دراسة مقارنة لمحاكاة ارتفاع درجة الحرارة في الوحدة الرئيسية الحلقية
Summary
يعالج هذا البحث مشكلة ارتفاع درجة الحرارة للوحدة الرئيسية الحلقية من خلال إنشاء نموذج مبسط وإجراء تحليل مقارن في وحدتين لحل مجال درجة الحرارة.
Abstract
الوحدة الرئيسية الحلقية (RMU) هي جهاز مهم في أنظمة توزيع الطاقة المستخدمة لتوصيل وتوزيع الكهرباء. ومع ذلك ، نظرا لهيكلها الداخلي المدمج والحمل الحالي العالي ، فإن مشكلات تبديد الحرارة بارزة بشكل خاص. لمعالجة هذه المشكلة ، تقترح هذه الدراسة بشكل مبتكر نموذج RMU مبسط ، باستخدام طرق محاكاة العناصر المحدودة لحل الخسائر الأومية للموصلات بدقة في ظل ظروف التشغيل الفعلية والحصول على بيانات الخسارة الأومية لمختلف المكونات. هذا هو أول تحقيق متعمق في مشكلة ارتفاع درجة الحرارة في RMU باستخدام مثل هذا النهج الشامل. بعد ذلك ، تم حل مجال درجة الحرارة باستخدام وحدتين مختلفتين لتحليل مجال درجة الحرارة ، مع مقارنة وتحليل مفصل لنتائج المحاكاة لتحديد أوجه التشابه والاختلاف والاتجاهات في توزيع درجة الحرارة. تشير النتائج إلى أن نموذج محلول مجال درجة الحرارة ، الذي يأخذ في الاعتبار انتقال الحرارة بالحمل الحراري ، أكثر دقة ويتماشى مع ظروف التشغيل الفعلية. يوفر هذا البحث نهجا مبتكرا وحلولا عملية لتصميم وحدات RMU وتحسينها. يمكن للأبحاث المستقبلية استكشاف طرق تحليل اقتران الفيزياء المتعددة لمعالجة التصميم الهيكلي وقضايا التحقق الإلزامي لوحدات RMU ذات الجهد العالي والعالي للغاية وغيرها من المعدات الكهربائية ، وبالتالي توفير رؤى مهمة للتصميم الهندسي.
Introduction
الوحدة الرئيسية الحلقية عبارة عن مجموعة من المفاتيح الكهربائية عالية الجهد المثبتة في خزانة معدنية فولاذية أو مصنوعة من وحدة إمداد طاقة شبكة الحلقة المتباعدة المجمعة من المعدات الكهربائية. يتكون الهيكل العام لمفتاح الحمل والدائرة الموصلة من الدائرة الموصلة ، والتي تتضمن عددا من المكونات التي تشكل النواة الرئيسية لوحدة الحلقة. ومع ذلك ، نظرا لهيكلها الداخلي المدمج ، تواجه الوحدة الرئيسية الحلقية تحديات في تبديد الحرارة. هذا يمكن أن يؤدي إلى تشوه حراري وتقادم عند التشغيل لفترات طويلة في بيئات ذات درجات حرارة عالية. لا تؤثر هذه المشكلات على عمر خدمة الوحدة فحسب ، بل تؤثر أيضا على خصائصها العازلة ، مما يشكل مخاطر على السلامة. على وجه الخصوص ، يصبح تلف المعدات والحوادث الكهربائية أكثر احتمالا ، مما يشكل مخاطر كبيرة على السلامة.
