Orificiile de ventilație de pe părțile laterale sau de pe partea superioară a dulapurilor de comutație pot părea a fi altceva decât fante discrete, dar ele servesc scopului dublu de a regla „temperatura” echipamentului și de a asigura „siguranța” acestuia. Potrivitdefinirea aparatului electric de comutare, comutatorul este ansamblul de bază în sistemele de generare, transport și distribuție a energiei. Componentele precum întreruptoarele și barele colectoare generează căldură semnificativă în timpul funcționării, iar deschiderile de ventilație servesc drept canale cheie pentru disiparea căldurii. Cu toate acestea, apare o contradicție: în timp ce deschiderile mai mari și mai numeroase îmbunătățesc eficiența disipării căldurii, ele devin, de asemenea, puncte de intrare mai ușoare pentru apa de ploaie, praf și ceață sărată, ceea ce duce la deteriorarea umidității izolației și coroziunea componentelor-amenințând direct siguranța echipamentului.
Acest act de echilibrare-asigurând „disiparea căldurii fără a compromite protecția și protecția fără a împiedica disiparea căldurii”-este deosebit de intens în echipamentele de medie- și-tensiune, cum ar fiAparatură de distribuție cu izolare-gaz de 33 kVşiAparatură de distribuție 24 kV. Un astfel de echipament are o densitate mare de putere și cerințe urgente de disipare a căldurii și este adesea instalat în aer liber sau în medii cu umiditate ridicată-, necesitând un rating IP de IP4X sau mai mare. Aplicarea tehnologiei de simulare Computational Fluid Dynamics (CFD) a permis un salt de la „estimare empirică” la „cuantificare precisă” în proiectarea ventilației, făcându-l un instrument de bază pentru rezolvarea acestei provocări. Acest articol va analiza modul în care simularea CFD optimizează poziția, forma și dimensiunea orificiilor de ventilație, precum și aplicațiile sale practice în aparatele de comutație de 24 kV și de 33 kV cu gaz-.
I. De ce este proiectarea ventilației o „chestiune de viață și de moarte”? Conflicte de bază și puncte de durere din industrie
Proiectarea ventilației este în esență o unitate dialectică de „canale de flux de aer” și „bariere de protecție”. În special pentru aparatele de comutare de tensiune medie- și înaltă-, orice abatere de proiectare poate duce la consecințe catastrofale:
1. Disiparea insuficientă a căldurii: Riscul fatal de „supraîncălzire” a echipamentului
În timpul funcționării, pierderile în Joule de bare colectoare și căldura generată de stingerea arcului întrerupător de circuit determină creșterea temperaturii interne a tabloului de distribuție. Datele arată că pentru fiecare creștere cu 10 grade a temperaturii interne, durata de viață a materialelor izolante este redusă cu 50%, iar rata de coroziune a componentelor metalice crește cu 30%. PentruAparatură de distribuție 24 kV, cu un curent nominal de până la 3.150 A, dacă creșterea temperaturii interioare depășește 60 K (limita standard pentru barele de cupru) în timpul funcționării cu sarcină maximă, va declanșa direct o declanșare la supra-temperatura; Între timp, deși instalația de distribuție cu gaz-de 33 kV utilizează izolație cu gaz SF6, scurgerile de gaze trebuie evacuate. Dacă ventilația este inadecvată, concentrațiile de gaze pot depăși limitele de siguranță, creând pericole pentru siguranță.
2. Eșecul protecției: „Calea letală” a coroziunii mediului
Deschiderile de ventilație proiectate incorect pot deveni o cale directă pentru pătrunderea apei de ploaie, a prafului și a condensului:
Dacă orificiile de ventilație exterioare ale aparatului de comutare de 24 kV nu sunt protejate împotriva ploii, apa de ploaie se poate infiltra cu ușurință într-un unghi în timpul ploii abundente, provocând scurtcircuite în circuitul secundar;
În mediile cu praf, dacă orificiile de ventilație nu au filtre de praf sau au deschideri de plasă prea mari, acumularea de praf la îmbinările barelor colectoare poate crește rezistența la contact și poate provoca supraîncălzire localizată;
În mediile cu umiditate ridicată-, fluxul lent de aer prin orificiile de ventilație poate duce la condens în interiorul dulapului, cauzând contaminarea cu umiditate în compartimentele de gaz SF6 ale tabloului de distribuție izolat cu gaz-33 kV și compromițând performanța izolației.
