Halka Ana Ünitesinde Sıcaklık Artışı Simülasyonunun Karşılaştırmalı Çalışması
Summary
Bu makale, basitleştirilmiş bir model oluşturarak ve iki sıcaklık alanı çözme modülünde karşılaştırmalı bir analiz yaparak halka ana ünitesinin sıcaklık artışı problemini ele almaktadır.
Abstract
Halka Ana Ünite (RMU), elektriği bağlamak ve dağıtmak için kullanılan güç dağıtım sistemlerinde kritik bir cihazdır. Bununla birlikte, kompakt iç yapısı ve yüksek akım yükü nedeniyle, ısı dağılımı sorunları özellikle belirgindir. Bu sorunu ele almak için, bu çalışma, gerçek çalışma koşulları altında iletkenlerin omik kayıplarını doğru bir şekilde çözmek ve çeşitli bileşenler için omik kayıp verileri elde etmek için sonlu elemanlar simülasyon yöntemlerini kullanan basitleştirilmiş bir RMU modeli önermektedir. Bu, RMU’nun sıcaklık artışı probleminin bu kadar kapsamlı bir yaklaşım kullanılarak yapılan ilk derinlemesine araştırmasıdır. Daha sonra, sıcaklık dağılımındaki benzerlikleri, farklılıkları ve eğilimleri belirlemek için simülasyon sonuçlarının ayrıntılı bir karşılaştırması ve analizi ile sıcaklık alanı iki farklı sıcaklık alanı analiz modülü kullanılarak çözüldü. Sonuçlar, konvektif ısı transferini dikkate alan sıcaklık alanı çözüm modelinin daha doğru olduğunu ve gerçek çalışma koşullarıyla uyumlu olduğunu göstermektedir. Bu araştırma, RMU’ların tasarımı ve optimizasyonu için yenilikçi bir yaklaşım ve pratik çözümler sunmaktadır. Gelecekteki araştırmalar, yüksek ve ultra yüksek voltajlı RMU’lar ve diğer elektrikli ekipmanlar için yapısal tasarım ve zorunlu doğrulama konularını ele almak için çok fizikli birleştirme analiz yöntemlerini daha fazla keşfedebilir ve böylece mühendislik tasarımı için önemli bilgiler sağlayabilir.
Introduction
Halka ana ünite, çelik metal bir kabine monte edilmiş veya elektrikli ekipmanın monte edilmiş aralıklı halka ağ güç kaynağı ünitesinden yapılmış bir grup yüksek voltajlı şalt cihazıdır. Yük anahtarının ve iletken devrenin genel yapısı, halka ünitesinin ana çekirdeğini oluşturan bir dizi bileşeni içeren iletken devreden oluşur. Bununla birlikte, kompakt iç yapısı nedeniyle, halka ana ünitesi ısı dağılımında zorluklarla karşı karşıyadır. Bu, yüksek sıcaklıktaki ortamlarda uzun süre çalışırken termal deformasyona ve yaşlanmaya neden olabilir. Bu sorunlar sadece ünitenin hizmet ömrünü etkilemekle kalmaz, aynı zamanda yalıtım özelliklerini de etkileyerek güvenlik riskleri oluşturur. Özellikle, ekipman hasarı ve elektrik kazaları daha olası hale gelir ve önemli güvenlik tehlikeleri oluşturur.