ضمن مجالات البحث المختلفة ، أجرى العلماء سلسلة من الدراسات حول ارتفاع درجة حرارة المفاتيح الكهربائية للخطوط العلوية وحللوا العوامل المختلفة التي تؤثر على توزيع درجة الحرارة1. في Polykrati et al.2 ، يتم تقديم نموذج رياضي لتقدير ارتفاع درجة حرارة المكونات المثبتة على شبكة التوزيع أثناء حدوث خطأ ماس كهربائى. تم تطبيق النموذج على مفاتيح الفصل الشائعة للشبكة ، وتم رسم خصائص النتائج وفقا للأشكال المختلفة للجزء غير المتماثل من الشكل الموجي لتيار الدائرة القصيرة والقيمة الأولية لمكون تيار التيار المستمر للدائرة القصيرة. من ناحية أخرى ، أخذ Guan et al. في الاعتبار مقاومة التلامس والتنافر الكهرومغناطيسي من خلال بناء جسر اتصال مكافئ لمحاكاة واجهة الاتصال وتحليل مجال الاقتران الكهرومغناطيسي وتجربة ارتفاع درجة الحرارة3. بالإضافة إلى ذلك ، قام الباحثون بالتحقيق في مجال درجة الحرارة وتوزيع الإجهاد الحراري للتلامس الديناميكي والثابت داخل الوحدة الرئيسية للحلقة عن طريق محاكاة العناصر المحدودة ، والتي وفرت أساسا لدراسة عمر قاطع الدائرة4. أخيرا ، ركز Mueller et al. على الخصائص الهندسية للمشتتات الحرارية وقيموا تأثيرات اختيار المواد ، ومساحة السطح الإجمالية ، وتوحيد درجة الحرارة ، ودرجة حرارة السطح القصوى على الأداء الحراري5. توفر هذه الدراسات رؤى وطرقا قيمة لتحسين أداء المفاتيح الكهربائية وموثوقيتها وتقليل ارتفاع درجة الحرارة وإطالة عمر المعدات. اقترح Wang et al. نموذج التعلم العميق MiNET (MDLM) في بيئة UPIOT بهدف الكشف عن تشخيص الأعطال في خزانات الحلقة الكهربائية ، والتي تم التحقق من صحتها للحصول على دقة تحديد تبلغ 99.1٪ ، وهي أعلى بكثير من الطرق الأخرى6. درس Lei et al. الأداء الحراري لقضيب التوصيل GIS في حالة مستقرة باستخدام طريقة تحليل الاقتران المغناطيسي والسائل الحراري ، وبالتالي تحسين الموصل وقطر الخزان بناء على نتائج محاكاة ارتفاع درجة الحرارة7. استخدم Ouerdani et al. نموذج محاكاة ارتفاع درجة حرارة RMU لتحديد ارتفاع درجة الحرارة في المواقع الحرجة بداخله ، وبالتالي تحديد مدة الحمل الزائد الأقصى للمكونات داخل RMU وفقا لذلك8. وصف Zheng et al. قضيب توصيل مستطيل تقليدي في نموذج لمجموعة المفاتيح الكهربائية عالية التيار من خلال بناء نموذج ثنائي الأبعاد وتطبيق طريقة العناصر المحدودة (FEM) لحسابات المجال الكهرومغناطيسي. مكنتهم من الحصول على توزيع كثافة تيار موصل الحافلة وفقدان الطاقة. تم تصميم بسبار غير منتظم بعد النظر في آثار تأثير القرب وتأثير الجلد. أدى تصميم قضيب التوصيل غير المنتظم هذا إلى تحسين أداء قضيب التوصيل المستطيلالتقليدي 9.
