Summary

Vergleichende Studie zur Simulation des Temperaturanstiegs in der Ringhaupteinheit

Published: July 05, 2024
doi:

Summary

Dieser Artikel befasst sich mit dem Problem des Temperaturanstiegs der Ringhaupteinheit, indem ein vereinfachtes Modell erstellt und eine vergleichende Analyse in zwei Temperaturfeldlösungsmodulen durchgeführt wird.

Abstract

Die Ring-Main-Unit (RMU) ist ein kritisches Gerät in Stromverteilungssystemen, die zum Anschließen und Verteilen von Elektrizität verwendet werden. Aufgrund des kompakten internen Aufbaus und der hohen Strombelastung sind jedoch Probleme mit der Wärmeableitung besonders ausgeprägt. Um dieses Problem anzugehen, schlägt diese Studie ein vereinfachtes RMU-Modell vor, das Finite-Elemente-Simulationsmethoden verwendet, um die ohmschen Verluste von Leitern unter realen Betriebsbedingungen genau zu lösen und ohmsche Verlustdaten für verschiedene Komponenten zu erhalten. Dies ist die erste eingehende Untersuchung des Problems des Temperaturanstiegs der RMU mit einem so umfassenden Ansatz. Anschließend wurde das Temperaturfeld mit zwei verschiedenen Temperaturfeldanalysemodulen gelöst, mit einem detaillierten Vergleich und einer detaillierten Analyse der Simulationsergebnisse, um Ähnlichkeiten, Unterschiede und Trends in der Temperaturverteilung zu identifizieren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Temperaturfeldlösungsmodell, das die konvektive Wärmeübertragung berücksichtigt, genauer ist und sich an den tatsächlichen Betriebsbedingungen orientiert. Diese Forschung bietet einen innovativen Ansatz und praktische Lösungen für das Design und die Optimierung von RMUs. Zukünftige Forschungsarbeiten können multiphysikalische Kopplungsanalysemethoden weiter erforschen, um strukturelle Design- und obligatorische Validierungsprobleme für Hoch- und Ultrahochspannungs-RMUs und andere elektrische Geräte zu lösen und so wichtige Erkenntnisse für das technische Design zu liefern.

Introduction

Die Ringhaupteinheit ist eine Gruppe von Hochspannungsschaltanlagen, die in einem Stahlmetallgehäuse montiert sind oder aus einer montierten Ringnetznetzeinheit für elektrische Geräte bestehen. Die Gesamtstruktur des Lastschalters und des leitenden Stromkreises besteht aus dem leitenden Stromkreis, der eine Reihe von Komponenten umfasst, die den Hauptkern der Ringeinheit bilden. Aufgrund ihrer kompakten internen Struktur steht die Ringhaupteinheit jedoch vor Herausforderungen bei der Wärmeableitung. Dies kann bei längerem Betrieb in Umgebungen mit hohen Temperaturen zu thermischer Verformung und Alterung führen. Diese Probleme beeinträchtigen nicht nur die Lebensdauer des Geräts, sondern auch seine isolierenden Eigenschaften und stellen ein Sicherheitsrisiko dar. Insbesondere Geräteschäden und Elektrounfälle werden wahrscheinlicher, was ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellt.

