Estudo Comparativo de Simulação de Aumento de Temperatura na Unidade Principal do Anel

Resumo

Este artigo aborda o problema de aumento de temperatura da unidade principal do anel, estabelecendo um modelo simplificado e conduzindo uma análise comparativa em dois módulos de resolução de campo de temperatura.

Resumo

A Unidade Principal em Anel (RMU) é um dispositivo crítico em sistemas de distribuição de energia usados para conectar e distribuir eletricidade. No entanto, devido à sua estrutura interna compacta e alta carga de corrente, os problemas de dissipação de calor são particularmente proeminentes. Para resolver esse problema, este estudo propõe de forma inovadora um modelo RMU simplificado, empregando métodos de simulação de elementos finitos para resolver com precisão as perdas ôhmicas de condutores em condições reais de operação e obter dados de perda ôhmica para vários componentes. Esta é a primeira investigação aprofundada do problema de aumento de temperatura da RMU usando uma abordagem tão abrangente. Posteriormente, o campo de temperatura foi resolvido usando dois módulos diferentes de análise de campo de temperatura, com uma comparação detalhada e análise dos resultados da simulação para identificar semelhanças, diferenças e tendências na distribuição de temperatura. Os resultados indicam que o modelo de solução de campo de temperatura, que considera a transferência de calor por convecção, é mais preciso e se alinha com as condições reais de operação. Esta pesquisa fornece uma abordagem inovadora e soluções práticas para o projeto e otimização de RMUs. Pesquisas futuras podem explorar ainda mais os métodos de análise de acoplamento multifísico para abordar questões de projeto estrutural e validação obrigatória para RMUs de alta e ultra-alta tensão e outros equipamentos elétricos, fornecendo assim informações importantes para o projeto de engenharia.

Introdução

A unidade principal do anel é um grupo de aparelhagem de alta tensão montada em um gabinete de metal de aço ou feita de unidade de fonte de alimentação de rede de anel espaçado montada de equipamentos elétricos. A estrutura geral do interruptor de carga e do circuito condutor consiste no circuito condutor, que inclui vários componentes que compõem o núcleo principal da unidade de anel. No entanto, devido à sua estrutura interna compacta, a unidade principal em anel enfrenta desafios na dissipação de calor. Isso pode levar à deformação térmica e envelhecimento ao operar por longos períodos em ambientes de alta temperatura. Esses problemas não afetam apenas a vida útil da unidade, mas também afetam suas propriedades isolantes, apresentando riscos à segurança. Em particular, danos ao equipamento e acidentes elétricos tornam-se mais prováveis, representando riscos significativos à segurança.

Em diferentes áreas de pesquisa, os estudiosos realizaram uma série de estudos sobre o aumento da temperatura dos painéis de distribuição de linhas aéreas e analisaram vários fatores que afetam a distribuição de temperatura¹. Em Polykrati et ^al.2, é apresentado um modelo matemático para a estimativa do aumento de temperatura de componentes instalados na rede de distribuição durante uma falha de curto-circuito. O modelo foi aplicado às chaves seccionadoras comuns da rede, e as características dos resultados foram plotadas de acordo com as diferentes formas da parte assimétrica da forma de onda da corrente de curto-circuito e o valor inicial do componente de corrente CC de curto-circuito. Guan et al., por outro lado, levaram em consideração a resistência de contato e a repulsão eletromagnética construindo uma ponte de contato equivalente para simular a interface de contato e analisaram ainda mais o campo de acoplamento eletromagnético-térmico e o experimento de aumento de temperatura³. Além disso, os pesquisadores investigaram o campo de temperatura e a distribuição de tensões térmicas dos contatos dinâmicos e estáticos dentro da unidade principal do anel por simulação de elementos finitos, que forneceu uma base para o estudo da vida útil do disjuntor⁴. Finalmente, Mueller et al. concentraram-se nas características geométricas dos dissipadores de calor e avaliaram os efeitos da seleção de materiais, área de superfície total, uniformidade de temperatura e temperatura máxima da superfície no desempenho térmico⁵. Esses estudos fornecem informações e métodos valiosos para melhorar o desempenho e a confiabilidade do painel de distribuição, reduzir o aumento da temperatura e prolongar a vida útil do equipamento. Wang et al. propuseram um MiNET Deep Learning Model (MDLM) no ambiente UPIOT com o objetivo de detectar o diagnóstico de falhas em gabinetes de anéis elétricos, que foi validado para ter uma precisão de identificação de 99,1%, que é significativamente maior do que a de outros métodos⁶. Lei et al. estudaram o desempenho térmico de um barramento GIS em estado estacionário usando o método de análise de acoplamento magneto-fluido-térmico, otimizando assim o diâmetro do condutor e do tanque com base nos resultados da simulação de aumento de temperatura⁷. Ouerdani et al. usaram o modelo de simulação de aumento de temperatura da RMU para determinar o aumento de temperatura em locais críticos dentro dela, fixando assim a duração da sobrecarga máxima para os componentes dentro da RMU^{de acordo 8}. Zheng et al. descreveram um barramento retangular convencional em um modelo de painel de alta corrente, construindo um modelo bidimensional e aplicando o método dos elementos finitos (FEM) para cálculos de campo eletromagnético. Isso permitiu que eles obtivessem a distribuição da densidade de corrente do condutor do barramento e da perda de potência. Um barramento irregular foi projetado após considerar os efeitos do efeito de proximidade e efeito de pele. Este design de barramento irregular melhorou o desempenho do barramento retangular convencional⁹.

