Сравнительное исследование моделирования повышения температуры в кольцевом основном блоке

Резюме

В данной работе рассматривается проблема повышения температуры кольцевого основного блока путем создания упрощенной модели и проведения сравнительного анализа в двух модулях решения температурных полей.

Аннотация

Кольцевой основной блок (RMU) является критически важным устройством в системах распределения электроэнергии, используемым для подключения и распределения электроэнергии. Однако из-за его компактной внутренней структуры и высокой нагрузки по току проблемы с рассеиванием тепла особенно заметны. Для решения этой проблемы в данном исследовании предлагается упрощенная модель RMU с использованием методов моделирования методом конечных элементов для точного решения омических потерь проводников в реальных условиях эксплуатации и получения данных об омических потерях для различных компонентов. Это первое углубленное исследование проблемы повышения температуры RMU с использованием такого комплексного подхода. Впоследствии температурное поле было решено с помощью двух различных модулей анализа температурного поля с подробным сравнением и анализом результатов моделирования для выявления сходств, различий и тенденций в распределении температуры. Результаты показывают, что модель решения температурного поля, которая учитывает конвективную теплопередачу, является более точной и соответствует фактическим условиям эксплуатации. Это исследование обеспечивает инновационный подход и практические решения для проектирования и оптимизации RMU. Будущие исследования могут быть дополнительно изучены методы анализа мультифизических связей для решения вопросов структурного проектирования и обязательной валидации высоковольтных RMU и другого электрического оборудования, тем самым обеспечивая важную информацию для инженерного проектирования.

Введение

Кольцевой основной блок представляет собой группу высоковольтных распределительных устройств, смонтированных в стальном металлическом шкафу или изготовленных из собранных разнесенных кольцевых сетевых блоков питания электрооборудования. Общая структура переключателя нагрузки и проводящей цепи состоит из проводящей цепи, которая включает в себя ряд компонентов, составляющих основное ядро кольцевого блока. Однако из-за своей компактной внутренней структуры кольцевой основной блок сталкивается с проблемами рассеивания тепла. Это может привести к термической деформации и старению при длительной эксплуатации в условиях высоких температур. Эти проблемы не только влияют на срок службы агрегата, но и влияют на его изоляционные свойства, создавая риски для безопасности. В частности, повышается вероятность повреждения оборудования и несчастных случаев, связанных с электричеством, что создает значительную угрозу безопасности.

В рамках различных областей исследований ученые провели ряд исследований по повышению температуры распределительных устройств воздушных линий и проанализировали различные факторы, влияющие^{на распределение температуры}. В работе Polykrati et ^al.2 представлена математическая модель для оценки повышения температуры компонентов, установленных в распределительной сети при коротком замыкании. Модель была применена к обычным разъединителям сети, и характеристики результатов были построены в соответствии с различными формами асимметричной части сигнала тока короткого замыкания и начальным значением составляющей постоянного тока короткого замыкания. Гуан и др., с другой стороны, учли контактное сопротивление и электромагнитное отталкивание, построив эквивалентный контактный мост для моделирования контактной границы раздела и далее проанализировали электромагнитно-тепловое поле связи и эксперимент по повышению^{температуры.} Кроме того, исследователи исследовали температурное поле и распределение термических напряжений динамических и статических контактов внутри кольцевого основного блока с помощью моделирования методом конечных элементов, что послужило основой для^{исследования срока службы} автоматических выключателей. Наконец, Мюллер и др. сосредоточились на геометрических характеристиках радиаторов и оценили влияние выбора материала, общей площади поверхности, однородности температуры и максимальной температуры поверхности на тепловые^{характеристики.} Эти исследования позволяют получить ценную информацию и использовать методы для повышения производительности и надежности распределительного устройства, снижения повышения температуры и продления срока службы оборудования. Wang et al. предложили модель глубокого обучения MiNET (MDLM) в среде UPIOT с целью обнаружения диагностики неисправностей электрических кольцевых шкафов, точность идентификации которой составила 99,1%, что значительно выше, чем у других методов⁶. Lei et al. изучили тепловые характеристики шины GIS в стационарном состоянии с использованием метода анализа магнито-жидкостно-термической связи, тем самым оптимизировав диаметр проводника и резервуара на^{основе результатов моделирования} повышения температуры. Ouerdani et al. использовали имитационную модель повышения температуры RMU для определения повышения температуры в критических точках внутри него, тем самым зафиксировав продолжительность максимальной перегрузки для компонентов внутри RMU соответственно⁸. Zheng et al. описали обычную прямоугольную шину в модели сильноточного распределительного устройства, построив двумерную модель и применив метод конечных элементов (FEM) для расчетов электромагнитного поля. Это позволило им получить распределение плотности тока проводника шины и потерь мощности. Шина неправильной формы была разработана с учетом эффектов эффекта близости и скин-эффекта. Эта нестандартная конструкция сборных шин улучшила характеристики обычных прямоугольных шин⁹.