In verschiedenen Forschungsbereichen haben Wissenschaftler eine Reihe von Studien zum Temperaturanstieg von Freileitungsschaltanlagen durchgeführt und verschiedene Faktoren analysiert, die die Temperaturverteilung beeinflussen1. In Polykrati et al.2 wird ein mathematisches Modell zur Abschätzung des Temperaturanstiegs von Komponenten, die während eines Kurzschlussfehlers im Verteilnetz installiert sind, vorgestellt. Das Modell wurde auf die gängigen Trennschalter des Netzwerks angewendet, und die Eigenschaften der Ergebnisse wurden entsprechend den verschiedenen Formen des asymmetrischen Teils der Kurzschlussstromwellenform und dem Anfangswert der Kurzschluss-Gleichstromkomponente aufgetragen. Guan et al. hingegen haben den Kontaktwiderstand und die elektromagnetische Abstoßung berücksichtigt, indem sie eine äquivalente Kontaktbrücke zur Simulation der Kontaktgrenzfläche gebaut und das elektromagnetisch-thermische Kopplungsfeld- und Temperaturanstiegsexperiment weiter analysiert3. Darüber hinaus untersuchten die Forscher die Temperaturfeld- und thermische Spannungsverteilung der dynamischen und statischen Kontakte im Inneren der Ringhaupteinheit durch Finite-Elemente-Simulation, die eine Grundlage für die Untersuchung der Lebensdauer von Leistungsschalternlieferte 4. Schließlich haben sich Mueller et al. auf die geometrischen Eigenschaften von Kühlkörpern konzentriert und die Auswirkungen der Materialauswahl, der Gesamtoberfläche, der Temperaturgleichmäßigkeit und der maximalen Oberflächentemperatur auf die thermische Leistungbewertet 5. Diese Studien liefern wertvolle Erkenntnisse und Methoden, um die Leistung und Zuverlässigkeit von Schaltanlagen zu verbessern, den Temperaturanstieg zu reduzieren und die Lebensdauer der Geräte zu verlängern. Wang et al. schlugen ein MiNET Deep Learning Model (MDLM) in der UPIOT-Umgebung vor, um die Fehlerdiagnose von elektrischen Ringschränken zu erkennen, das mit einer Identifikationsgenauigkeit von 99,1 % validiert wurde, was deutlich höher ist als die anderer Methoden6. Lei et al. untersuchten das thermische Verhalten einer GIS-Stromschiene im stationären Zustand mit der Analysemethode der magnetofluid-thermischen Kopplung und optimierten dadurch den Leiter- und Tankdurchmesser auf der Grundlage der Ergebnisse der Temperaturanstiegssimulation7. Ouerdani et al. verwendeten das RMU-Temperaturanstiegssimulationsmodell, um den Temperaturanstieg an kritischen Stellen im Inneren zu bestimmen und damit die Dauer der maximalen Überlastung für die Komponenten innerhalb der RMU entsprechend festzulegen8. Zheng et al. beschrieben eine konventionelle rechteckige Stromschiene in einem Modell einer Hochstromschaltanlage, indem sie ein zweidimensionales Modell erstellten und die Finite-Elemente-Methode (FEM) für die Berechnung elektromagnetischer Felder anwandten. Es ermöglichte ihnen, die Verteilung der Stromdichte und der Verlustleistung des Busleiters zu ermitteln. Eine unregelmäßige Stromschiene wurde unter Berücksichtigung der Auswirkungen des Proximity-Effekts und des Skin-Effekts entwickelt. Dieses unregelmäßige Stromschienendesign verbesserte die Leistung der herkömmlichen rechteckigen Stromschiene9.