Quanto ao aspecto do uso da simulação do icepak, Wang et al. realizaram uma simulação de aumento de temperatura por meio de teorias de campo de vórtice, campo de fluxo de ar e campo de temperatura e descobriram que o aumento de temperatura da unidade principal do anel era mais grave sob convecção natural. Eles reduziram com sucesso o nível de aumento de temperatura adicionando resfriamento de ar forçado e fazendo melhorias na estrutura de contato interno¹⁰. Zhu et ^al.11 utilizaram o icepak para simular um modelo térmico a fim de comparar o efeito da presença de vias térmicas na PCB e a presença de dissipadores de calor na temperatura dos dispositivos de potência. Por fim, a análise teórica é comparada com os resultados da simulação para verificar a exatidão da análise teórica. Mao et ^al.12 estudaram a temperatura e a distribuição do fluxo de ar interno em condições de operação no verão por simulação térmica baseada no software CAE na simulação icepak. O problema de como melhorar a eficiência de resfriamento e controlar o aumento de temperatura de vários contatos prateados é dado, e os contornos de temperatura e fluxo de ar interno capturados na simulação estabelecerão as bases para o projeto do esquema de resfriamento para os seis contatos prateados montados na unidade de vedação. Por outro lado, no uso de um módulo térmico de estado estacionário, os métodos de modelagem de Zhang¹³ são discutidos para resolver a rede térmica de uma bucha de alta pressão usando um procedimento transitório alternativo. Os resultados do teste e da simulação estão de acordo com o estado estacionário térmico e os estados transitórios da bucha. Os resultados transitórios são então usados para avaliar a capacidade de sobrecarga da bucha. Vaimann et ^al.14 desenvolveram e analisaram um modelo térmico analítico de um motor de relutância síncrona para prever a temperatura de seus diferentes componentes e a rede térmica do parâmetro total definido.

Com o avanço contínuo da pesquisa em equipamentos elétricos, como unidades principais de anel, os testes convencionais de aumento de temperatura e os métodos de produção são relativamente ineficientes. Portanto, ao utilizar a tecnologia de elementos finitos combinada com testes off-line, não apenas os problemas de custo do projeto são resolvidos, mas ajustes e otimizações podem ser feitos prontamente para problemas do mundo real com base em simulações. Com base no progresso da pesquisa mencionado acima, o uso do ANSYS Icepak e do acoplamento térmico de estado estacionário para análise comparativa raramente é mencionado. Portanto, o protocolo descreve a pesquisa de mecanismos de elementos finitos, usa combinações numéricas e morfológicas para estabelecer um modelo de simulação de aumento de temperatura de elementos finitos para o recinto e discute o modelo de simulação de aumento de temperatura de elementos finitos com base nos resultados dos dois módulos analíticos, comparando os resultados dos dois módulos de simulação. Através da comparação entre os dois módulos de simulação, obteremos as características da tendência de aumento de temperatura da unidade principal do anel e encontraremos o método mais aplicável para fornecer a base necessária e ideias de pesquisa para uma estratégia de mitigação do aumento de temperatura da unidade principal do anel.

