بحث وتحسين ارتفاع درجة الحرارة في وحدات الدائرة الرئيسية المعزولة بالصلب بجهد 12 كيلوفولت
وحدة الحلقة الرئيسية المعزولة بالصلب (RMU) هي معدات توزيع جديدة تدمج التقنيات الخارجية للغلاف الصلب وحافلة التوصيل المعزولة والتكنولوجيا المدمجة للوحدات المركبة. يتم دفن مقابسها وأجزائها الحية ذات الجهد العالي تماماً في راتنج الإبوكسي، والذي يوفر العزل الرئيسي بين الأجزاء الحية والأرض وبين الأطوار. كخيار صديق للبيئة بديل للمعدات المعزولة بالغاز SF₆، توفر RMU المعزولة بالصلب 12 كيلو فولت مزايا ولكنها تعاني بشكل طبيعي من خصائص تشتت حراري ضعيفة.
في RMU المعزولة بالصلب 12 كيلو فولت التي تم دراستها، يتم تغليف الدوائر الموصلة الرئيسية بمواد الإبوكسي والكاوتشوك السيليكوني. بينما يستخدم المفتاح الفاصل عزل الهواء، إلا أنه يوجد في مساحة محصورة للغاية ومغلقة بشدة مع ظروف تشتت حراري ضعيفة. هذا يجعله عرضة بشكل كبير لتجاوز حدود ارتفاع الحرارة. يمكن أن يؤدي التعرض المستمر للحرارة العالية إلى تشوه مواد التصنيع وإلى الشيخوخة الحرارية. هذا التدهور يقلل من أداء العزل للمنتج، مما يؤدي إلى انخفاض جودة المنتج وموثوقيته العامة. وفي الحالات الشديدة، يمكن أن يسبب حوادث كهربائية، مما يؤدي إلى تعطيل التشغيل الطبيعي.
نظراً لأهمية مشكلة ارتفاع الحرارة وصعوبتها، أصبحت محل تركيز البحث الشديد. تم تنفيذ تحسينات هندسية مستمرة لزيادة هامش ارتفاع الحرارة، مما يضمن التشغيل المستقر طويل الأمد للمنتج. يعتمد العزل في RMU المعزولة بالصلب بشكل أساسي على مزيج من العزل الهوائي والعزل الصلب. خضع النموذج الأولي بناءً على التصميم الأولي لاختبارات البحث عن ارتفاع الحرارة. تظهر بيانات النقاط الرئيسية للقياس في الجدول 1.
|
رقم |
موقع نقطة القياس |
المعيار (K) |
درجة الحرارة المتوازنة (°C) |
ارتفاع الحرارة (K) |
هامش من المعيار (K) |
ملاحظة |
|
1 |
محور سكين القطع للأفاز A |
65.0 |
86.1 |
73.0 |
-8.0 |
تجاوز |
|
2 |
طرف سكين القطع للأفاز A |
65.0 |
78.2 |
65.1 |
-1.1 |
تجاوز |
|
3 |
محور سكين القطع للأفاز B |
65.0 |
86.4 |
73.3 |
-8.3 |
تجاوز |
|
4 |
طرف سكين القطع للأفاز B |
65.0 |
88.0 |
74.9 |
-9.9 |
تجاوز |
|
5 |
محور سكين القطع للأفاز C |
65.0 |
80.6 |
67.5 |
-2.5 |
تجاوز |
|
6 |
طرف سكين القطع للأفاز C |
65.0 |
81.6 |
68.5 |
-3.5 |
تجاوز |
كما هو موضح في الجدول 1، كشف اختبار ارتفاع الحرارة على النموذج الأولي بناءً على التصميم الأولي عن تجاوزات شديدة للحدود في المحاور والأطراف لكلا المفاتيح الفاصلة. لحل هذه المشكلة، ركزت جهود التحسين على الجوانبين التاليين:
- محاكاة الترابط المغناطيسي الحراري (باستخدام ANSOFT): قم بإجراء محاكاة للترابط المغناطيسي الحراري لتحسين طرق الاتصال للموصلات وأشكال الموصلات غير النظامية ومقطع المساحة الموصلة. هذا يقلل من التسخين الداخلي بتقليل إنتاج الحرارة الجوالة عند المصدر.