3. „Orbirea” desenelor tradiționale: limitările empirismului
Proiectarea tradițională a ventilației se bazează adesea pe experiența inginerilor{0}}cum ar fi „admisia inferioară, evacuarea superioară” sau „zona deschisă 15%–20%”-dar lipsește o analiză precisă a câmpurilor interne de debit și temperatură: într-un anumit parc industrial chimic, amplasarea necorespunzătoare a orificiilor de ventilație în aparatul de distribuție de 24 kV a cauzat formarea unui circuit de întrerupere a circuitului în interiorul dulapului, ducând la formarea unui turbulen de căldură în interiorul dulapului la doar un an de la punere în funcțiune. Între timp, la o anumită substație, aparatul de distribuție izolat cu gaz de 33 kV-s-au redus excesiv deschiderile de ventilație în efortul de a spori protecția, ceea ce a dus la scurgeri de gaz SF6 care nu au putut fi evacuate prompt și declanșând o oprire a alarmei.
II. Simulare CFD: „Navigatorul de precizie” pentru proiectarea orificiilor de ventilație
Computational Fluid Dynamics (CFD) folosește simulări numerice pentru a modela fluxul de aer și modelele de transfer de căldură în dulapurile de comutație. Poate prezice cu precizie eficiența disipării căldurii și riscurile de siguranță în cadrul diferitelor modele de orificii de ventilație, permițând „optimizarea cantitativă”:
1. Dimensiuni de bază ale simularii: Patru factori cheie pentru rezolvarea provocării
Flow Field Simulation: analizează modul în care locația și forma ventilației afectează căile fluxului de aer în interiorul cabinetului pentru a evita vârtejurile și zonele moarte. De exemplu, simulările CFD au dezvăluit că un design de comutație de 24 kV care include o combinație de „prize de aer inferioare lungi și înguste și ieșiri de aer superioare în unghi” crește viteza fluxului de aer cu 40% în comparație cu orificiile circulare tradiționale, fără vârtejuri semnificative;
Simulare câmp de temperatură: calculează distribuția temperaturii în interiorul dulapului în diferite condiții de încărcare pentru a determina raportul optim de deschidere a ventilației. PentruAparatură de distribuție cu izolare-gaz de 33 kV, simulările CFD pot calcula cu precizie calea de difuzie a gazului SF6 după o scurgere, poate optimiza poziția orificiilor de ventilație și poate asigura că gazul scurs este expulzat din dulap în decurs de 10 minute;
Simulare de protecție: Simulează traiectoriile de mișcare a apei de ploaie și a prafului la deschiderile de ventilație pentru a optimiza unghiul capacului de ploaie și deschiderea ochiurilor a filtrului de praf. De exemplu, simulările au determinat că un unghi de înclinare a capacului de ploaie mai mare sau egal cu 30 de grade poate bloca complet precipitațiile verticale fără a afecta eficiența admisiei de aer;
Simulare cuplată cu mai multe-scenari: combinarea condițiilor extreme de mediu, cum ar fi temperaturi ridicate, ploi abundente și praf pentru a verifica adaptabilitatea designului deschiderii de ventilație. Pentru un anumit aparat de comutare de 24 kV de exterior, simularea cuplată CFD a optimizat raportul de deschidere a ventilației de la 20% la 12%, îndeplinind cerințele de disipare a căldurii în timp ce a îmbunătățit gradul de protecție la IP54.
