향상시켰다.

아이스팩 시뮬레이션을 사용하는 측면과 관련하여, Wang 등은 와류장, 기류장, 온도장 이론을 통해 온도 상승 시뮬레이션을 실시한 결과, 자연 대류에서 고리 본체의 온도 상승이 더 심각하다는 것을 발견했다. 그들은 강제 공기 냉각을 추가하고 내부 접촉 구조¹⁰을 개선하여 온도 상승 수준을 성공적으로 낮췄습니다. Zhu et ^al.11 은 PCB에 대한 열 비아의 존재와 방열판의 존재가 전력 장치의 온도에 미치는 영향을 비교하기 위해 아이스팩을 사용하여 열 모델을 시뮬레이션했습니다. 마지막으로, 이론적 분석은 이론적 분석의 정확성을 검증하기 위해 시뮬레이션 결과와 비교됩니다. Mao et ^al.12 는 아이스팩 시뮬레이션에서 CAE 소프트웨어를 기반으로 한 열 시뮬레이션을 통해 여름철 작동 조건에서 온도 및 내부 기류 분포를 연구했습니다. 여러 은도금 접점의 냉각 효율을 개선하고 온도 상승을 제어하는 방법에 대한 문제가 주어지며, 시뮬레이션에서 캡처된 온도 및 내부 공기 흐름 윤곽은 밀봉 장치에 장착된 6개의 은도금 접점에 대한 냉각 계획 설계의 토대를 마련할 것입니다. 반대로, 정상 상태 열 모듈을 사용할 때, Zhang¹³ 모델링 방법은 대체 과도 절차를 사용하여 고압 부싱의 열 네트워크를 해결하기 위해 논의됩니다. 테스트 및 시뮬레이션 결과는 부싱의 열 정상 상태 및 과도 상태와 잘 일치합니다. 그런 다음 과도 결과를 사용하여 부싱 과부하 용량을 평가합니다. Vaimann et ^al.14 은 다양한 구성 요소의 온도와 설정된 총 매개변수 열 네트워크를 예측하기 위한 동기 릴럭턴스 모터의 해석적 열 모델을 개발하고 분석했습니다.

링 메인 유닛과 같은 전기 장비에 대한 연구가 지속적으로 발전함에 따라 기존의 온도 상승 테스트 및 생산 방법은 상대적으로 비효율적입니다. 따라서 오프라인 테스트와 결합된 유한 요소 기술을 활용하면 설계 비용 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 시뮬레이션을 기반으로 실제 문제에 대한 조정 및 최적화를 신속하게 수행할 수 있습니다. 위에서 언급한 연구 진행 상황에 따르면 비교 분석을 위한 ANSYS Icepak 및 정상 상태 열 커플링의 사용은 거의 언급되지 않았습니다. 따라서 이 프로토콜은 유한 요소의 메커니즘 연구를 설명하고, 수치 및 형태학적 조합을 사용하여 인클로저에 대한 유한 요소 온도 상승 시뮬레이션 모델을 설정하고, 두 시뮬레이션 모듈의 결과를 비교하여 두 분석 모듈의 결과를 기반으로 유한 요소 온도 상승 시뮬레이션 모델에 대해 논의합니다. 두 시뮬레이션 모듈의 비교를 통해 링 본체의 온도 상승 추세 특성을 얻고 가장 적용 가능한 방법을 찾아 반지 본체의 온도 상승을 완화하기 위한 전략에 필요한 기초와 연구 아이디어를 제공합니다.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

프로토콜

1. 모델

알림: 링 본체(그림 1A)의 복잡한 구조로 인해 링 본체의 작동을 단순화하기 위해 온라인 설계 소프트웨어가 선택되었습니다.

