Otwory wentylacyjne znajdujące się po bokach lub w górnej części szaf rozdzielczych mogą wydawać się niczym innym jak niepozornymi szczelinami, jednak spełniają podwójną funkcję: regulują „temperaturę” sprzętu i zapewniają jego „bezpieczeństwo”. Wedługdefinicja rozdzielnicy elektrycznejrozdzielnica jest głównym zespołem w systemach wytwarzania, przesyłu i dystrybucji energii. Komponenty takie jak wyłączniki automatyczne i szyny zbiorcze generują podczas pracy znaczne ilości ciepła, a otwory wentylacyjne służą jako kluczowe kanały odprowadzające ciepło. Powstaje jednak sprzeczność: podczas gdy większe i liczniejsze otwory poprawiają skuteczność odprowadzania ciepła, stają się one również łatwiejszymi punktami wejścia dla wody deszczowej, kurzu i mgły solnej, co prowadzi do uszkodzenia izolacji przez wilgoć i korozji komponentów-bezpośrednio zagrażając bezpieczeństwu sprzętu.
To działanie równoważące,-zapewniające „rozpraszanie ciepła bez uszczerbku dla ochrony i ochronę bez utrudniania rozpraszania ciepła”-jest szczególnie intensywne w sprzęcie średniego- i wysokiego-napięcia, takiego jakRozdzielnica 33 kV-izolowana gazemIRozdzielnica 24 kV. Sprzęt taki charakteryzuje się dużą gęstością mocy i pilnymi wymaganiami w zakresie rozpraszania ciepła i często jest wdrażany na zewnątrz lub w środowiskach o wysokiej-wilgotności, co wymaga stopnia ochrony IP4X lub wyższego. Zastosowanie technologii symulacji obliczeniowej dynamiki płynów (CFD) umożliwiło przejście od „empirycznego oszacowania” do „precyzyjnego określenia ilościowego” w projektowaniu otworów wentylacyjnych, co czyni ją podstawowym narzędziem umożliwiającym rozwiązanie tego wyzwania. W tym artykule przeanalizuję, w jaki sposób symulacja CFD optymalizuje położenie, kształt i rozmiar otworów wentylacyjnych, a także jej praktyczne zastosowania w rozdzielnicach 24 kV i rozdzielnicach z izolacją gazową 33 kV-.
I. Dlaczego projektowanie wentylacji jest „sprawą życia i śmierci”? Podstawowe konflikty i bolesne punkty branży
Projekt wentylacji jest zasadniczo dialektyczną jednością „kanałów przepływu powietrza” i „barier ochronnych”. Zwłaszcza w przypadku rozdzielnic średniego- i wysokiego-napięcia każde odchylenie projektowe może prowadzić do katastrofalnych konsekwencji:
1. Niewystarczające odprowadzanie ciepła: śmiertelne ryzyko „przegrzania” sprzętu
Podczas pracy straty Joule'a na szynie zbiorczej i ciepło generowane przez gaszenie łuku wyłącznika powodują wzrost temperatury wewnętrznej rozdzielnicy. Dane pokazują, że na każde 10 stopni wzrostu temperatury wewnętrznej żywotność materiałów izolacyjnych zmniejsza się o 50%, a szybkość korozji elementów metalowych wzrasta o 30%. DlaRozdzielnica 24 kV, przy prądzie znamionowym do 3150 A, jeśli wzrost temperatury wewnętrznej przekroczy 60 K (standardowy limit dla szyn miedzianych) podczas pracy z pełnym-obciążeniem, spowoduje to bezpośrednie-wyłączenie awaryjne z powodu nadmiernej temperatury; Tymczasem, mimo że w rozdzielnicy-izolowanej gazem 33 kV zastosowano izolację gazową SF6, wycieki gazu śladowego muszą zostać usunięte. Jeżeli wentylacja jest niewystarczająca, stężenie gazów może przekroczyć bezpieczne granice, stwarzając zagrożenie dla bezpieczeństwa.