2. Studii de caz pentru optimizarea designului: de la simulare la implementare
Cazul 1: Optimizarea CFD a deschiderilor de ventilație a instalației de comutare de 24 kV
Designul inițial al aparatului de comutare de 24 kV al unei anumite mărci (clasament de protecție IP4X) a prezentat deschideri circulare de ventilație cu un raport de deschidere de 18%. Cu toate acestea, simulările CFD au arătat că creșterea temperaturii în zona întreruptorului a atins 65K (depășind standardul cu 5K). Prin optimizare:
Formă: orificiile circulare de ventilație au fost modificate într-o formă raționalizată pentru a reduce rezistența la fluxul de aer;
Poziție: admisia de aer inferioară a fost deplasată cu 15 cm spre partea întreruptorului, iar ieșirea superioară a aerului a fost aliniată cu compartimentul barei colectoare;
Structură: S-au adăugat un scut de ploaie înclinat de 30 de grade și un filtru de praf cu ochiuri de 100.
Simulările după optimizare au arătat că creșterea temperaturii în interiorul dulapului a scăzut la 52K, viteza fluxului de aer a crescut cu 35% și riscul de pătrundere a apei de ploaie și a prafului a fost eliminat, respectând pe deplin cerințele standardului IEC 62271-200.
Cazul 2: Design personalizat de ventilație pentru 33 kV gaz-dispozitive de distribuție izolate
Datorită densității mari a gazului SF6 (de 5 ori mai mare decât a aerului), acesta tinde să se acumuleze în partea inferioară a dulapului după scurgeri în aparatele de distribuție izolate cu gaz de 33 kV-. Prin simulare CFD:
Admisia: Situat în partea de sus a dulapului pentru a aspira aer rece și a crea convecție;
Gurile de evacuare: Pozitionate in partea de jos a dulapului, la 0,5 m deasupra solului, pentru a evacua cu precizie gazul SF6 care se scufunda;
Raport de suprafață deschisă: Optimizat la 8%, combinat cu ventilatoare axiale pentru evacuare forțată, asigurând că concentrația de gaz scurs nu depășește 1000 μL/L (limita de siguranță).
Acest design a fost validat conform standardului GB 50060-2008 și a fost implementat într-o substație de mare altitudine.
III. „Regulile de aur” ale designului deschiderii ventilației: soluții practice ghidate de CFD
Pe baza tehnologiei de simulare CFD și luând în considerare scenariile de aplicare ale aparatului de comutație de 24 kV și aparate de comutație izolate cu gaz de 33 kV, proiectarea deschiderii de ventilație trebuie să respecte trei principii cheie: „adaptare structurală, cuantificare a parametrilor și protecție îmbunătățită”:
1. Design structural: soluții de ventilație adaptate diferitelor echipamente
Aparatură de comutație de 24 kV (tip izolat cu aer-):
Mod de ventilație: Combinație de convecție naturală și răcire forțată, cu admisie de aer în partea de jos și evacuare în partea de sus;
Formă: orificiile de admisie sunt alungite (lățime mai mare sau egală cu 5 cm), în timp ce orificiile de evacuare sunt înclinate (30 grade –45 grade) pentru a minimiza pătrunderea apei de ploaie;
Structuri de susținere: Instalarea de jaluzele rezistente la apă cu clasificare IP54 și filtre de praf detașabile, care pot fi curățate în mod regulat fără a afecta disiparea căldurii.
Aparatură de distribuție cu izolare cu gaz-de 33 kV (izolată cu SF6):
Mod de ventilație: evacuare forțată în primul rând, cu admisie de aer în partea de sus și evacuare în partea de jos;
Formă: intrările de aer sunt circulare (diametrul mai mare sau egal cu 8 cm), iar orificiile de evacuare sunt de tip grilă-pentru a facilita dispersia gazului;
Structura auxiliară: Echipat cu un senzor de concentrație de gaz SF6 care controlează funcționarea ventilatorului, asigurând o protecție coordonată și disiparea căldurii.
