Вентилационните отвори отстрани или отгоре на разпределителните шкафове може да изглеждат като нищо повече от незабележими процепи, но те служат на двойната цел да регулират „температурата“ на оборудването и да гарантират неговата „безопасност“. Споредопределение на електрическа разпределителна уредба, разпределителната апаратура е основният възел в системите за производство, пренос и разпределение на електроенергия. Компоненти като прекъсвачи и шини генерират значителна топлина по време на работа, а вентилационните отвори служат като ключови канали за разсейване на топлината. Възниква обаче противоречие: докато по-големите и по-многобройни отвори подобряват ефективността на разсейване на топлината, те също така стават по-лесни входни точки за дъждовна вода, прах и солена мъгла, което води до увреждане на изолацията от влага и корозия на компонентите-директно застрашаващи безопасността на оборудването.
Този акт на балансиране,-осигуряващ „разсейване на топлината без компромис със защитата и защита без възпрепятстване на разсейването на топлината“-е особено интензивен в оборудване със средно- и високо-напрежение, като напр.33 kV газоизолирани разпределителни уредбииРазпределителна уредба 24 kV. Такова оборудване се отличава с висока плътност на мощността и спешни изисквания за разсейване на топлината и често се разполага на открито или в среда с висока-влажност, което налага IP рейтинг IP4X или по-висок. Прилагането на технологията за симулация на изчислителната динамика на флуидите (CFD) даде възможност за скок от „емпирична оценка“ към „прецизно количествено определяне“ в дизайна на вентилационните отвори, което го прави основен инструмент за разрешаване на това предизвикателство. Тази статия ще анализира как CFD симулацията оптимизира позицията, формата и размера на вентилационните отвори, както и нейните практически приложения в разпределителни уредби 24 kV и 33 kV газоизолирани разпределителни уредби.
I. Защо дизайнът на вентилацията е „въпрос на живот и смърт“? Основни конфликти и болезнени точки в индустрията
Дизайнът на вентилацията е по същество диалектическо единство на "канали за въздушен поток" и "защитни бариери". Особено за комутационни уредби със средно{1}} и високо-напрежение, всяко отклонение в дизайна може да доведе до катастрофални последици:
1. Недостатъчно разсейване на топлината: Фаталният риск от "прегряване" на оборудването
По време на работа загубите на джаул на шините и топлината, генерирана от гасенето на дъгата на прекъсвача, причиняват повишаване на вътрешната температура на разпределителната уредба. Данните показват, че за всеки 10 градуса увеличение на вътрешната температура, продължителността на живота на изолационните материали се намалява с 50%, а степента на корозия на металните компоненти се увеличава с 30%. ЗаРазпределителна уредба 24 kV, с номинален ток до 3150 A, ако повишаването на вътрешната температура надвиши 60 K (стандартната граница за медни шини) по време на работа при пълно-натоварване, то директно ще задейства прекъсване при превишаване на-температурата; Междувременно, въпреки че 33 kV газоизолирани разпределителни уредби използват SF6 газова изолация, следите от изтичане на газ трябва да бъдат вентилирани. Ако вентилацията е недостатъчна, газовите концентрации може да надвишат безопасните граници, създавайки опасности за безопасността.
2. Отказ на защитата: „Смъртоносният път“ на корозията в околната среда
Неправилно проектираните вентилационни отвори могат да станат пряк път за навлизане на дъждовна вода, прах и кондензация:
Ако вентилационните отвори на разпределителната уредба на открито 24 kV нямат защита от дъжд, дъждовната вода може лесно да проникне под ъгъл по време на силен дъжд, причинявайки късо съединение във вторичната верига;
В прашна среда, ако вентилационните отвори нямат прахови филтри или имат прекалено големи мрежести отвори, натрупването на прах в съединенията на шините може да увеличи контактното съпротивление и да причини локално прегряване;
В среда с висока{0}}влажност бавният въздушен поток през вентилационните отвори може да доведе до кондензация вътре в шкафа, причинявайки замърсяване с влага в газовите отделения с SF6 на 33 kV газоизолирани разпределителни уреди-и компрометиране на изолационните характеристики.
3. „Слепотата“ на традиционните дизайни: Ограниченията на емпиризма
Традиционният дизайн на вентилацията често разчита на опита на инженерите-като „долен всмукателен отвор, горен изпускателен отвор“ или „15%–20% отворена площ“-но му липсва прецизен анализ на вътрешния поток и температурните полета: В определен химически индустриален парк неправилното разположение на вентилационните отвори в 24 kV разпределителна уредба причини образуване на вихри вътре в шкафа, водещо до натрупване на топлина във веригата зона на прекъсване и стареене на изолацията само една година след въвеждане в експлоатация. Междувременно, в определена подстанция, вентилационните отвори на 33 kV газо-комутационната уредба бяха прекомерно намалени в опит да се подобри защитата, което доведе до изтичане на газ SF6, който не можеше да бъде вентилиран своевременно и задействаше изключване на алармата.
