Forskning och optimering av temperaturhöjning i 12kV fast isolerade ringhuvuden

Den solidt isolerade ringhuvudsenheten (RMU) är en ny typ av distributionsutrustning som integrerar extern solid encapsulering, isolerad busbar och kompakt kombinerad enhetsteknik. Dess brytare och högspänningslivdelar är helt inbäddade i epoxidresin, vilket fungerar som huvudisolering mellan livdelar och mark, samt mellan faser. Som ett miljövänligt alternativ till SF₆-gasisolering erbjuder den 12 kV solidt isolerade RMU fördelar men lider av dåliga värmeavledningskarakteristika.

I den studerade 12 kV solidt isolerade RMU är de huvudsakliga ledande slingorna inneslutna i epoxid- och silikonkautschukmaterial. Medan kopplingsbrytaren använder luftisolering finns den i ett extremt begränsat, tätt stängt utrymme med dåliga värmeavledningsförhållanden. Detta gör den mycket benägen att överskrida temperaturgränser. Långvarig exponering för höga temperaturer kan leda till deformering och termisk åldring av produktens tillverkningsmaterial. Denna degeneration minskar produkten insulationsprestanda, vilket leder till en nedgång i den totala produktkvaliteten och tillförlitligheten. I allvarliga fall kan det utlösa elektriska olyckor, vilket stör normal drift.

Med tanke på den kritiska betydelsen och den inre svårigheten med att hantera temperaturhöjningen blev det fokus för intensiv forskning. Strukturella optimeringar genomfördes kontinuerligt för att öka marginalen för temperaturhöjning, vilket säkerställer produkten långsiktiga stabil drift. Insulationen av den solidt isolerade RMU använder huvudsakligen en kombination av luft- och solidisolering. En prototyp baserad på den ursprungliga designen undergick temperaturhöjningsforskningstest. Nyckeltestpunktsdata visas i Tabell 1.

Enligt tabell 1 visade temperaturhöjningstesterna på prototypen baserat på den ursprungliga designen på allvarliga överskridanden av gränser vid både kopplingsknivaxlar och spetsar. För att lösa detta problem fokuserade optimeringsinsatser på följande två aspekter:

1. ​Magnetotermisk Kopplingssimulering (med ANSOFT):​​ Utför magnetotermisk kopplingssimulering för att optimera ledarkontaktsmetoder, formen på irreguljära ledare och det ledande tvärsnittsområdet. Detta minskar intern uppvärmning genom att minska jouleuppvärmning vid källan.
2. ​Kabinettnivå Termisk Simulering (med ICEPAK):​​ Genomför kabinettnivå termisk simulering för att etablera effektiva vägar för värmeavledning, öka värmeavledningskoefficienten hos ledarna själva och effektivt avleda den genererade värmen. Denna metod syftar till att sänka temperaturen på ledande slingor genom en dubbelsidig strategi som blockerar och avleder värme.

​Magnetotermisk Kopplingssimulering​
Eftersom den tillämpade strömmen var mindre än 1000 A, modellerade denna simulering endast jouleuppvärmningen genererad av slingmotståndet i ledningsvägen. Den simulerade temperaturfördelningen reflekterar direkt jouleuppvärmningseffekter, utan att inkludera scenarier med värmeavledning genom strålning eller konvektion. Detta gör resultaten lämpliga för att analysera effekten av ledarstruktur på temperaturfördelningen. Viktiga produkttekniska parametrar listas i Tabell 2.

​Simuleringsresultat​
Figur 1 visar magnetotermisk kopplingstemperaturfördelning av isolationsmodulen. Figur 2 visar den totala magnetotermiska kopplingstemperaturfördelningen av den interna ledningsvägen. Magnetotermisk kopplingssimulering med ANSOFT-programvara visade att de huvudsakliga platserna för hög värmeuppbyggnad var spetsarna på kopplingsknivar och kontaktplatserna med fasta kontakter. B-fase kopplingskniven visade särskilt konsekvent högre temperatur. Strukturell optimering krävs för att minska trängningsmotstånd och homogenisera det ledande tvärsnittsområdet.

​Kabinettnivå Termisk Simulering​
Kabinettnivå termisk simulering med ICEPAK-programvara undersökte fördelningen och former av värmeavledning från ledningsvägar efter strömförsörjning, samt effekten av omhöljet på värmeöverföring.

​Tekniska Krav​
Temperaturhöjningsstandarden följer GB/T 11022-2011 "Allmänna specifikationer för högspänningsbrytare och reglage." Enligt relevanta standarder:

• Maximal temperatur för berörbara omhöljen: 70°C (max. temperaturhöjning 30 K över omgivningen).
• Maximal temperatur för icke-berörbara omhöljen: 80°C (max. temperaturhöjning 40 K över omgivningen).
• Maximal ledar temperatur: 115°C (max. temperaturhöjning 75 K över omgivningen).
• Maximal kontakt temperatur: 105°C (max. temperaturhöjning 65 K över omgivningen).
  För temperaturhöjningstester används vanligtvis en testström på 1.1 gånger nominella strömmen för att ta hänsyn till solstrålningseffekter.

​Programinställningar​
Inledande Temperatur: 20°C; Fasvinklar för trefasström: 0°, 120°, -120°.

​Simuleringsresultat​
Kabinettnivå termisk simulering visade (Figur 4) att p.g.a. den lilla avståndet mellan toppplattan av det tätt stängda omhöljet och det övre delen av isolationsmodulen, är det effektiva värmeavledningsområdet på kabinettens övre del mycket begränsat. Detta gör att värme koncentreras i toppen, vilket gör det svårt att avleda, vilket leder till en konstant hög busbar temperaturhöjning. För att ge mer värmeavledningsutrymme inuti det tätt stängda kabinetten, ökades kabinetthöjden och en värmeavledande beläggning applicerades på dess inre ytor.

​Temperaturhöjningstest Efter Strukturell Optimering​
Efter simuleringstudier och initiala temperaturhöjningstestresultat, gjordes ändringar i kabinetten och vissa komponenter. Ett efterföljande temperaturhöjningstest genomfördes (se Tabell 4).

Enligt tabell 4 är nu temperaturhöjningsvärdena för den retesterade prototypen kompatibla med kraven. Vidare har en designmarginal på minst 8.5 K uppnåtts.

​Fortsatt Optimering och Rättning​
Med tanke på den kritiska betydelsen av temperaturhöjning och de potentiella konsekvenserna av icke-kompatibilitet, krävs ytterligare optimering för att förbättra prototypens prestanda, även efter att ha uppfyllt standarden. Målet är att uppnå en kontrollerad temperaturhöjningsmarginal mellan 12 K och 15 K. Till exempel kräver specifika ändringar i isolationsmodulen test (Originaltabell 5 var ofullständig; logiskt inkorporerad). Simuleringsresultaten antyder att optimering av strukturen i den huvudsakliga isolationsmodulen skapar en mer rimlig intern väg för värmeavledning, vilket ger betydande potential för ytterligare minskning av den totala interna ledande slingans temperaturhöjning. Denna potential kräver ytterligare experimentell validering.

​Slutsats​
En kombinerad designmetod som använder datorbaserad simuleringsteknik och temperaturhöjningstester möjliggjorde strukturell optimering av den solidt isolerade ringhuvudsenheten. Den optimerade produkten uppfyller temperaturhöjningskraven enligt GB/T 11022-2011 "Allmänna specifikationer för högspänningsbrytare och reglage" och uppnår en signifikant säkerhetsmarginal.