1. 모델링 단순화
   1. 모델을 부분적으로 단순화하여 RMU의 에어 박스 섹션을 보존하면서 절연 샤프트, 고정 볼트, 너트, 밀봉 구성 요소 및 압력 지지 브래킷과 같은 다른 구성 요소를 제거하거나 단순화합니다. 단순화된 버전은 (그림 1B)에 나와 있습니다.
      1. 630A형 링 본체를 단순화하는 과정에서 차단기실과 계기판을 연결하는 절연축과 많은 고정 볼트 및 너트를 제거합니다. 밀봉 부품과 압력 유지 브래킷을 꺼내고 전체 설정이 동일한 전도성 전류를 가지며 진공 회로 차단기, 회로 차단기 고정 플레이트, 정적 접점 및 진공 회로 차단기만 유지되도록 한다는 전제 하에 격리된 정적 빔의 정적 접점을 하단 분기 부스바에 연결합니다.
      2. 진공 회로 차단기, 회로 차단기 고정 플레이트, 정전기 접점 및 진공 회로 차단 플레이트만 유지하십시오. 전반적으로 모델에서 볼트와 개스킷을 제거하고, 볼트를 제거한 후 구멍을 솔리드로 채우고, 메쉬 부품의 수를 줄이고, 부품의 불규칙한 모양을 최적화합니다. 패널 작동을 위한 기기, 마운팅 플레이트, 브래킷 및 온도 상승 시뮬레이션 프로세스에 영향을 주지 않는 기타 작동 부품(예: 기기 박스)을 제거합니다.
      3. 일부 구성요소의 절연 하우징을 제거하는 것은 시뮬레이션 결과에 거의 영향을 미치지 않으므로 시뮬레이션에서 무시할 수 있습니다. 또한 정상 작동 중 장비 사용에 영향을 미치지 않는 접지 스위치는 이를 제거하고 시뮬레이션을 위해 회로 차단기 공간을 유지합니다.
   2. 섹션을 삭제하려면 해당 섹션을 선택하고 삭제 옵션을 클릭하기만 하면 됩니다.

2. Eddy 필드 솔루션

1. 전처리 설정
   참고: 와전류장 에뮬레이션은 온도장 솔루션을 수행하기 위한 기초이며, 이를 위해서는 해결된 열원을 온도 필드에 대한 부하로 후속 분석해야 합니다.
   1. ring main unit에 대한 장비 문서와 관련 설명서를 참조하여 ring main unit의 각 구성 요소의 물리적 특성과 매개변수에 대한 정보를 수집하십시오. 표 1에 자세히 설명된 대로 얻은 정보를 기반으로 Maxwell에서 링 본체 구성 요소의 물리적 속성과 매개변수를 설정합니다.
   2. 와전류 필드 부하 전류를 50Hz의 주파수로 630A로 설정합니다. Maxwell 소프트웨어에서 상부 및 하부 나가는 암의 한 면을 선택하고 여기 모듈로 들어가 전류 크기를 630A로 설정합니다. 솔루션 설정 섹션에서 50Hz의 주파수를 선택합니다.
      알림: 링 본체의 전도성 회로에서 상부 출구 암에서 하부 출구 암까지 모든 구성 요소에 의해 형성된 경로를 위상 시퀀스라고 합니다. 따라서 이 논문에서는 A, B, C상을 왼쪽에서 오른쪽으로 정렬합니다.
   3. ring main unit 구성 요소의 재료 매개변수는 표 2에 나와 있습니다.
   4. 각 위상에 대한 출력 라인 암, 유연한 연결, 부스바, 회로 차단기, 정적 접점 지원 버스바 및 분기 버스바를 통해 전류를 보냅니다. 목표는 구성 요소가 하중을 완료할 수 있도록 하는 전류 경로를 실현하는 것입니다.