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Protocolo

1. Modelo

NOTA: Devido à estrutura complexa da unidade principal do anel (Figura 1A), um software de design on-line foi escolhido para simplificar a operação da unidade principal do anel.

1. Simplificação da modelagem
   1. Simplifique parcialmente o modelo, preservando a seção da caixa de ar da RMU enquanto remove ou simplifica outros componentes, como eixos isolantes, parafusos de fixação, porcas, componentes de vedação e suportes de suporte de pressão. A versão simplificada é mostrada na (Figura 1B).
      1. No processo de simplificação da unidade principal de anel tipo 630A, remova o eixo isolado que conecta a sala do disjuntor com a caixa de instrumentos e muitos parafusos e porcas fixos. Retire as peças de vedação e o suporte de retenção de pressão e conecte os contatos estáticos da viga estática isolada com o barramento do ramal inferior sob a premissa de garantir que toda a configuração tenha a mesma corrente condutora e apenas o disjuntor a vácuo, a placa de fixação do disjuntor e os contatos estáticos e o disjuntor a vácuo sejam retidos.
      2. Guarde apenas o disjuntor a vácuo, a placa de fixação do disjuntor, o contato estático e a placa de bloqueio do disjuntor a vácuo. No geral, remova os parafusos e juntas do modelo, preencha os orifícios após remover os parafusos com sólidos, reduza o número de peças de malha e otimize as formas irregulares das peças. Remova os instrumentos para operação do painel, placas de montagem, suportes e outras peças operacionais, como caixas de instrumentos, que não afetam o processo de simulação de aumento de temperatura.
      3. A remoção dos mancais isolados de alguns componentes pode ser desconsiderada na simulação, pois tem pouco efeito nos resultados da simulação. Além disso, as chaves de aterramento que não afetam o uso do equipamento durante a operação normal as removem e mantêm a sala do disjuntor para simulação.
   2. Para excluir qualquer seção, basta selecioná-la e clicar na opção Excluir .