أما بالنسبة لجانب استخدام محاكاة icepak ، فقد أجرى Wang et al. محاكاة ارتفاع درجة الحرارة من خلال نظريات مجال الدوامة ومجال تدفق الهواء ومجال درجة الحرارة ووجدوا أن ارتفاع درجة حرارة الوحدة الرئيسية للحلقة كان أكثر خطورة في ظل الحمل الحراري الطبيعي. لقد نجحوا في تقليل مستوى ارتفاع درجة الحرارة عن طريق إضافة تبريد الهواء القسري وإجراء تحسينات على هيكل الاتصال الداخلي10. استخدم Zhu et al.11 icepak لمحاكاة نموذج حراري من أجل مقارنة تأثير وجود فتحات حرارية على ثنائي الفينيل متعدد الكلور ووجود المشتتات الحرارية على درجة حرارة أجهزة الطاقة. أخيرا ، تتم مقارنة التحليل النظري مع نتائج المحاكاة للتحقق من صحة التحليل النظري. درس Mao et al.12 درجة الحرارة وتوزيع تدفق الهواء الداخلي في ظل ظروف التشغيل الصيفية عن طريق المحاكاة الحرارية القائمة على برنامج CAE في محاكاة icepak. يتم إعطاء مشكلة كيفية تحسين كفاءة التبريد والتحكم في ارتفاع درجة حرارة جهات الاتصال المتعددة المطلية بالفضة ، وستضع خطوط درجة الحرارة وتدفق الهواء الداخلي التي تم التقاطها في المحاكاة الأساس لتصميم مخطط التبريد لجهات الاتصال الستة المطلية بالفضة المثبتة في وحدة الختم. على العكس من ذلك ، عند استخدام وحدة حرارية مستقرة الحالة ، تتم مناقشة طرق نمذجة Zhang13 لحل الشبكة الحرارية للجلبة عالية الضغط باستخدام إجراء عابر بديل. تتوافق نتائج الاختبار والمحاكاة بشكل جيد مع الحالة الحرارية المستقرة والحالات العابرة للجلبة. ثم يتم استخدام النتائج العابرة لتقييم سعة التحميل الزائد للجلبة. قام Vaimann et al.14 بتطوير وتحليل نموذج حراري تحليلي لمحرك ممانعة متزامن للتنبؤ بدرجة حرارة مكوناته المختلفة والشبكة الحرارية للمعلمة الكلية المحددة.
مع التقدم المستمر في البحث عن المعدات الكهربائية مثل الوحدات الرئيسية الحلقية ، أصبحت اختبارات ارتفاع درجة الحرارة التقليدية وطرق الإنتاج غير فعالة نسبيا. لذلك ، من خلال استخدام تقنية العناصر المحدودة جنبا إلى جنب مع الاختبارات غير المتصلة بالإنترنت ، لا تتم معالجة مشكلات تكلفة التصميم فحسب ، بل يمكن إجراء التعديلات والتحسينات على الفور لمشاكل العالم الحقيقي بناء على المحاكاة. بناء على التقدم البحثي المذكور أعلاه ، نادرا ما يتم ذكر استخدام ANSYS Icepak والاقتران الحراري للحالة المستقرة للتحليل المقارن. لذلك ، يصف البروتوكول البحث الميكانيكي للعناصر المحدودة ، ويستخدم تركيبات عددية ومورفولوجية لإنشاء نموذج محاكاة ارتفاع درجة حرارة العناصر المحدودة للحاوية ، ويناقش نموذج محاكاة ارتفاع درجة حرارة العناصر المحدودة بناء على نتائج الوحدتين التحليليتين من خلال مقارنة نتائج وحدتي المحاكاة. من خلال المقارنة بين وحدتي المحاكاة ، سنحصل على خصائص اتجاه ارتفاع درجة الحرارة للوحدة الرئيسية للحلقة ونجد الطريقة الأكثر قابلية للتطبيق لتوفير الأساس اللازم والأفكار البحثية لاستراتيجية للتخفيف من ارتفاع درجة حرارة الوحدة الرئيسية للحلقة.
Protocol
Representative Results
Discussion
هذه الورقة عبارة عن تحليل محاكاة مقارن لارتفاع درجة حرارة الخزانة الحلقية بناء على برنامج النمذجة الهندسية وبرامج العناصر المحدودة ، ويتم تحليل الحل الأنسب لحالة ارتفاع درجة الحرارة الفعلية بواسطة وحدتين من وحدات حل مجال درجة حرارة العناصر المحدودة. توصف الإدارة الحر?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يشكر المؤلفون السيد وو و MS Sun والسيد وانغ والسيد مو والسيد لي على مساعدتهم. تم دعم هذه الدراسة من قبل مؤسسة علوم ما بعد الدكتوراه الصينية (2022M721604) ومبرمج معالجة العلوم والتكنولوجيا الرئيسي في Wenzhou (ZG2023015).
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
- 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).