Was den Aspekt der Verwendung der Icepak-Simulation betrifft, so führten Wang et al. eine Temperaturanstiegssimulation durch Wirbelfeld-, Luftströmungsfeld- und Temperaturfeldtheorien durch und fanden heraus, dass der Temperaturanstieg der Ringhaupteinheit unter natürlicher Konvektion gravierender war. Sie reduzierten erfolgreich den Temperaturanstieg, indem sie eine forcierte Luftkühlung hinzufügten und die interne Kontaktstruktur10 verbesserten. Zhu et al.11 verwendeten das Icepak, um ein thermisches Modell zu simulieren, um den Einfluss des Vorhandenseins von thermischen Durchkontaktierungen auf der Leiterplatte und des Vorhandenseins von Kühlkörpern auf die Temperatur der Leistungsbauelemente zu vergleichen. Abschließend wird die theoretische Analyse mit den Simulationsergebnissen verglichen, um die Richtigkeit der theoretischen Analyse zu überprüfen. Mao et al.12 untersuchten die Temperatur- und interne Luftströmungsverteilung unter sommerlichen Betriebsbedingungen durch thermische Simulation auf Basis der CAE-Software in der icepak-Simulation. Das Problem, wie die Kühleffizienz verbessert und der Temperaturanstieg mehrerer versilberter Kontakte kontrolliert werden kann, ist gegeben, und die in der Simulation erfassten Temperatur- und internen Luftströmungskonturen legen die Grundlage für die Gestaltung des Kühlschemas für die sechs versilberten Kontakte, die in der Dichtungseinheit montiert sind. Umgekehrt werden bei der Verwendung eines stationären thermischen Moduls Zhang13 Modellierungsmethoden zur Lösung des thermischen Netzwerks einer Hochdruckdurchführung unter Verwendung eines alternativen transienten Verfahrens diskutiert. Die Test- und Simulationsergebnisse stimmen gut mit dem thermischen stationären und transienten Zustand der Buchse überein. Die transienten Ergebnisse werden dann verwendet, um die Überlastfähigkeit der Buchse zu bewerten. Vaimann et al.14 entwickelten und analysierten ein analytisches thermisches Modell eines Synchronreluktanzmotors zur Vorhersage der Temperatur seiner verschiedenen Komponenten und des eingestellten thermischen Gesamtparameternetzwerks.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Forschung an elektrischen Geräten wie Ringleitungseinheiten sind herkömmliche Temperaturanstiegstests und Produktionsmethoden relativ ineffizient. Durch den Einsatz der Finite-Elemente-Technologie in Kombination mit Offline-Tests werden daher nicht nur die Probleme der Designkosten gelöst, sondern es können zeitnah Anpassungen und Optimierungen an realen Problemen auf der Grundlage von Simulationen vorgenommen werden. Basierend auf den oben genannten Forschungsfortschritten wird die Verwendung von ANSYS Icepak und stationärer thermischer Kopplung für vergleichende Analysen selten erwähnt. Daher beschreibt das Protokoll die Mechanismusforschung von finiten Elementen, verwendet numerische und morphologische Kombinationen, um ein Simulationsmodell für den Temperaturanstieg der Finite Elemente für das Gehäuse zu erstellen, und diskutiert das Simulationsmodell für den Temperaturanstieg der finiten Elemente auf der Grundlage der Ergebnisse der beiden analytischen Module, indem die Ergebnisse der beiden Simulationsmodule verglichen werden. Durch den Vergleich zwischen den beiden Simulationsmodulen erhalten wir die Eigenschaften des Temperaturanstiegstrends der Ringhaupteinheit und finden die am besten geeignete Methode, um die notwendige Grundlage und Forschungsideen für eine Strategie zur Abschwächung des Temperaturanstiegs der Ringleitungseinheit bereitzustellen.