2. Solução de campo parasita

1. Configurações de pré-processamento
   NOTA: A emulação de campo de corrente parasita é a base para realizar a solução de campo de temperatura, que requer a análise subsequente da fonte de calor resolvida como uma carga no campo de temperatura.
   1. Consulte a documentação do equipamento da unidade principal em anel e os manuais relevantes para obter informações sobre as propriedades físicas e parâmetros de cada componente da unidade principal em anel. Defina os atributos físicos e parâmetros dos componentes da unidade principal do anel em Maxwell com base nas informações obtidas, conforme detalhado na Tabela 1.
   2. Defina a corrente de carga de campo da corrente parasita em 630 A com uma frequência de 50 Hz. No software Maxwell, selecione Um lado dos braços de saída superior e inferior, entre no módulo de excitação e defina a magnitude da corrente para 630 A. Na seção de configurações da solução, escolha uma frequência de 50 Hz.
      NOTA: No circuito condutor de uma unidade principal em anel, o caminho formado por todos os componentes do braço de saída superior ao braço de saída inferior é conhecido como sequência de fases. Portanto, neste artigo, as fases A, B e C são organizadas da esquerda para a direita.
   3. Os parâmetros do material dos componentes da unidade principal do anel são mostrados na Tabela 2.
   4. Direcione a corrente através dos braços de linha de saída, conexões flexíveis, barramentos, disjuntores, barramentos de suporte de contato estático e barramentos de derivação para cada fase. O objetivo é realizar um caminho de corrente que permita que os componentes completem a carga.
   5. Utilize a malha adaptativa de Maxwell para completar o controle de grade para o modelo. Use o método de particionamento de malha adaptável Maxwell para componentes maiores e o refinamento de malha local para componentes internos menores.
      NOTA: Maxwell pode melhorar continuamente a precisão da grade durante o processo de resolução, eliminando a necessidade de clicar em Operações de malha para particionamento de malha adicional.
   6. Defina o tamanho da etapa da solução. Clique em Análise na árvore do modelo, abra as configurações da Etapa de resolução e defina o Número máximo de passagens como 10. Mantenha outras configurações em seus valores padrão sem fazer alterações.
2. Princípio do cálculo de campo de correntes parasitas ^15,16.
   1. Use a primeira equação de Maxwell, que descreve a ação da carga na geração de um campo elétrico¹⁷.
      (1)
      onde ρ representa a densidade de carga; ε₀ representa a constante dielétrica do vácuo.
   2. Use a segunda equação de Maxwell, que descreve a relação entre um campo magnético variável e um campo elétrico e o efeito de um campo magnético no movimento de uma carga.
      (2)
      onde representa a intensidade do campo magnético. Esta equação descreve que um campo magnético variável produz um campo elétrico de vórtice, ou seja, o spin do campo elétrico do vórtice é igual ao negativo da taxa de variação do campo magnético com o tempo.
   3. Use a terceira equação de Maxwell, que descreve o efeito da carga magnética na produção de um campo magnético.
      (3)
      Esta equação descreve o campo magnético produzido por uma carga magnética como sendo passivo, ou seja, não há monopolos no campo magnético.
   4. Use a quarta equação de Maxwell, que descreve a relação entre um campo elétrico variável e um campo magnético e o efeito de uma corrente elétrica em um campo magnético.
      (4)
      onde representa a densidade de corrente e μ₀ representa a permeabilidade ao vácuo. Esta equação descreve que um campo elétrico variável produz um campo magnético de vórtice, ou seja, o spin do campo magnético do vórtice é igual à soma da densidade de corrente e da taxa de variação do campo elétrico com o tempo.
   5. Com base nas equações acima, use o Maxwell 3D usando o módulo solucionador de correntes parasitas para resolver a perda ôhmica gerada pelo circuito condutor na RMU, que fornece uma fonte de calor para a análise de simulação térmica subsequente. Sua expressão matemática é dada como¹⁸
      (5)
      onde σ denota a condutividade do material do loop condutor; J é a densidade de corrente no loop.
3. Resultados do cálculo
   1. Clique na opção Maxwell 3D na interface e abra a verificação de validação para revisar todas as configurações em busca de erros. Se não houver erros, clique em Analisar tudo para iniciar o processo de resolução.
   2. Utilize a calculadora de pós-processamento de Maxwell para calcular e representar graficamente as perdas ôhmicas no campo de correntes parasitas da unidade principal do anel, conforme mostrado na Tabela 3.

3. Solução de campo de temperatura

NOTA: Para fins comparativos, divida o campo de temperatura em Icepak e térmico de estado estacionário. Configure e resolva cada um separadamente para obter uma análise comparativa.