- محاكاة الحرارة على مستوى الخزانة (باستخدام ICEPAK): قم بإجراء محاكاة الحرارة على مستوى الخزانة لإنشاء مسارات تشتت حراري فعالة، وزيادة معامل تشتت الحرارة للموصلات نفسها، وتشتت الحرارة المولدة بكفاءة. يهدف هذا النهج إلى خفض درجة حرارة الدوائر الموصلة من خلال نهج مزدوج لمنع وتشتيت الحرارة.
محاكاة الترابط المغناطيسي الحراري
نظرًا لأن التيار المطبق كان أقل من 1000 أمبير، فقد تم نمذجة فقط تسخين جول بسبب مقاومة الحلقة في المسار الموصل. تعكس توزيع درجات الحرارة المحاكاة مباشرة تأثيرات تسخين جول، باستثناء سيناريوهات تشمل تشتت الحرارة عن طريق الإشعاع أو الحمل الحراري. هذا يجعل النتائج مناسبة لتحليل تأثير هيكل الموصل على توزيع درجات الحرارة. تُدرج المعلمات التقنية الرئيسية للمنتج في الجدول 2.
|
رقم |
اسم المعلمة |
القيمة |
|
1 |
الجهد المقنن (كيلو فولت) |
12 |
|
2 |
التيار المقنن (أمبير) |
700 |
|
3 |
مقاومة حلقة الأفاز A (ميكرو أوم) |
190 (افتراضي) |
|
4 |
مقاومة حلقة الأفاز B (ميكرو أوم) |
190 (افتراضي) |
|
5 |
مقاومة حلقة الأفاز C (ميكرو أوم) |
190 (افتراضي) |
نتائج المحاكاة
يظهر الشكل 1 توزيع درجات الحرارة للترابط المغناطيسي الحراري للوحدة العازلة. يظهر الشكل 2 توزيع درجات الحرارة الكلية للترابط المغناطيسي الحراري للمسار الموصل الداخلي. كشفت محاكاة الترابط المغناطيسي الحراري باستخدام برنامج ANSOFT أن المواقع الرئيسية لتوليد الحرارة المرتفعة كانت في أطراف المفاتيح الفاصلة ونقاط الاتصال الثابتة. كان المفتاح الفاصل للأفاز B يظهر درجات حرارة أعلى باستمرار. يتطلب الأمر تحسينًا هيكليًا لتقليل مقاومة الانقباض وتسوية مقطع المساحة الموصلة.
محاكاة الحرارة على مستوى الخزانة
فحصت محاكاة الحرارة على مستوى الخزانة باستخدام برنامج ICEPAK توزيع وطرق تشتت الحرارة من المسارات الموصلة بعد مرور التيار، وكذلك تأثير الغلاف على نقل الحرارة.
المتطلبات الفنية
يتبع معيار ارتفاع الحرارة GB/T 11022-2011 "المواصفات المشتركة للمعايير القياسية للمعدات الكهربائية ذات الجهد العالي والمعدات التحكمية". كما ينص المعايير ذات الصلة:
- الحد الأقصى لدرجة الحرارة للغلاف القابل للمس: 70°C (ارتفاع الحرارة الأقصى 30 K فوق درجة الحرارة المحيطة).
- الحد الأقصى لدرجة الحرارة للغلاف غير القابل للمس: 80°C (ارتفاع الحرارة الأقصى 40 K فوق درجة الحرارة المحيطة).
- الحد الأقصى لدرجة حرارة الموصل: 115°C (ارتفاع الحرارة الأقصى 75 K فوق درجة الحرارة المحيطة).
- الحد الأقصى لدرجة حرارة الاتصال: 105°C (ارتفاع الحرارة الأقصى 65 K فوق درجة الحرارة المحيطة).
عادة ما يتم استخدام تيار الاختبار الذي يبلغ 1.1 مرة التيار المقنن لحساب تأثير الإشعاع الشمسي.