Protocol

1. Modell HINWEIS: Aufgrund der komplexen Struktur der Ring-Haupteinheit (Abbildung 1A) wurde eine Online-Konstruktionssoftware gewählt, um die Bedienung der Ring-Haupteinheit zu vereinfachen. Vereinfachung der ModellierungVereinfachen Sie das Modell teilweise, indem Sie den Airbox-Abschnitt der RMU beibehalten, während andere Komponenten wie Isolierwellen, Befestigungsschrauben, Muttern, Dichtungskomponenten und Druckstützhalterungen entfernt oder vereinfacht werden. Die vereinfachte Version ist in (Abbildung 1B) dargestellt.Um die Ringhaupteinheit vom Typ 630A zu vereinfachen, entfernen Sie die isolierte Welle, die den Leistungsschalterraum mit dem Instrumentenkasten verbindet, sowie viele feste Schrauben und Muttern. Nehmen Sie die Dichtungsteile und die Druckhaltehalterung heraus und verbinden Sie die statischen Kontakte des isolierten statischen Strahls mit der unteren Abzweigsammelschiene unter der Prämisse, dass der gesamte Aufbau den gleichen Leitungsstrom hat und nur der Vakuum-Leistungsschalter, die Befestigungsplatte des Leistungsschalters und die statischen Kontakte und der Vakuum-Leistungsschalter erhalten bleiben. Behalten Sie nur den Vakuumschutzschalter, die Befestigungsplatte für den Leistungsschalter, den statischen Kontakt und die Blockierplatte des Vakuumschutzschalters bei. Entfernen Sie insgesamt Schrauben und Dichtungen aus dem Modell, füllen Sie die Löcher nach dem Entfernen der Schrauben mit Volumenkörpern, reduzieren Sie die Anzahl der Netzteile, und optimieren Sie die unregelmäßigen Formen der Teile. Entfernen Sie Instrumente für den Schaltschrankbetrieb, Montageplatten, Halterungen und andere Bedienungsteile, wie z. B. Instrumentenkästen, die keinen Einfluss auf den Simulationsprozess des Temperaturanstiegs haben. Das Entfernen der isolierten Gehäuse einiger Komponenten kann bei der Simulation vernachlässigt werden, da sie nur einen geringen Einfluss auf die Simulationsergebnisse haben. Darüber hinaus werden sie durch Erdungsschalter, die sich nicht auf die Nutzung des Geräts während des normalen Betriebs auswirken, entfernt und der Schalter bleibt für die Simulation frei. Um einen Abschnitt zu löschen, wählen Sie ihn einfach aus und klicken Sie auf die Option Löschen . 2. Wirbelfeld-Lösung Einstellungen für die VorverarbeitungHINWEIS: Die Wirbelstromfeldemulation ist die Grundlage für die Durchführung der Temperaturfeldlösung, die die anschließende Analyse der gelösten Wärmequelle als Belastung des Temperaturfeldes erfordert.In der Gerätedokumentation für das Ringleitungsgerät und in den entsprechenden Handbüchern finden Sie Informationen zu den physikalischen Eigenschaften und Parametern der einzelnen Komponenten des Ringnetzteils. Legen Sie die physikalischen Attribute und Parameter der Komponenten der Ringhaupteinheit in Maxwell auf der Grundlage der erhaltenen Informationen fest, wie in Tabelle 1 beschrieben. Stellen Sie den Wirbelstrom auf 630 A mit einer Frequenz von 50 Hz ein. Wählen Sie in der Maxwell-Software Eine Seite des oberen und unteren ausgehenden Arms, geben Sie das Erregermodul ein und stellen Sie die Stromstärke auf 630 A ein. Wählen Sie im Abschnitt Lösungseinstellungen eine Frequenz von 50 Hz aus.HINWEIS: Im leitenden Stromkreis eines Ringnetzteils wird der Weg, der von allen Komponenten vom oberen Auslassarm zum unteren Auslassarm gebildet wird, als Phasenfolge bezeichnet. Daher sind in dieser Arbeit die Phasen A, B und C von links nach rechts angeordnet. Die Materialparameter der Komponenten der Ringhaupteinheit sind in Tabelle 2 dargestellt. Leiten Sie den Strom durch die abgehenden Leitungsarme, flexiblen Anschlüsse, Stromschienen, Leistungsschalter, Stromschienen für statische Kontakte und Abzweigsammelschienen für jede Phase. Ziel ist es, einen Strompfad zu realisieren, der es den Komponenten ermöglicht, die Last zu vervollständigen. Nutzen Sie die adaptive Vernetzung von Maxwell, um die Rastersteuerung für das Modell zu vervollständigen. Verwenden Sie die adaptive Netzpartitionierungsmethode Maxwell für größere Komponenten und die lokale Netzverfeinerung für kleinere interne Komponenten.HINWEIS: Maxwell kann die Rastergenauigkeit während des Lösungsprozesses kontinuierlich verbessern, sodass Sie nicht mehr auf Netzoperationen klicken müssen, um zusätzliche Netzpartitionierungen zu erhalten. Legen Sie die Schrittweite der Lösung fest. Klicken Sie im Modellbaum auf Analyse , öffnen Sie die Einstellungen für den Lösungsschritt, und legen Sie die maximale Anzahl der Durchgänge auf 10 fest. Behalten Sie die Standardwerte bei, ohne Änderungen vorzunehmen. Prinzip der Wirbelstromfeldberechnung15,16.Verwenden Sie die erste Gleichung von Maxwell, die die Wirkung der Ladung auf die Erzeugung eines elektrischen Feldes17 beschreibt.