Что касается использования моделирования ледяного дерева, Ван и др. провели моделирование повышения температуры с помощью теорий вихревого поля, поля воздушного потока и температурного поля и обнаружили, что повышение температуры кольцевого основного блока было более серьезным при естественной конвекции. Они успешно снизили уровень повышения температуры, добавив принудительное воздушное охлаждение и улучшив внутреннюю контактную конструкцию¹⁰. Zhu et ^al.11 использовали icepak для моделирования тепловой модели, чтобы сравнить влияние наличия тепловых переходных отверстий на печатной плате и наличия радиаторов на температуру силовых устройств. Наконец, теоретический анализ сравнивается с результатами моделирования для проверки правильности теоретического анализа. Mao et ^al.12 изучали распределение температуры и внутреннего воздушного потока в летних условиях эксплуатации с помощью теплового моделирования на основе программного обеспечения CAE в моделировании icepak. Поставлена задача о том, как повысить эффективность охлаждения и контролировать повышение температуры нескольких посеребренных контактов, а температурные и внутренние контуры воздушного потока, зафиксированные в ходе моделирования, послужат основой для проектирования схемы охлаждения для шести посеребренных контактов, установленных в уплотнительном узле. И наоборот, при использовании стационарного теплового модуля обсуждаются методы моделирования Чжана¹³ для решения тепловой сети ввода высокого давления с использованием альтернативной переходной процедуры. Результаты испытаний и моделирования хорошо согласуются с термоустойчивым и переходными состояниями ввода. Затем результаты переходных процессов используются для оценки перегрузочной способности ввода. Vaimann et ^al.14 разработали и проанализировали аналитическую тепловую модель синхронного реактивного двигателя для прогнозирования температуры его различных компонентов и заданного общего параметра тепловой сети.

В связи с постоянным развитием исследований в области электрооборудования, такого как кольцевые основные блоки, традиционные испытания на повышение температуры и методы производства становятся относительно неэффективными. Таким образом, использование технологии конечных элементов в сочетании с автономными испытаниями позволяет не только решить проблемы стоимости проектирования, но и оперативно внести коррективы и оптимизировать реальные проблемы на основе моделирования. Исходя из упомянутых выше результатов исследований, использование ANSYS Icepak и стационарной термосвязи для сравнительного анализа упоминается редко. Таким образом, в протоколе описывается механизм исследования конечных элементов, используются численные и морфологические комбинации для создания конечно-элементной имитационной модели повышения температуры для корпуса, а также обсуждается конечно-элементная имитационная модель повышения температуры, основанная на результатах двух аналитических модулей путем сравнения результатов двух модулей моделирования. Путем сравнения двух модулей моделирования мы получим характеристики тренда повышения температуры кольцевого основного блока и найдем наиболее применимый метод, чтобы обеспечить необходимую основу и исследовательские идеи для стратегии смягчения повышения температуры кольцевого основного блока.