إعدادات البرنامج
درجة الحرارة الأولية: 20°C؛ زوايا الطور الثلاثية: 0°، 120°، -120°.
نتائج المحاكاة
أظهرت نتائج محاكاة الحرارة على مستوى الخزانة (الشكل 4) أن المساحة الفعالة لتشتت الحرارة في الجزء العلوي من الخزانة كانت محدودة جداً بسبب المسافة الصغيرة بين اللوحة العلوية للغلاف المغلق والجزء العلوي الوحدة العازلة. نتيجة لذلك، تتجمع الحرارة في الأعلى ويصبح من الصعب تشتتها، مما يؤدي إلى ارتفاع مستمر في درجة حرارة حافلة التوصيل. لتقديم مساحة أكبر لتشتت الحرارة داخل الخزانة المغلقة، تم زيادة ارتفاع الخزانة وتطبيق طلاء تشتت الحرارة على سطوحها الداخلية.
اختبار ارتفاع الحرارة بعد التحسين الهيكلي
بعد الدراسات المحاكاة واختبارات ارتفاع الحرارة الأولية، تم إجراء تعديلات على الخزانة وبعض المكونات. تم إجراء اختبار ارتفاع الحرارة لاحقاً (راجع الجدول 4).
|
رقم |
موقع نقطة القياس |
المعيار (K) |
درجة الحرارة المتوازنة (°C) |
ارتفاع الحرارة (K) |
هامش من المعيار (K) |
ملاحظة |
|
1 |
محور سكين القطع للأفاز A |
65.0 |
72.4 |
55.2 |
+9.8 |
متوافق |
|
2 |
طرف سكين القطع للأفاز A |
65.0 |
73.7 |
56.5 |
+8.5 |
متوافق |
|
3 |
محور سكين القطع للأفاز B |
65.0 |
73.6 |
56.4 |
+8.6 |
متوافق |
|
4 |
طرف سكين القطع للأفاز B |
65.0 |
73.6 |
56.4 |
+8.6 |
متوافق |
|
5 |
محور سكين القطع للأفاز C |
65.0 |
69.6 |
52.4 |
+12.6 |
متوافق |
|
6 |
طرف سكين القطع للأفاز C |
65.0 |
70.7 |
53.5 |
+11.5 |
متوافق |
كما هو موضح في الجدول 4، فإن قيم ارتفاع الحرارة للنموذج الأولي الذي تم إعادة اختباره الآن متوافقة مع المتطلبات. بالإضافة إلى ذلك، تم تحقيق هامش تصميمي لا يقل عن 8.5 K.
التحسين والتصحيح اللاحق
نظراً لأهمية ارتفاع الحرارة والعواقب المحتملة لعدم المطابقة، يتعين القيام بتحسينات إضافية لتعزيز أداء النموذج الأولي حتى بعد تحقيق المعيار. الهدف هو تحقيق هامش مراقب لارتفاع الحرارة بين 12 K و 15 K. على سبيل المثال، تتطلب التعديلات الخاصة بوحدة العزل الرئيسية اختبارات (كان الجدول الأصلي 5 غير مكتمل؛ تم دمجه بشكل منطقي). تشير نتائج المحاكاة إلى أن تحسين هيكل الوحدة العازلة الرئيسية يخلق مساراً أكثر منطقية لتشتيت الحرارة الداخلي، مما يقدم إمكانات كبيرة لخفض ارتفاع الحرارة الكلية للدوائر الموصلة الداخلية. تحتاج هذه الإمكانات إلى التحقق التجريبي الإضافي.
الخاتمة
مكنت النهج التصميمي المتكامل باستخدام تقنية المحاكاة الحاسوبية واختبارات ارتفاع الحرارة من تحسين هيكل وحدة الحلقة الرئيسية المعزولة بالصلب. يتوافق المنتج المحسن مع متطلبات ارتفاع الحرارة المنصوص عليها في GB/T 11022-2011 "المواصفات المشتركة للمعايير القياسية للمعدات الكهربائية ذات الجهد العالي والمعدات التحكمية" ويحقق هامشاً كبيراً من الأمان.