   5. Maxwell의 적응형 메싱을 활용하여 모델에 대한 그리드 제어를 완료합니다. 더 큰 부품에는 Maxwell 적응형 메쉬 분할 방법을 사용하고 더 작은 내부 구성요소에는 로컬 메쉬 미세 조정을 사용합니다.
      참고: Maxwell은 해석 프로세스 중에 그리드 정밀도를 지속적으로 향상시킬 수 있으므로 추가 메시 파티셔닝을 위해 Mesh Operations 를 클릭할 필요가 없습니다.
   6. 솔루션 스텝 크기를 설정합니다. 모델 트리에서 분석(Analysis )을 클릭하고 솔브 단계(Solve Step) 설정을 연 다음 최대 가공 패스 수(Maximum Number of Passes)를 10으로 설정합니다. 다른 설정은 변경하지 않고 기본값으로 유지합니다.
2. 와전류 필드 계산의 원리^15,16.
   1. 전기장¹⁷의 생성에 대한 전하의 작용을 설명하는 Maxwell의 첫 번째 방정식을 사용하십시오.
      (1)
      여기서 ρ 는 전하 밀도를 나타냅니다. ε₀ 은 진공 유전 상수를 나타냅니다.
   2. 변화하는 자기장과 전기장 사이의 관계와 전하의 운동에 대한 자기장의 효과 사이의 관계를 설명하는 Maxwell의 두 번째 방정식을 사용합니다.
      (2)
      여기서 는 자기장 강도를 나타냅니다. 이 방정식은 변화하는 자기장이 소용돌이 전기장을 생성한다는 것, 즉 소용돌이 전기장의 스핀은 시간에 따른 자기장의 변화율의 음수와 같다는 것을 설명합니다.
   3. 자기장 생성에 대한 자기 전하의 효과를 설명하는 Maxwell의 세 번째 방정식을 사용합니다.
      (3)
      이 방정식은 자기 전하에 의해 생성된 자기장을 수동적인 것으로, 즉 자기장에 단극이 없는 것으로 설명합니다.
   4. 변화하는 전기장과 자기장 사이의 관계와 자기장에 대한 전류의 영향 사이의 관계를 설명하는 Maxwell의 네 번째 방정식을 사용합니다.
      (4)
      여기서 는 전류 밀도를 나타내고 μ₀ 은 진공 투과성을 나타냅니다. 이 방정식은 변화하는 전기장이 소용돌이 자기장을 생성한다는 것, 즉 소용돌이 자기장의 스핀은 전류 밀도와 시간에 따른 전기장의 변화율의 합과 같다는 것을 설명합니다.
   5. 위의 방정식을 기반으로 와전류 솔버 모듈을 사용하는 Maxwell 3D를 사용하여 후속 열 시뮬레이션 분석을 위한 열원을 제공하는 RMU의 전도성 회로에서 발생하는 옴 손실을 해결합니다. 수학적 표현은¹⁸로 주어집니다.
      (5)
      여기서 σ 는 전도성 루프 재료의 전도성을 나타냅니다. J는 루프의 전류 밀도입니다.
3. 계산 결과
   1. 인터페이스에서 Maxwell 3D 옵션을 클릭하고 유효성 검사를 열어 오류에 대한 모든 설정을 검토합니다. 오류가 없으면 모두 분석을 클릭하여 해결 프로세스를 시작합니다.
   2. Maxwell의 후처리 계산기를 사용하여 표 3과 같이 링 본체의 와전류 필드에서 옴 손실을 계산하고 플롯합니다.