Farklı araştırma alanlarında, bilim adamları, havai hat şalt cihazlarının sıcaklık artışı üzerine bir dizi çalışma yürüttüler ve sıcaklık dağılımını etkileyen çeşitli faktörleri analiz ettiler1. Polykrati ve ark.2’de, bir kısa devre arızası sırasında dağıtım şebekesine monte edilen bileşenlerin sıcaklık artışının tahmini için matematiksel bir model sunulmuştur. Model, ağın ortak bağlantı kesme anahtarlarına uygulandı ve sonuçların özellikleri, kısa devre akımı dalga formunun asimetrik kısmının farklı formlarına ve kısa devre DC akım bileşeninin başlangıç değerine göre çizildi. Öte yandan Guan ve diğerleri, temas arayüzünü simüle etmek için eşdeğer bir temas köprüsü inşa ederek temas direncini ve elektromanyetik itmeyi hesaba katmış ve elektromanyetik-termal bağlantı alanı ve sıcaklık artışı deneyi3’ü daha fazla analiz etmişlerdir. Ek olarak, araştırmacılar, devre kesiciömrü 4’ün incelenmesi için bir temel sağlayan sonlu elemanlar simülasyonu ile halka ana ünitesi içindeki dinamik ve statik kontakların sıcaklık alanını ve termal stres dağılımını araştırdılar. Son olarak, Mueller ve ark. ısı alıcıların geometrik özelliklerine odaklanmış ve malzeme seçiminin, toplam yüzey alanının, sıcaklık homojenliğinin ve maksimum yüzey sıcaklığının termal performans üzerindeki etkilerini değerlendirmiştir5. Bu çalışmalar, şalt cihazı performansını ve güvenilirliğini artırmak, sıcaklık artışını azaltmak ve ekipman ömrünü uzatmak için değerli bilgiler ve yöntemler sağlar. Wang ve ark. UPIOT ortamında, elektrik halka kabinlerinin arıza teşhisini tespit etmek amacıyla bir MiNET Derin Öğrenme Modeli (MDLM) önerdi ve bu, diğer yöntemlerden önemli ölçüde daha yüksek olan %99,1’lik bir tanımlama doğruluğuna sahip olduğu doğrulandı6. Lei ve ark. manyeto-sıvı-termal kuplaj analiz yöntemini kullanarak kararlı bir durumda bir GIS barasının termal performansını inceledi, böylece sıcaklık artışı simülasyon sonuçlarına dayalı olarak iletken ve tank çapını optimize etti7. Ouerdani ve ark. içindeki kritik konumlardaki sıcaklık artışını belirlemek için RMU sıcaklık artışı simülasyon modelini kullandı ve böylece RMU içindeki bileşenler için maksimum aşırı yüklenme süresinibuna göre sabitledi 8. Zheng ve ark. iki boyutlu bir model oluşturarak ve elektromanyetik alan hesaplamaları için sonlu elemanlar yöntemini (FEM) uygulayarak yüksek akım şalt cihazı modelinde geleneksel bir dikdörtgen bara tanımladı. Bara iletken akım yoğunluğu ve güç kaybının dağılımını elde etmelerini sağladı. Yakınlık etkisi ve cilt etkisinin etkileri göz önünde bulundurularak düzensiz bir bara tasarlandı. Bu düzensiz bara tasarımı, geleneksel dikdörtgen bara9’un performansını artırdı.
Icepak simülasyonunu kullanma yönüne gelince, Wang ve ark. girdap alanı, hava akışı alanı ve sıcaklık alanı teorileri aracılığıyla bir sıcaklık artışı simülasyonu gerçekleştirdi ve halka ana ünitesinin sıcaklık artışının doğal konveksiyon altında daha ciddi olduğunu buldu. Cebri hava soğutması ekleyerek ve iç temas yapısındaiyileştirmeler yaparak sıcaklık artış seviyesini başarıyla düşürdüler 10. Zhu ve ark.11 , termal yolların varlığının PCB üzerindeki etkisini ve ısı emicilerin varlığının güç cihazlarının sıcaklığı üzerindeki etkisini karşılaştırmak için bir termal modeli simüle etmek için icepak’ı kullandı. Son olarak, teorik analizin doğruluğunu doğrulamak için teorik analiz simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırılır. Mao ve ark.12 , icepak simülasyonunda CAE yazılımına dayalı termal simülasyon ile yaz çalışma koşulları altında sıcaklık ve iç hava akışı dağılımını inceledi. Soğutma verimliliğinin nasıl iyileştirileceği ve birden fazla gümüş kaplama konağın sıcaklık artışının nasıl kontrol edileceği sorunu verilmiştir ve simülasyonda yakalanan sıcaklık ve iç hava akışı konturları, sızdırmazlık ünitesine monte edilen altı gümüş kaplama kontak için soğutma şemasının tasarımının temelini atacaktır. Tersine, kararlı durumlu bir termal modülün kullanımında, alternatif bir geçici durum prosedürü kullanılarak yüksek basınçlı bir burcun termal ağını çözmek için Zhang13 Modelleme yöntemleri tartışılmaktadır. Test ve simülasyon sonuçları, burcun termal kararlı durumu ve geçici durumları ile iyi bir uyum içindedir. Geçici sonuçlar daha sonra burç aşırı yük kapasitesini değerlendirmek için kullanılır. Vaimann ve ark.14 , farklı bileşenlerinin sıcaklığını ve ayarlanan toplam parametre termal ağını tahmin etmek için bir senkron relüktans motorunun analitik bir termal modelini geliştirdi ve analiz etti.