2. Awaria ochrony: „Śmiertelna ścieżka” korozji środowiska
Nieprawidłowo zaprojektowane otwory wentylacyjne mogą stać się bezpośrednią drogą przedostawania się wody deszczowej, kurzu i kondensatu:
Jeżeli otwory wentylacyjne rozdzielnicy zewnętrznej 24 kV nie są zabezpieczone przed deszczem, podczas ulewnego deszczu woda deszczowa może z łatwością przedostawać się do środka pod kątem, powodując zwarcia w obwodach wtórnych;
W zapylonym środowisku, jeśli w otworach wentylacyjnych nie ma filtrów przeciwpyłowych lub są one wyposażone w zbyt duże oczka, gromadzenie się kurzu na złączach szyn zbiorczych może zwiększyć rezystancję styków i spowodować miejscowe przegrzanie;
W środowiskach o wysokiej-wilgotności powolny przepływ powietrza przez otwory wentylacyjne może prowadzić do kondensacji wewnątrz szafy, powodując zanieczyszczenie wilgocią w przedziałach gazu SF6-rozdzielnicy z izolacją gazową 33 kV i pogarszając skuteczność izolacji.
3. „Ślepota” tradycyjnych projektów: ograniczenia empiryzmu
Tradycyjny projekt wentylacji często opiera się na doświadczeniu inżynierów-, takim jak „wlot od dołu, wylot od góry” lub „przestrzeń otwarta 15%–20%”-ale brakuje w nim dokładnej analizy wewnętrznych pól przepływu i temperatury: w pewnym parku przemysłowym chemicznym niewłaściwe rozmieszczenie otworów wentylacyjnych w rozdzielnicy 24 kV spowodowało powstawanie wirów wewnątrz szafy, co doprowadziło do akumulacji ciepła w obszarze wyłącznika i starzenia się izolacji zaledwie rok po uruchomieniu. Tymczasem w pewnej podstacji w celu zwiększenia ochrony nadmiernie zmniejszono otwory wentylacyjne w rozdzielnicy 33 kV-izolowanej gazem, co spowodowało wycieki gazu SF6, których nie można było natychmiast odpowietrzyć, i spowodowało wyłączenie alarmu.
II. Symulacja CFD: „Precyzyjny nawigator” do projektowania otworów wentylacyjnych
Obliczeniowa dynamika płynów (CFD) wykorzystuje symulacje numeryczne do modelowania wzorców przepływu powietrza i wymiany ciepła w szafach rozdzielczych. Może dokładnie przewidzieć efektywność rozpraszania ciepła i zagrożenia bezpieczeństwa w przypadku różnych projektów otworów wentylacyjnych, umożliwiając „optymalizację ilościową”:
1. Podstawowe wymiary symulacji: cztery kluczowe czynniki umożliwiające rozwiązanie problemu
Symulacja pola przepływu: analizuje, jak lokalizacja i kształt otworów wentylacyjnych wpływają na ścieżki przepływu powietrza w szafie, aby uniknąć wirów i martwych stref. Na przykład symulacje CFD wykazały, że konstrukcja rozdzielnicy 24 kV obejmująca kombinację „długich, wąskich dolnych wlotów powietrza i ustawionych pod kątem górnych wylotów powietrza” zwiększa prędkość przepływu powietrza o 40% w porównaniu z tradycyjnymi okrągłymi otworami wentylacyjnymi, bez znaczących wirów;
Symulacja pola temperaturowego: oblicza rozkład temperatury wewnątrz szafy przy różnych warunkach obciążenia, aby określić optymalny współczynnik otwarcia wentylacji. DlaRozdzielnica 33 kV-izolowana gazemsymulacje CFD pozwalają precyzyjnie obliczyć drogę dyfuzji gazu SF6 po nieszczelności, zoptymalizować położenie otworów wentylacyjnych i zapewnić usunięcie wyciekającego gazu z szafy w ciągu 10 minut;
Symulacja ochrony: Symuluje trajektorie ruchu wody deszczowej i kurzu w otworach wentylacyjnych, aby zoptymalizować kąt osłony przeciwdeszczowej i otwór siatki filtra przeciwpyłowego. Na przykład symulacje wykazały, że kąt nachylenia osłony przeciwdeszczowej większy lub równy 30 stopni może całkowicie zablokować pionowe opady deszczu bez wpływu na wydajność poboru powietrza;
Symulacja sprzężona z wieloma-scenariuszami: połączenie ekstremalnych warunków środowiskowych, takich jak wysokie temperatury, ulewne deszcze i kurz, w celu sprawdzenia możliwości dostosowania projektu otworu wentylacyjnego. W przypadku pewnej rozdzielnicy zewnętrznej 24 kV symulacja CFD zoptymalizowała współczynnik otwarcia wentylacyjnego z 20% do 12%, spełniając wymagania dotyczące rozpraszania ciepła, jednocześnie zwiększając stopień ochrony do IP54.