3. 온도 필드 솔루션

알림: 비교를 위해 온도 필드를 Icepak과 정상 상태 열로 나눕니다. 비교 분석을 달성하기 위해 각각을 개별적으로 설정하고 해결하십시오.

1. Icepak 모델 설정
   1. 재료 속성을 다음과 같이 설정합니다: 모든 회로 솔리드 재료를 Cu-Pure로 지정하고 표면은 Cu-polished-surface를 사용합니다. 패널 구성 요소의 경우 방사율이 0.35인 Paint-AL 표면의 표면 코팅이 있는 Aluminum6061-T6 재료를 선택합니다. 자세한 내용은 표 4 를 참조하십시오. Selected Component를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 Edit 를 클릭한 다음 Properties 로 이동하여 표면 및 솔리드 재질 모두에 대한 재질을 설정합니다.
   2. 모델을 선택하고 편집 메뉴에서 설정을 클릭한 다음 Multilevel Meshing Level 을 선택하여 메시 설정을 조정합니다. 외부 캐비닛을 메쉬 레벨 2로 설정하고 모든 경계를 메쉬 레벨 2로 설정합니다. 다른 모든 구성 요소의 경우 메쉬 레벨을 3으로 설정합니다. 마지막으로 Mesh 컨트롤을 열고 Generate 를 클릭하여 메시를 만듭니다.
   3. 그리드 크기에 관계없이 시뮬레이션의 정확성과 효율성을 보장하려면 그리드 독립성을 검증해야 합니다. 메싱을 위해 설계 소프트웨어를 사용하여 설정된 온도 필드 인클로저의 기하학적 모델을 가져옵니다.
   4. 그림 2에서 볼 수 있듯이 4개의 그리드 세트의 편광 곡선은 잘 정렬되어 있습니다. 0.5V의 작동 전압에서 4개의 그리드 세트에 대한 전류 밀도는 각각 2.357A/cm², 2.358A/cm², 2.356A/cm² 및 2.454A/cm²이며 최대 밀도와 전류 밀도 간의 오차는 1% 미만입니다. 효율성과 정확성의 균형을 맞추려면 987924 수 있는 그리드 크기를 결정하십시오.
2. 솔루션 설정
   1. 솔루션 도메인 Cabinet의 방향을 Opening으로 설정합니다.
   2. 소프트웨어에서 문제 단계를 선택합니다. 기본 매개변수(Basic Parameters)에서 곡면-곡면 방사 모델(Surface-to-Surface Radiation Model)을 확인하고, 난류 흐름 체제(Turbulent Flow Regime)에 대한 영 방정식(Zero Equation )을 선택하고, 자연 대류(Natural Convection)에 대해 중력(Gravity ) 옵션을 선택하고, 주변 온도를 20°C로 설정합니다.
   3. File settings(파일 설정)에서 Volumetric Heat Losses for EM Mapping(EM 매핑에 대한 체적 열 손실 )을 선택하고 All Objects Shown(표시된 모든 개체 )을 선택하여 손실 설정을 완료합니다.
3. 온도 필드 계산
   1. icepak에서 에너지에 대한 세 가지 주요 보존 방정식인 질량 보존 방정식, 운동량 보존 방정식 및 에너지 보존 방정식을 적용합니다. 구체적으로, 다음과 같은 운동량 보존 방정식을 사용하십시오¹⁹:
      (6)
      에너지 절약 방정식:
      (7)
      질량 보존 방정식:
      (8)
      고체 열원으로부터의 열 전달에 대한 에너지 전달 방정식:
      (9)
      ρ는 유체의 밀도를 나타냅니다. v 는 유속 벡터를 나타냅니다. T 는 온도를 나타냅니다. p 는 압력입니다. τ 는 미세 대사 산물의 표면에 가해지는 점성력입니다. κ 는 열 전달 계수입니다. S_h는 신체 열원입니다. h 는 유체의 비엔탈피이고 F 는 미세 대사 산물의 체력입니다.
      알림: 온도 필드 계산 결과는 그림 3A 및 그림 4A에 나와 있습니다.
4. 정상 상태 열 모델 설정
   1. 재료 설정에서 표 3 에 따라 재료 특성을 유지하십시오. Thermal Load generation을 클릭하여 Steady State Thermal 모듈에서 와전류장 시뮬레이션 분석으로 인한 옴 손실을 생성합니다.
   2. 대류 온도 값을 클릭하고 20°C로 설정하고 대류 계수 5(W/m²°C)를 캐비닛, 구성 요소 및 외부 캐비닛의 내부 벽에 적용합니다. 설정을 적용하고 생성합니다. Solve > Output Results를 클릭하여 온도를 해석하도록 출력을 설정합니다.
      참고: 정상 상태 열장 계산^20,21,22 원리에서 방정식을 지배하는 주요 온도 필드는 일반적으로 열전도 법칙(푸리에 열전도 법칙)에서 파생됩니다. 1차원의 경우 온도 필드 열 전달 방정식은²⁰으로 표현할 수 있습니다.
      (10)
      이 방정식에서 T 는 물체 내부의 온도, t 는 시간, x는 공간 좌표, α 은 열확산도를 나타냅니다. 이 방정식은 시간과 공간에 대한 온도 변화를 설명하며, 오른쪽은 열전도 속도와 온도 구배 간의 관계를 나타냅니다. 보다 일반적인 3차원 시나리오에서 온도 필드에 대한 열전도 방정식은 다음과 같은 형식으로 표현할 수 있습니다.
      (11)
      ρ는 물체의 밀도, C 는 비열 용량, K 는 열전도율, Q 는 부피 내 열원 항을 나타냅니다. 이 방정식은 열전도, 열원 및 열 커패시턴스의 영향을 받는 온도 필드의 변화를 설명합니다.
   3. 온도 필드 계산 결과는 그림 3에 나와 있습니다. 표 5 와 표 6에 요약된 온도 값을 비교합니다.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

결과

표 3의 데이터를 기반으로 다음과 같은 결론을 도출할 수 있습니다. A, B 및 C 단계의 전체 손실은 비교적 유사합니다. 구체적으로, 상 A의 총 손실은 16.063 W/m³, 상 B는 16.12 W/m³, 상 C는 19.57 W/m³입니다. 손실이 더 높은 위치는 다양한 구성 요소의 연결부에 있을 수 있습니다. 이는 주로 접촉 저항과 도체 저항이 일반적으로 이러한 연결 지점에 존재하기 때문입니?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

토론

이 논문은 엔지니어링 모델링 소프트웨어와 유한 요소 소프트웨어를 기반으로 한 링 캐비닛의 온도 상승에 대한 비교 시뮬레이션 분석이며, 실제 온도 상승 상황에 가장 적합한 솔루션은 두 개의 유한 요소 온도 필드 솔루션 모듈로 분석됩니다. 열 관리는 또한 Icoz²³ 에서 전자 부품의 높은 효율성과 신뢰성을 유지하는 데 중요하고 필수적인 구성 요소로...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

자료

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