Halka ana üniteler gibi elektrikli ekipmanlar üzerine yapılan araştırmaların sürekli ilerlemesiyle, geleneksel sıcaklık artış testleri ve üretim yöntemleri nispeten verimsizdir. Bu nedenle, çevrimdışı testlerle birlikte sonlu elemanlar teknolojisini kullanarak, yalnızca tasarım maliyeti sorunları ele alınmakla kalmaz, aynı zamanda simülasyonlara dayalı gerçek dünya problemlerinde derhal ayarlamalar ve optimizasyonlar yapılabilir. Yukarıda bahsedilen araştırma ilerlemesine dayanarak, karşılaştırmalı analiz için ANSYS Icepak ve Kararlı durum termal kuplajının kullanımından nadiren bahsedilmektedir. Bu nedenle, protokol sonlu elemanların mekanizma araştırmasını açıklar, muhafaza için bir sonlu eleman sıcaklık artışı simülasyon modeli oluşturmak için sayısal ve morfolojik kombinasyonlar kullanır ve iki simülasyon modülünün sonuçlarını karşılaştırarak iki analitik modülün sonuçlarına dayalı olarak sonlu elemanlar sıcaklık artışı simülasyon modelini tartışır. İki simülasyon modülü arasındaki karşılaştırma yoluyla, halka ana ünitesinin sıcaklık artış eğiliminin özelliklerini elde edeceğiz ve halka ana ünitesinin sıcaklık artışını azaltmak için bir strateji için gerekli temeli ve araştırma fikirlerini sağlamak için en uygun yöntemi bulacağız.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu makale, mühendislik modelleme yazılımı ve sonlu elemanlar yazılımına dayalı olarak halka kabinin sıcaklık artışının karşılaştırmalı bir simülasyon analizidir ve gerçek sıcaklık artışı durumu için en uygun çözüm, iki sonlu eleman sıcaklık alanı çözüm modülü ile analiz edilir. Termal yönetim, Icoz23’te elektronik bileşenlerin yüksek verimliliğini ve güvenilirliğini korumada kritik ve temel bir bileşen olarak da tanıml…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar yardımları için Bay Wu, MS Sun, Bay Wang, Bay Mu ve Bay Li’ye teşekkür eder. Bu çalışma, Çin Doktora Sonrası Bilim Vakfı (2022M721604) ve Wenzhou Anahtar Bilim ve Teknoloji Mücadele Programcısı (ZG2023015) tarafından desteklenmiştir.
Materials
| 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 |
References
- Xia, H., et al. Temperature rise test and analysis of high current switchgear in distribution system. J Engg. , 754-757 (2019).
- Polykrati, A. D., Karagiannopoulos, C. G., Bourkas, P. D. Thermal effect on electric power network components under short-circuit currents. Electric Power Syst Res. 72 (3), 261-267 (2004).
- Guan, X., Shu, N., Kang, B., Zou, M. Multiphysics analysis of plug-in connector under steady and short circuit conditions. IEEE Trans Comp Packag Manu Technol. 5 (3), 320-327 (2015).
- Wang, L., Wang, R., Li, X., Jia, S. Simulation analysis on the impact of different filling gases on the temperature rise of C-GIS. IEEE Trans Comp Packag Manu Technol. 9 (10), 2055-2065 (2019).