1. Configuração do modelo Icepak
   1. Defina as propriedades do material da seguinte forma: designe todos os materiais sólidos do circuito como-Pure, com superfícies usando superfície polida com. Para os componentes do painel, selecione o material Aluminum6061-T6 , com um revestimento de superfície de superfície Paint-AL com uma emissividade de 0,35. Consulte a Tabela 4 para obter detalhes. Clique com o botão direito do mouse no componente selecionado, clique em Editar e vá para Propriedades para definir o material para a superfície e os materiais sólidos.
   2. Selecione o modelo e clique em Definir no menu Editar e, em seguida, escolha Nível de malha multinível para ajustar as configurações de malha. Defina o gabinete externo para um nível de malha de 2 e todos os limites para um nível de malha de 2. Para todos os outros componentes, defina o nível de malha como 3. Por fim, abra o controle de malha e clique em Gerar para criar a malha.
   3. Para garantir a precisão e eficiência da simulação, independentemente do tamanho da grade, é necessária a validação da independência da rede. Importe o modelo geométrico do invólucro do campo de temperatura, estabelecido usando o software de projeto para geração de malhas.
   4. Conforme ilustrado na Figura 2, as curvas de polarização dos quatro conjuntos de grade estão bem alinhadas. Com uma tensão de trabalho de 0,5 V, as densidades de corrente para os quatro conjuntos de grade são 2,357 A/cm², 2,358 A/cm², 2,356 A/cm² e 2,454 A/cm², respectivamente, com o erro entre as densidades máxima e atual sendo inferior a 1%. Para equilibrar eficiência e precisão, determine o tamanho da grade que vem a ser 987924.
2. Configuração da solução
   1. Defina as direções do Gabinete do domínio da solução para Abertura.
   2. No software, selecione Etapa do problema. Em Parâmetros básicos, verifique o Modelo de radiação superfície-superfície, escolha Equação zero para Regime de fluxo turbulento, selecione a opção Gravidade para Convecção natural e defina a temperatura ambiente para 20 °C.
   3. Nas configurações de arquivo, escolha Perdas de calor volumétricas para mapeamento EM e selecione Todos os objetos mostrados para concluir as configurações de perda.
3. Cálculo do campo de temperatura
   1. No icepak, aplique três equações principais de conservação de energia: equação de conservação de massa, equação de conservação de momento e equação de conservação de energia. Especificamente, use a equação de conservação do momento, que é a seguinte¹⁹:
      (6)
      Equação de Conservação de Energia:
      (7)
      Equações de conservação de massa:
      (8)
      Equação de transferência de energia para transferência de calor de uma fonte de calor sólida:
      (9)
      ρ representa a densidade do fluido; v representa o vetor velocidade do fluxo; T representa a temperatura; p é a pressão; τ é a força viscosa na superfície do micrometabólito; κ é o coeficiente de transferência de calor; S_hé a fonte de calor do corpo; h é a entalpia específica do fluido e F é a força corporal do micrometabólito.
      NOTA: Os resultados dos cálculos do campo de temperatura são mostrados na Figura 3A e na Figura 4A.
4. Configuração do modelo térmico de estado estacionário
   1. Mantenha as propriedades do material de acordo com a Tabela 3 nas configurações do material. Gere as perdas ôhmicas resultantes da análise de simulação de campo de correntes parasitas no módulo Térmico de Estado Estacionário clicando em Geração de Carga Térmica .
   2. Clique no valor da temperatura por convecção e defina-o para 20 °C, com um coeficiente de convecção de 5 (W/m²°C) aplicado às paredes internas do gabinete, componentes e gabinete externo. Aplique as configurações e gere. Defina a saída para resolver a temperatura clicando em Resolver > Resultados da Saída.
      NOTA: O principal campo de temperatura que rege as equações no princípio de cálculo do campo de temperatura térmica em estado estacionário 20,21,22 é geralmente derivado da lei da condução de calor (lei de condução de calor de Fourier). No caso unidimensional, a equação de transferência de calor do campo de temperatura pode ser expressa como²⁰:
      (10)
      Nesta equação, T representa a temperatura dentro do objeto, t é o tempo, x são as coordenadas espaciais e α é a difusividade térmica. Esta equação descreve a variação da temperatura em relação ao tempo e ao espaço, onde o lado direito expressa a relação entre a taxa de condução de calor e o gradiente de temperatura. Em um cenário tridimensional mais geral, a equação de condução de calor para o campo de temperatura pode ser expressa da seguinte forma:
      (11)
      ρ representa a densidade do objeto, c é a capacidade térmica específica, K é a condutividade térmica e Q é o termo da fonte de calor dentro do volume. Esta equação descreve a variação do campo de temperatura, influenciada pela condução de calor, fontes de calor e capacitância térmica.
   3. Os resultados do cálculo do campo de temperatura são mostrados na Figura 3. Compare os valores de temperatura resumidos na Tabela 5 e na Tabela 6.

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Resultados

Com base nos dados da Tabela 3, as seguintes conclusões podem ser tiradas: As perdas gerais para as Fases A, B e C são relativamente semelhantes. Especificamente, as perdas totais para a Fase A são de 16.063 W/m³, a Fase B é de 16.12 W/m³ e a Fase C é de 19.57 W/m³. Os locais com maiores perdas podem estar nas conexões de vários componentes. Isso ocorre principalmente porque a resistência de contato e a resistência do condutor normalmente existem nesses ponto...

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Discussão

Este artigo é uma análise de simulação comparativa do aumento de temperatura do gabinete do anel com base em software de modelagem de engenharia e software de elementos finitos, e a solução mais adequada para a situação real de aumento de temperatura é analisada por dois módulos de solução de campo de temperatura de elementos finitos. O gerenciamento térmico também é descrito no Icoz²³ como um componente crítico e essencial para manter a alta efici...

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Materiais

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