(1)wobei ρ die Ladungsdichte darstellt; ε0 stellt die Dielektrizitätskonstante des Vakuums dar. Verwenden Sie die zweite Gleichung von Maxwell, die die Beziehung zwischen einem sich ändernden Magnetfeld und einem elektrischen Feld und die Wirkung eines Magnetfeldes auf die Bewegung einer Ladung beschreibt.(2)wobei die Magnetfeldstärke darstellt. Diese Gleichung beschreibt, dass ein variierendes Magnetfeld ein elektrisches Wirbelfeld erzeugt, d.h. der Spin des elektrischen Wirbelfeldes ist gleich dem Minus der Änderungsrate des Magnetfeldes mit der Zeit. Verwenden Sie die dritte Gleichung von Maxwell, die die Wirkung der magnetischen Ladung auf die Erzeugung eines Magnetfeldes beschreibt.(3)Diese Gleichung beschreibt das von einer magnetischen Ladung erzeugte Magnetfeld als passiv, d.h. es gibt keine Monopole im Magnetfeld. Verwenden Sie die vierte Gleichung von Maxwell, die die Beziehung zwischen einem variierenden elektrischen Feld und einem Magnetfeld und die Wirkung eines elektrischen Stroms auf ein Magnetfeld beschreibt.(4)wobei die Stromdichte und μ0 die Vakuumdurchlässigkeit darstellt. Diese Gleichung beschreibt, dass ein variierendes elektrisches Feld ein Wirbelmagnetfeld erzeugt, d.h. der Spin des Wirbelmagnetfeldes ist gleich der Summe aus der Stromdichte und der Änderungsrate des elektrischen Feldes mit der Zeit. Verwenden Sie auf der Grundlage der obigen Gleichungen das Maxwell 3D-Modul mit Wirbelstromlöser, um den ohmschen Verlust zu lösen, der durch den leitenden Schaltkreis in der RMU erzeugt wird, der eine Wärmequelle für die anschließende thermische Simulationsanalyse darstellt. Sein mathematischer Ausdruck wird mit18 angegeben(5)wobei σ die Leitfähigkeit des leitenden Schleifenmaterials bezeichnet; J ist die Stromdichte in der Schleife. BerechnungsergebnisseKlicken Sie in der Benutzeroberfläche auf die Option Maxwell 3D und öffnen Sie die Validierungsprüfung, um alle Einstellungen auf Fehler zu überprüfen. Wenn keine Fehler angezeigt werden, klicken Sie auf Alle analysieren , um den Lösungsvorgang zu starten. Verwenden Sie den Nachbearbeitungsrechner von Maxwell, um die ohmschen Verluste im Wirbelstromfeld der Ringhaupteinheit zu berechnen und darzustellen, wie in Tabelle 3 gezeigt. 3. Temperaturfeld-Lösung HINWEIS: Unterteilen Sie das Temperaturfeld zu Vergleichszwecken in Icepak und stationäre Wärme. Richten Sie jedes Gerät separat ein, und lösen Sie es, um eine vergleichende Analyse zu erhalten. Aufbau des Icepak-ModellsLegen Sie die Materialeigenschaften wie folgt fest: Kennzeichnen Sie alle Volumenmaterialien der Schaltkreise als Cu-rein, mit Oberflächen mit Cu-polierter Oberfläche. Wählen Sie für die Plattenkomponenten das Material Aluminium6061-T6 mit einer Oberflächenbeschichtung aus Paint-AL-Oberfläche mit einem Emissionsgrad von 0,35. Einzelheiten finden Sie in Tabelle 4 . Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die ausgewählte Komponente, klicken Sie auf Bearbeiten , und wechseln Sie dann zu Eigenschaften , um das Material sowohl für die Fläche als auch für das Volumenmaterial festzulegen. Wählen Sie das Modell aus und klicken Sie im Menü Bearbeiten auf Festlegen , dann wählen Sie Multilevel-Vernetzungsebene , um die Netzeinstellungen anzupassen. Legen Sie den externen Schrank auf eine Netzebene von 2 und alle Berandungen auf eine Netzebene von 2 fest. Legen Sie für alle anderen Komponenten die Netzebene auf 3 fest. Öffnen Sie abschließend das Mesh-Steuerelement und klicken Sie auf Generieren , um das Mesh zu erstellen. Um die Genauigkeit und Effizienz der Simulation unabhängig von der