- Mueller, A., et al. Numerical design and optimization of a novel heatsink using ANSYS steady-state thermal analysis. 2020 27th International Workshop on Electric Drives: MPEI Department of Electric Drives 90th Anniversary (IWED). , 1-5 (2020).
- Wang, Y., Yan, J., Yang, Z., Zhao, Y., Liu, T. Optimizing GIS partial discharge pattern recognition in the ubiquitous power internet of things context: A MiNET deep learning model. Int J Electrical Power Energy Sys. 125, 106484 (2021).
- Lei, J., et al. A 3-D steady-state analysis of thermal behavior in EHV GIS Busbar. J Electr Engg Tech. 11 (3), 781-789 (2016).
- Ouerdani, Y., et al. Temperature rise simulation model of RMU with switchfuse combinations for future load profiles. , 360-364 (2021).
- Zheng, W., Jia, X., Zhou, Z., Yang, J., Wang, Q. Multi-physical field coupling simulation and thermal design of 10 kV-KYN28A high-current switchgear. Thermal Sci Engg Prog. 43, 101954 (2021).
- Wang, L., et al. Electromagnetic-thermal-flow field coupling simulation of 12-kV medium-voltage switchgear. IEEE Trans Comp Packag Manufact Technol. 6 (8), 1208-1220 (2016).
- Zhu, Y., et al. Thermal analysis and design of GaN device of energy storage converter based on Icepak. , 762-767 (2022).
- Mao, Y. e. Thermal simulation of high-current switch cabinet based on Icepak. Electr Ener Mgmt Technol. , 1-7 (2018).
- Zhang, S. Evaluation of thermal transient and overload capability of high-voltage bushings with ATP. IEEE Trans Power Delivery. 24 (3), 1295-1301 (2009).
- Ghahfarokhi, P. S., et al. Steady-state thermal model of a synchronous reluctance motor. , 1-5 (2018).
- Şeker, E. A., Çelik, B., Yildirim, D., Sakaci, E. A., Deniz, A. Temperature field and power loss calculation with coupled simulations for a medium-voltage simplified switchgear. Electrica. 23 (1), 107-120 (2021).
- Ruibo, Y., et al. Research and application of temperature load of switchgear. J Physics: Conf Series. 2378 (2022), 012019 (2022).
- Sheikholeslami, M., Khalili, Z. Simulation for impact of nanofluid spectral splitter on efficiency of concentrated solar photovoltaic thermal system. Sust Cities Soc. 101, 105139 (2024).
- Sheikholeslami, M., Khalili, Z., Scardi, P., Ataollahi, N. Environmental and energy assessment of photovoltaic-thermal system combined with a reflector supported by nanofluid filter and a sustainable thermoelectric generator. J Cleaner Prod. 438, 140659 (2024).
- Sheikholeslami, M., Khalili, Z. Solar photovoltaic-thermal system with novel design of tube containing eco-friendly nanofluid. Renewable Ener. 222, 119862 (2024).
- Sheikholeslami, M., Khalili, Z. Environmental and energy analysis for photovoltaic-thermoelectric solar unit in existence of nanofluid cooling reporting CO2 emission reduction. J Taiwan Inst Chem Eng. 156, 105341 (2024).
- Zhao, L., et al. Research on the temperature rise characteristics of medium-voltage switchgear under different operation conditions. IEEJ Trans Elect Electr Engg. 17 (5), 654-664 (2022).
- Fjeld, E., Rondeel, W., Vaagsaether, K., Attar, E. Influence of heat source location on air temperatures in sealed MV switchgear. , 1-5 (2017).
- Icoz, T., Arik, M. Light weight high performance thermal management with advanced heat sinks and extended surfaces. IEEE Trans Comp Pack Technol. 33 (1), 161-166 (2010).
- Steiner, T. R. High temperature steady-state experiment for computational radiative heat transfer validation using COMSOL and ANSYS. Results Engg. 13, 100354 (2022).