II. CFD симулация: „Прецизният навигатор“ за проектиране на вентилационни отвори
Изчислителната динамика на флуидите (CFD) използва числени симулации за моделиране на модели на въздушен поток и пренос на топлина в разпределителните шкафове. Той може точно да предскаже ефективността на разсейване на топлината и рисковете за безопасността при различни дизайни на вентилационни отвори, позволявайки "количествена оптимизация":
1. Основни измерения на симулацията: четири ключови фактора за решаване на предизвикателството
Симулация на полето на потока: Анализира как местоположението и формата на вентилационния отвор влияят върху пътищата на въздушния поток в шкафа, за да се избегнат вихри и мъртви зони. Например CFD симулациите разкриха, че дизайн на разпределителна уредба от 24 kV, включващ комбинация от "дълги, тесни долни входове за въздух и извити горни изходи за въздух" увеличава скоростта на въздушния поток с 40% в сравнение с традиционните кръгли вентилационни отвори, без значителни завихряния;
Симулация на температурно поле: Изчислява разпределението на температурата вътре в шкафа при различни условия на натоварване, за да определи оптималното съотношение на отваряне на вентилацията. За33 kV газоизолирани разпределителни уредби, CFD симулациите могат точно да изчислят дифузионния път на газ SF6 след изтичане, да оптимизират позицията на вентилационните отвори и да гарантират, че изтичащият газ е изхвърлен от шкафа в рамките на 10 минути;
Симулация на защита: Симулира траекториите на движение на дъждовната вода и праха във вентилационните отвори, за да оптимизира ъгъла на дъждобрана и мрежестия отвор на филтъра за прах. Например, симулациите установиха, че ъгъл на наклон на дъждовната покривка, по-голям или равен на 30 градуса, може напълно да блокира вертикалния валеж, без да повлияе на ефективността на всмуквания въздух;
Свързана симулация на множество-сценарии: Комбиниране на екстремни условия на околната среда като високи температури, силен дъжд и прах, за да се провери адаптивността на дизайна на вентилационния отвор. За определена външна разпределителна уредба 24 kV CFD свързаната симулация оптимизира коефициента на отваряне на вентилацията от 20% на 12%, отговаряйки на изискванията за разсейване на топлината, като същевременно повишава степента на защита до IP54.
2. Казуси за оптимизиране на дизайна: от симулация до внедряване
Случай 1: CFD оптимизация на 24kV вентилационни отвори на разпределителна уредба
Първоначалният дизайн на 24kV разпределителна уредба на определена марка (степен на защита IP4X) включваше кръгли вентилационни отвори с коефициент на отваряне 18%. Въпреки това CFD симулациите разкриха, че повишаването на температурата в зоната на прекъсвача достига 65K (надхвърляне на стандарта с 5K). Чрез оптимизация:
Форма: Кръглите вентилационни отвори са модифицирани до опростена форма, за да се намали съпротивлението на въздушния поток;
Позиция: Долният вход за въздух е изместен с 15 cm към страната на прекъсвача, а горният изход за въздух е подравнен с отделението на шината;
Структура: Добавени са щит за дъжд под ъгъл от 30 градуса и прахов филтър със 100 меша.
Симулациите след оптимизация показаха, че повишаването на температурата вътре в шкафа спадна до 52K, скоростта на въздушния поток се увеличи с 35%, а рискът от навлизане на дъждовна вода и прах беше елиминиран, напълно отговаряйки на изискванията на стандарта IEC 62271-200.
Случай 2: Персонализиран дизайн на вентилация за 33 kV газо{2}}комутационна апаратура
Поради високата плътност на SF6 газ (5 пъти по-голяма от тази на въздуха), той има тенденция да се натрупва в долната част на шкафа след изтичане в 33 kV газо-разпределителна уредба. Чрез CFD симулация:
Всмукателен отвор: Разположен в горната част на шкафа, за да засмуква хладен въздух и да създава конвекция;
Изпускателни отвори: Разположени в долната част на шкафа, на 0,5 m над земята, за прецизно изпускане на потъващия газ SF6;
Коефициент на отворена площ: Оптимизиран до 8%, комбиниран с аксиални вентилатори за принудително изпускане, като се гарантира, че концентрацията на изтекъл газ не надвишава 1000 μL/L (граница на безопасност).
Този дизайн е валидиран съгласно стандарта GB 50060-2008 и е внедрен в подстанция на голяма надморска височина.
III. „Златните правила“ за проектиране на вентилационни отвори: Практически решения, ръководени от CFD
Въз основа на CFD симулационна технология и като се вземат предвид сценариите на приложение на 24 kV разпределителна уредба и 33 kV газо{2}}изолирана разпределителна уредба, дизайнът на вентилационния отвор трябва да се придържа към три ключови принципа: „структурна адаптация, количествено определяне на параметрите и подобрена защита“:
1. Структурен дизайн: вентилационни решения, съобразени с различно оборудване
Разпределителна апаратура 24 kV (тип с въздушна-изолация):
Режим на вентилация: Комбинация от естествена конвекция и принудително охлаждане, с всмукване на въздух отдолу и изпускане отгоре;
Форма: Всмукателните отвори са удължени (широчина по-голяма или равна на 5 см), докато изпускателните отвори са под ъгъл (30 градуса –45 градуса), за да се минимизира проникването на дъждовна вода;
Поддържащи структури: Инсталиране на водоустойчиви жалузи с рейтинг IP54 и подвижни филтри за прах, които могат да се почистват редовно, без да се засяга разсейването на топлината.