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

протокол

1. Модель

ПРИМЕЧАНИЕ: Из-за сложной структуры кольцевого основного блока (Рисунок 1A) для упрощения эксплуатации кольцевого основного блока было выбрано программное обеспечение для онлайн-проектирования.

1. Упрощение моделирования
   1. Частично упростите модель, сохранив секцию воздушной камеры RMU и удалив или упростив другие компоненты, такие как изоляционные валы, крепежные болты, гайки, уплотнительные компоненты и кронштейны опоры давления. Упрощенная версия показана на рисунке 1B.
      1. В процессе упрощения кольцевого основного блока типа 630А снимите изолированный вал, соединяющий помещение автоматического выключателя с ящиком для приборов, а также множество неподвижных болтов и гаек. Снимите уплотнительные детали и кронштейн, поддерживающий давление, и соедините статические контакты изолированного статического луча с нижней ответвительной шиной при условии, что вся установка имеет одинаковый ток проводимости и только вакуумный выключатель, фиксирующая пластина автоматического выключателя, статические контакты и вакуумный выключатель.
      2. Оставьте только вакуумный выключатель, фиксирующую пластину автоматического выключателя, статический контакт и блокировочную пластину вакуумного выключателя. В целом, удалите болты и прокладки из модели, заполните отверстия после удаления болтов твердыми частицами, уменьшите количество сетчатых деталей и оптимизируйте неправильные формы деталей. Снимите приборы для работы на панели, монтажные пластины, кронштейны и другие рабочие детали, такие как ящики для приборов, которые не влияют на процесс моделирования повышения температуры.
      3. Снятие изолированных корпусов некоторых компонентов может быть проигнорировано при моделировании, так как они мало влияют на результаты моделирования. Кроме того, заземляющие выключатели, которые не влияют на использование оборудования во время нормальной работы, удаляют их и сохраняют помещение автоматического выключателя для моделирования.
   2. Чтобы удалить любой раздел, просто выберите его и нажмите на опцию «Удалить ».