2. Cuantificarea parametrilor: metrici de bază pentru optimizarea CFD
Raportul zonei deschise: ajustat pe baza densității de putere a echipamentului; 12%–15% pentru aparatura de comutație de 24 kV la sarcină maximă și 8%–10% pentru aparatura de comutație cu izolare-gaz de 33 kV;
Viteza fluxului de aer: viteza aerului de intrare este controlată la 1–2 m/s, iar viteza aerului de ieșire la 2–3 m/s, pentru a preveni condensul cauzat de viteza excesivă sau acumularea de căldură cauzată de viteza insuficientă;
Controlul creșterii temperaturii: simulările CFD asigură că creșterea maximă a temperaturii în interiorul dulapului nu depășește limitele specificate în standardul GB/T 11022 (bară de cupru mai mică sau egală cu 60 K, bară de aluminiu mai mică sau egală cu 70 K).
3. Protecție îmbunătățită: protecție îmbunătățită fără a compromite disiparea căldurii
Protecția materialului: Ramele de deschidere de ventilație sunt realizate din oțel inoxidabil 304 pentru a preveni deformarea structurală cauzată de coroziune; husele de ploaie sunt realizate din material ABS rezistent la intemperii, capabil să reziste la cicluri de temperatură de la -40 la 70 de grade ;
Sinergia de etanșare: benzile de etanșare EPDM sunt instalate la punctele de legătură dintre deschiderile de ventilație și corpul dulapului, cu compresie controlată la 20%–30% pentru a preveni infiltrarea apei de ploaie prin goluri;
Adaptare la mediu: se adaugă capace de ploaie pentru mediile exterioare (pantă mai mare sau egală cu 15 grade); dispozitivele de dezumidificare sunt asociate cu medii cu-umiditate ridicată; iar filtrele de praf de-densitate mare (mai mare sau egală cu 120 mesh) sunt selectate pentru mediile cu praf.
Rezumat
Funcționarea fiabilă-pe termen lung a aparatului de comutare depinde adesea de „detalii”, cum ar fi deschiderile de ventilație. Misiunea de bază a aparatului de comutare electrică este de a „transmite energia electrică în siguranță și în mod stabil” și, deoarece deschiderile de ventilație servesc ca puncte critice pentru disiparea și protecția căldurii, calitatea designului lor afectează direct durata de viață a echipamentului și siguranța operațională. Aplicarea tehnologiei de simulare CFD a ridicat „proiectarea bazată pe experiență-la „proiectare de precizie”, rezolvând compromisul-între disiparea căldurii și protecție, oferind în același timp o bază științifică pentru proiectarea personalizată a echipamentelor, cum ar fi aparatele de comutație de 24 kV și aparatele de comutație izolate cu gaz de 33 kV-.
Pentru întreprinderi, alegerea aparatelor de comutare cu design de ventilație optimizat-CFD înseamnă în esență să optați pentru „fiabilitatea ciclului de viață”. Pentru producători, numai prin integrarea profundă a tehnologiei de simulare în procesul de proiectare, aceștia pot ieși în evidență în competiția intensă de pe piață și pot construi o „linie ascunsă de apărare” pentru siguranța rețelei electrice.
Despre noi
Zhejiang Lvma Electric Co., Ltd. a fost fondată în 2018, moștenind 17 ani de experiență specializată în proiectarea și fabricarea transformatoarelor. În calitate de întreprindere certificată ISO 9001:2015-, suntem un furnizor de frunte de-performanță înaltă în ulei-transformatoare de distribuție și soluții de distribuție de tip uscat. Produsele noastre sunt concepute pentru a îndeplini standardele internaționale și sunt de încredere de către clienții din Europa, Orientul Mijlociu, America de Sud, Asia de Sud-Est și Africa pentru fiabilitatea și durabilitatea lor.
Susținuți de o echipă de cercetare și dezvoltare dedicată, care deține peste 40 de brevete, trecem de la un producător de echipamente tradiționale la un furnizor integrat de sisteme energetice inteligente și durabile. Prin încorporarea tehnologiilor avansate, cum ar fi monitorizarea inteligentă bazată pe IoT-, întreținerea predictivă și procesele de producție optimizate digital, asigurăm livrarea de soluții energetice inovatoare, sigure și fiabile, adaptate nevoilor în evoluție ale pieței globale de energie.