33 kV газо{1}}комутационна апаратура (SF6-изолация):
Режим на вентилация: Основно принудително изпускане, с всмукване на въздух отгоре и изпускане отдолу;
Форма: Входящите отвори за въздух са кръгли (диаметър, по-голям или равен на 8 см), а изходящите отвори са от решетъчен-тип, за да се улесни разпръскването на газа;
Спомагателна структура: Оборудвана със сензор за концентрация на газ SF6, който контролира работата на вентилатора, осигурявайки координирана защита и разсейване на топлината.
2. Количествено определяне на параметрите: Основни показатели за CFD оптимизация
Коефициент на отворена площ: Коригиран въз основа на плътността на мощността на оборудването; 12%–15% за 24 kV разпределителна уредба при пълно натоварване и 8%–10% за 33 kV газоизолирана разпределителна уредба;
Скорост на въздушния поток: Скоростта на входящия въздух се контролира на 1–2 m/s, а скоростта на изходящия въздух на 2–3 m/s, за да се предотврати кондензация, причинена от прекомерна скорост или натрупване на топлина, причинено от недостатъчна скорост;
Контрол на повишаването на температурата: CFD симулациите гарантират, че максималното повишаване на температурата вътре в шкафа не надвишава границите, посочени в стандарта GB/T 11022 (медна шина По-малка или равна на 60 K, алуминиева шина По-малка или равна на 70 K).
3. Подобрена защита: Подобрена защита без компромис с разсейването на топлината
Защита на материала: Рамките за вентилационни отвори са изработени от неръждаема стомана 304 за предотвратяване на структурна деформация, причинена от корозия; дъждобраните са изработени от устойчив на атмосферни влияния ABS материал, способен да издържа на температурни цикли от -40 градуса до 70 градуса;
Уплътнителна синергия: EPDM уплътнителните ленти са монтирани в точките на свързване между вентилационните отвори и корпуса на шкафа, с компресия, контролирана на 20%–30%, за да се предотврати проникването на дъждовна вода през пролуките;
Адаптиране към околната среда: Добавят се шапки за дъжд за външна среда (наклон по-голям или равен на 15 градуса); устройствата за обезвлажняване се комбинират със среди с висока-влажност; и прахови филтри с висока -плътност (по-големи или равни на 120 меша) са избрани за прашни среди.
Резюме
Дългосрочната{0}}надеждна работа на разпределителната апаратура често зависи от „детайли“, като вентилационни отвори. Основната мисия на електрическата разпределителна уредба е да „пренася електрическа енергия безопасно и стабилно“ и тъй като вентилационните отвори служат като критични точки за разсейване на топлината и защита, качеството на дизайна им пряко влияе върху продължителността на живота на оборудването и безопасността при работа. Прилагането на технологията за симулация на CFD издигна „базирания-дизайн на опит“ до „прецизен дизайн“, разрешавайки компромис-между разсейването на топлината и защитата, като същевременно осигурява научна основа за персонализирано проектиране на оборудване като 24 kV разпределителна уредба и 33 kV газо-изолирана разпределителна уредба.
За предприятията изборът на разпределителна апаратура с CFD-оптимизирани вентилационни конструкции по същество означава избор на „надеждност през жизнения цикъл“. За производителите, само чрез дълбоко интегриране на технологията за симулация в процеса на проектиране, те могат да се откроят в интензивната пазарна конкуренция и да изградят „скрита линия на защита“ за безопасност на електрическата мрежа.
За нас
Zhejiang Lvma Electric Co., Ltd. е основана през 2018 г., наследявайки 17 години специализиран опит в проектирането и производството на трансформатори. Като ISO 9001:2015-сертифицирано предприятие, ние сме водещ доставчик на високо-производителни маслени-потопяеми и сухи разпределителни трансформатори и решения за разпределителни уреди. Нашите продукти са проектирани да отговарят на международните стандарти и се ползват с доверието на клиенти от цяла Европа, Близкия изток, Южна Америка, Югоизточна Азия и Африка заради тяхната надеждност и издръжливост.
Подкрепени от специализиран екип за научноизследователска и развойна дейност, който притежава над 40 патента, ние преминаваме от традиционен производител на оборудване към интегриран доставчик на интелигентни и устойчиви енергийни системи. Чрез включването на напреднали технологии като IoT-базирано интелигентно наблюдение, предсказуема поддръжка и дигитално оптимизирани производствени процеси, ние гарантираме доставката на иновативни, безопасни и надеждни енергийни решения, съобразени с развиващите се нужди на глобалния енергиен пазар.