2. Решение для вихревых полей

1. Настройки предварительной обработки
   ПРИМЕЧАНИЕ: Эмуляция вихретокового поля является основой для выполнения решения температурного поля, которое требует последующего анализа решенного источника тепла как нагрузки на температурное поле.
   1. Обратитесь к документации по оборудованию для кольцевого основного блока и соответствующим руководствам для сбора информации о физических свойствах и параметрах каждого компонента кольцевого основного блока. Установите физические характеристики и параметры компонентов кольцевого основного блока в Maxwell на основе полученной информации, как подробно описано в таблице 1.
   2. Установите ток вихретокового поля нагрузки на 630 А с частотой 50 Гц. В программном обеспечении Maxwell выберите «Одна сторона верхнего и нижнего исходящих плеч», войдите в модуль возбуждения и установите амплитуду тока на 630 А. В разделе настроек решения выберите частоту 50 Гц.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В проводящей цепи кольцевого основного блока путь, образованный всеми компонентами от верхнего выходного рукава до нижнего выходного рукава, известен как последовательность фаз. Поэтому в этой статье фазы A, B и C расположены слева направо.
   3. Параметры материала компонентов кольцевого основного блока приведены в таблице 2.
   4. Направляйте ток через исходящие линейные рукава, гибкие соединения, шины, автоматические выключатели, опорные шины статических контактов и ответвления для каждой фазы. Цель состоит в том, чтобы реализовать траекторию тока, которая позволит компонентам выполнять нагрузку.
   5. Используйте адаптивную сетку Максвелла для полного управления сеткой для модели. Используйте метод адаптивного разбиения сетки Максвелла для более крупных компонентов и локальное уточнение сетки для более мелких внутренних компонентов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Maxwell может постоянно повышать точность сетки в процессе расчетки, устраняя необходимость нажимать кнопку «Операции сетки » для дополнительного разбиения сетки.
   6. Задайте размер шага решения. Нажмите « Анализ» в дереве модели, откройте настройки «Шаг решения» и установите для параметра «Максимальное количество проходов» значение 10. Сохраняйте значения по умолчанию для других параметров, не внося никаких изменений.
2. Принцип расчета вихретокового поля^15,16.
   1. Возьмем первое уравнение Максвелла, описывающее действие заряда на генерацию электрического поля¹⁷.
      (1)
      где ρ представляет плотность заряда; ε₀ представляет собой диэлектрическую проницаемость вакуума.
   2. Используйте второе уравнение Максвелла, которое описывает связь между изменяющимся магнитным полем и электрическим полем и влиянием магнитного поля на движение заряда.
      (2)
      где представляет напряженность магнитного поля. Это уравнение описывает, что изменяющееся магнитное поле создает вихревое электрическое поле, т.е. спин вихревого электрического поля равен отрицательной скорости изменения магнитного поля со временем.
   3. Используйте третье уравнение Максвелла, которое описывает влияние магнитного заряда на создание магнитного поля.
      (3)
      Это уравнение описывает магнитное поле, создаваемое магнитным зарядом, как пассивное, т. е. в магнитном поле нет монополей.
   4. Используйте четвертое уравнение Максвелла, которое описывает связь между изменяющимся электрическим полем и магнитным полем и влиянием электрического тока на магнитное поле.
      (4)
      где обозначает плотность тока, а μ₀ представляет проницаемость вакуума. Это уравнение описывает, что изменяющееся электрическое поле создает вихревое магнитное поле, т.е. спин вихревого магнитного поля равен сумме плотности тока и скорости изменения электрического поля со временем.
   5. Основываясь на приведенных выше уравнениях, используйте модуль решателя Maxwell 3D с использованием вихревых токов для решения омических потерь, генерируемых проводящей цепью в RMU, который обеспечивает источник тепла для последующего анализа теплового моделирования. Его математическое выражение дано как¹⁸
      (5)
      где σ обозначает проводимость материала проводящей петли; J — плотность тока в контуре.
3. Результаты расчетов
   1. Нажмите на опцию Maxwell 3D в интерфейсе и откройте проверку, чтобы просмотреть все настройки на наличие ошибок. Если ошибок нет, нажмите кнопку «Проанализировать все », чтобы начать процесс расчета.
   2. Используйте калькулятор постобработки Максвелла для вычисления и построения графика омических потерь в вихретоковом поле кольцевого главного блока, как показано в таблице 3.

3. Решение температурного поля

ПРИМЕЧАНИЕ: Для сравнения разделите температурное поле на Icepak и стационарное тепловое. Настройте и решите каждую из них по отдельности, чтобы получить сравнительный анализ.