Netzgröße zu gewährleisten, ist eine Validierung der Netzunabhängigkeit erforderlich. Importieren Sie das geometrische Modell des Temperaturfeldgehäuses, das mit der Bemessungssoftware für die Vernetzung erstellt wurde. Wie in Abbildung 2 dargestellt, sind die Polarisationskurven der vier Gittersätze gut ausgerichtet. Bei einer Arbeitsspannung von 0,5 V betragen die Stromdichten für die vier Gittersätze 2,357 A/cm2, 2,358 A/cm2, 2,356 A/cm2 bzw. 2,454 A/cm2, wobei der Fehler zwischen der maximalen und der Stromdichte weniger als 1 % beträgt. Um Effizienz und Genauigkeit in Einklang zu bringen, bestimmen Sie die Rastergröße, die 987924 wird. Einrichtung der LösungLegen Sie die Richtungen der Lösungsdomäne Schrank auf Öffnung fest. Wählen Sie in der Software Problemschritt aus. Überprüfen Sie unter Basic Parameters (Grundparameter) das Modell der Boden-zu-Oberfläche-Strahlung, wählen Sie die Option Nullgleichung für das turbulente Strömungsregime, wählen Sie die Option Gravity (Schwerkraft ) für Natural Convection (Natürliche Konvektion) und stellen Sie die Umgebungstemperatur auf 20 °C ein. Wählen Sie in den Dateieinstellungen die Option Volumetrische Wärmeverluste für EM-Mapping und wählen Sie Alle angezeigten Objekte aus, um die Verlusteinstellungen abzuschließen. Berechnung des TemperaturfeldesWenden Sie in icepak drei Haupterhaltungsgleichungen für Energie an: Massenerhaltungsgleichung, Impulserhaltungsgleichung und Energieerhaltungsgleichung. Verwenden Sie insbesondere die Impulserhaltungsgleichung, die wie folgt lautet19:(6)Energiespar-Gleichung:(7)Gleichungen zur Massenerhaltung:(8)Energieübertragungsgleichung für die Wärmeübertragung aus einer festen Wärmequelle:(9)ρ stellt die Dichte des Fluids dar; v steht für den Strömungsgeschwindigkeitsvektor; T steht für die Temperatur; p ist der Druck; τ ist die viskose Kraft auf der Oberfläche des Mikrometaboliten; κ ist der Wärmedurchgangskoeffizient; Shist die Wärmequelle des Körpers; h ist die spezifische Enthalpie der Flüssigkeit und F ist die Körperkraft des Mikrometaboliten.HINWEIS: Die Ergebnisse der Temperaturfeldberechnungen sind in Abbildung 3A und Abbildung 4A dargestellt. Aufbau eines stationären thermischen ModellsPflegen Sie die Materialeigenschaften gemäß Tabelle 3 in den Materialeinstellungen. Generieren Sie die ohmschen Verluste, die sich aus der Wirbelstromfeldsimulationsanalyse im Steady State Thermal-Modul ergeben, indem Sie auf Thermische Lasterzeugung klicken. Klicken Sie auf den Wert für die konvektive Temperatur und stellen Sie ihn auf 20 °C ein, wobei ein konvektiver Koeffizient von 5 (W/m²°C) auf die Innenwände des Schranks, der Komponenten und des externen Schranks angewendet wird. Übernehmen Sie die Einstellungen und generieren Sie. Stellen Sie die Ausgabe so ein, dass sie nach Temperatur berechnet wird, indem Sie auf Berechnen > Ausgabeergebnisse klicken.HINWEIS: Das Haupttemperaturfeld, das die Gleichungen in der stationären thermischen Temperaturfeldberechnung 20,21,22 regelt, wird normalerweise aus dem Gesetz der Wärmeleitung (Fouriersches Gesetz der Wärmeleitung) abgeleitet. Im eindimensionalen Fall kann die Wärmeübertragungsgleichung des Temperaturfeldes als20 ausgedrückt werden:(10)In dieser Gleichung steht T für die Temperatur im Inneren des Objekts, t für die Zeit, x für die Raumkoordinaten und α für die Wärmeleitfähigkeit. Diese Gleichung beschreibt die Variation der Temperatur in Bezug auf Zeit und Raum, wobei die rechte Seite die Beziehung zwischen Wärmeleitgeschwindigkeit und Temperaturgradient ausdrückt. In einem allgemeineren dreidimensionalen Szenario kann die Wärmeleitungsgleichung für das Temperaturfeld in folgender Form ausgedrückt werden:(11)ρ steht für die Dichte des Objekts, c ist die spezifische Wärmekapazität, K ist die Wärmeleitfähigkeit und Q ist der Wärmequellenterm innerhalb des Volumens. Diese Gleichung beschreibt die Variation des Temperaturfeldes, die durch die Wärmeleitung, die Wärmequellen und die thermische Kapazität beeinflusst wird. Die Ergebnisse der Berechnung des Temperaturfelds sind in Abbildung 3 dargestellt. Vergleichen Sie die in Tabelle 5 und Tabelle 6 zusammengefassten Temperaturwerte.