1. Настройка модели Icepak
   1. Задайте свойства материала следующим образом: обозначьте все твердые материалы контура как Cu-Pure, а поверхности — как Cu-polished-surface. Для компонентов панели выберите материал Aluminum6061-T6 , с поверхностным покрытием поверхности Paint-AL с коэффициентом излучения 0,35. Более подробную информацию см. в таблице 4 . Щелкните правой кнопкой мыши выбранный компонент, нажмите «Редактировать », а затем перейдите в раздел «Свойства », чтобы задать материал как для поверхности, так и для твердотельных материалов.
   2. Выберите модель и нажмите « Установить » в меню «Правка», затем выберите «Уровень многоуровневой сетки », чтобы настроить параметры сетки. Установите для внешнего шкафа уровень сетки 2, а для всех границ — уровень сетки 2. Для всех остальных компонентов установите уровень сетки на 3. Наконец, откройте элемент управления сеткой и нажмите кнопку Создать , чтобы создать сетку.
   3. Чтобы обеспечить точность и эффективность моделирования независимо от размера сетки, необходима валидация независимости сетки. Импортируйте геометрическую модель корпуса температурного поля, созданную с помощью программного обеспечения для проектирования сетки.
   4. Как показано на рисунке 2, поляризационные кривые четырех наборов сеток хорошо выровнены. При рабочем напряжении 0,5 В плотности тока для четырех наборов сетки составляют 2,357 А/^см2, 2,358 А/^см2, 2,356 А/^см2 и 2,454 А/^см2 соответственно, при этом погрешность между максимальной плотностью и плотностью тока составляет менее 1%. Чтобы сбалансировать эффективность и точность, определите размер сетки, который будет 987924.
2. Настройка решения
   1. Установите направления для домена решения Cabinet в положение Opening.
   2. В программном обеспечении выберите Шаг проблемы. В разделе Основные параметры проверьте модель излучения от поверхности к поверхности, выберите Нулевое уравнение для режима турбулентного потока, выберите опцию Гравитация для Естественная конвекция и установите температуру окружающей среды на 20 °C.
   3. В настройках файла выберите «Объемные тепловые потери для ЭМ-отображения» и выберите «Все отображаемые объекты », чтобы завершить настройку потерь.
3. Расчет температурного поля
   1. В icepak применяются три основных уравнения сохранения энергии: уравнение сохранения массы, уравнение сохранения импульса и уравнение сохранения энергии. В частности, используйте уравнение сохранения импульса, которое выглядит следующим образом¹⁹:
      (6)
      Уравнение энергосбережения:
      (7)
      Уравнения сохранения массы:
      (8)
      Уравнение передачи энергии для передачи тепла от твердого источника тепла:
      (9)
      ρ представляет плотность жидкости; v представляет вектор скорости потока; T обозначает температуру; p – давление; τ – вязкая сила, действующая на поверхность микрометаболита; κ – коэффициент теплопередачи; S_h– источник тепла тела; h — удельная энтальпия жидкости, а F — сила микрометаболита в организме.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Результаты расчетов температурного поля показаны на рисунках 3А и 4А .
4. Настройка стационарной тепловой модели
   1. Сохраняйте свойства материала в соответствии с таблицей 3 в настройках материала. Сгенерируйте омические потери, полученные в результате моделирования вихретокового поля в модуле «Стационарное тепловое состояние», нажав на кнопку «Генерация тепловой нагрузки ».
   2. Нажмите на значение конвективной температуры и установите его на 20 °C, при этом коэффициент конвективности 5 (Вт/м²°C) применяется к внутренним стенкам шкафа, компонентам и внешнему шкафу. Примените настройки и сгенерируйте. Установите выходные данные для расчета температуры, нажав на кнопку Решить > Выходные результаты.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Основное температурное поле, управляющее уравнениями в стационарном расчете термического поля температуры по принципу 20,21,22, обычно выводится из закона теплопроводности (закон теплопроводности Фурье). В одномерном случае уравнение теплопередачи температурного поля может быть выражено как²⁰:
      (10)
      В этом уравнении T представляет температуру внутри объекта, t — время, x — пространственные координаты, а α — теплопроводность. Это уравнение описывает изменение температуры по отношению ко времени и пространству, где правая часть выражает связь между скоростью теплопроводности и температурным градиентом. В более общем трехмерном сценарии уравнение теплопроводности для температурного поля может быть выражено в следующем виде:
      (11)
      ρ представляет собой плотность объекта, c — удельную теплоемкость, K — теплопроводность, а Q — член источника тепла в объеме. Это уравнение описывает изменение температурного поля, на которое влияют теплопроводность, источники тепла и тепловая емкость.
   3. Результаты расчета температурного поля представлены на рисунке 3. Сравните значения температуры, обобщенные в Таблице 5 и Таблице 6.

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

Результаты

На основании данных, приведенных в таблице 3, можно сделать следующие выводы: Общие потери для фаз А, В и С относительно схожи. В частности, общие потери для Фазы А составляют 16,063 Вт/м³, для Фазы В — 16,12 Вт/м³, а для Фазы С — 19,57 Вт/м³. Места с более высокими потерями...

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

Обсуждение

Данная работа представляет собой сравнительный имитационный анализ повышения температуры кольцевого шкафа на основе программного обеспечения для инженерного моделирования и программного обеспечения конечных элементов, а наиболее подходящее решение для фактичес?...

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

Материалы

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