Representative Results

Basierend auf den Daten in Tabelle 3 lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen: Die Gesamtverluste für die Phasen A, B und C sind relativ ähnlich. Konkret betragen die Gesamtverluste für Phase A 16,063 W/m³, Phase B 16,12 W/m³ und Phase C 19,57 W/m³. Die Stellen mit höheren Verlusten können an den Verbindungen verschiedener Komponenten liegen. Dies liegt vor allem daran, dass an diesen Verbindungsstellen typischerweise Übergangswiderstand und Leiterwidersta…

Discussion

Bei diesem Artikel handelt es sich um eine vergleichende Simulationsanalyse des Temperaturanstiegs des Ringschranks auf der Grundlage von technischer Modellierungssoftware und Finite-Elemente-Software, und die am besten geeignete Lösung für die tatsächliche Temperaturanstiegssituation wird durch zwei Finite-Elemente-Temperaturfeld-Lösungsmodule analysiert. Das Wärmemanagement wird auch in Icoz23 als kritische und wesentliche Komponente zur Aufrechterhaltung d…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Autoren danken Herrn Wu, MS Sun, Herrn Wang, Herrn Mu und Herrn Li für ihre Hilfe. Diese Studie wurde von der China Postdoctoral Science Foundation (2022M721604) und dem Wenzhou Key Science and Technology Tackling Programmer (ZG2023015) unterstützt.

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

Referenzen

  1. Xia, H., et al. Temperature rise test and analysis of high current switchgear in distribution system. J Engg. , 754-757 (2019).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Ouerdani, Y., et al. Temperature rise simulation model of RMU with switchfuse combinations for future load profiles. , 360-364 (2021).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Zhu, Y., et al. Thermal analysis and design of GaN device of energy storage converter based on Icepak. , 762-767 (2022).
  12. Mao, Y. e. Thermal simulation of high-current switch cabinet based on Icepak. Electr Ener Mgmt Technol. , 1-7 (2018).
  13. Zhang, S. Evaluation of thermal transient and overload capability of high-voltage bushings with ATP. IEEE Trans Power Delivery. 24 (3), 1295-1301 (2009).
  14. Ghahfarokhi, P. S., et al. Steady-state thermal model of a synchronous reluctance motor. , 1-5 (2018).
  15. 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).
  16. Ruibo, Y., et al. Research and application of temperature load of switchgear. J Physics: Conf Series. 2378 (2022), 012019 (2022).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Sheikholeslami, M., Khalili, Z. Solar photovoltaic-thermal system with novel design of tube containing eco-friendly nanofluid. Renewable Ener. 222, 119862 (2024).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Fjeld, E., Rondeel, W., Vaagsaether, K., Attar, E. Influence of heat source location on air temperatures in sealed MV switchgear. , 1-5 (2017).
  23. 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).
  24. Steiner, T. R. High temperature steady-state experiment for computational radiative heat transfer validation using COMSOL and ANSYS. Results Engg. 13, 100354 (2022).

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Wang, X., Sun, Q., Lu, C., Zhang, M., Jin, J., Mu, L., Li, E., Wang, A., Wu, M. Comparative Study of Simulation of Temperature Rise in Ring Main Unit. J. Vis. Exp. (209), e66643, doi:10.3791/66643 (2024).

View Video