2. Studia przypadków optymalizacji projektu: od symulacji do wdrożenia
Przypadek 1: Optymalizacja CFD otworów wentylacyjnych rozdzielnicy 24 kV
Początkowy projekt rozdzielnicy 24 kV pewnej marki (stopień ochrony IP4X) obejmował okrągłe otwory wentylacyjne o współczynniku otwarcia 18%. Symulacje CFD wykazały jednak, że wzrost temperatury w obszarze wyłącznika osiągnął 65 K (o 5 K powyżej normy). Poprzez optymalizację:
Kształt: Okrągłe otwory wentylacyjne zostały zmodyfikowane do opływowego kształtu, aby zmniejszyć opory przepływu powietrza;
Położenie: Dolny wlot powietrza został przesunięty o 15 cm w stronę wyłącznika, a górny wylot powietrza zrównano z przedziałem szyn zbiorczych;
Struktura: Dodano osłonę przeciwdeszczową pochyloną pod kątem 30 stopni i filtr przeciwpyłowy o średnicy 100 mesh
Symulacje po optymalizacji wykazały, że wzrost temperatury wewnątrz szafy spadł do 52K, prędkość przepływu powietrza wzrosła o 35%, a ryzyko przedostania się wody deszczowej i kurzu zostało wyeliminowane, w pełni spełniając wymagania normy IEC 62271-200.
Przypadek 2: Niestandardowy projekt wentylacji dla rozdzielnicy izolowanej gazowej 33 kV-
Ze względu na dużą gęstość gazu SF6 (5 razy większą niż powietrze) ma on tendencję do gromadzenia się na dnie szafy po wycieku w rozdzielnicy-izolowanej gazem 33 kV. Poprzez symulację CFD:
Wlot: Znajduje się w górnej części szafy i zasysa chłodne powietrze i tworzy konwekcję;
Otwory wentylacyjne: Umieszczone w dolnej części szafy, 0,5 m nad ziemią, w celu dokładnego odprowadzania tonącego gazu SF6;
Współczynnik powierzchni otwartej: zoptymalizowany do 8%, w połączeniu z wentylatorami osiowymi do wymuszonego wydmuchu, zapewniający, że stężenie wyciekającego gazu nie przekracza 1000 μL/L (granica bezpieczeństwa).
Projekt ten został zatwierdzony zgodnie z normą GB 50060-2008 i został wdrożony w podstacji położonej na dużych wysokościach.
III. „Złote zasady” projektowania otworów wentylacyjnych: praktyczne rozwiązania oparte na CFD
W oparciu o technologię symulacji CFD i biorąc pod uwagę scenariusze zastosowań rozdzielnic 24 kV i rozdzielnic w izolacji-gazowej 33 kV, projekt otworu wentylacyjnego musi być zgodny z trzema kluczowymi zasadami: „dostosowanie konstrukcyjne, kwantyfikacja parametrów i zwiększona ochrona”:
1. Projekt konstrukcyjny: rozwiązania wentylacyjne dostosowane do różnych urządzeń
Rozdzielnica 24 kV (typ-izolowany powietrzem):
Tryb wentylacji: Połączenie naturalnej konwekcji i wymuszonego chłodzenia, z wlotem powietrza na dole i wylotem na górze;
Kształt: Otwory wlotowe są wydłużone (szerokość większa lub równa 5 cm), natomiast otwory wylotowe są ustawione pod kątem (30 stopni – 45 stopni), aby zminimalizować wnikanie wody deszczowej;
Konstrukcje wsporcze: Instalacja wodoodpornych żaluzji o stopniu ochrony IP54 i wyjmowanych filtrów przeciwpyłowych, które można regularnie czyścić bez wpływu na odprowadzanie ciepła.
Rozdzielnica w izolacji-gazowej 33 kV (izolacja SF6):
Tryb wentylacji: Wydmuch wymuszony, z wlotem powietrza u góry i wylotem u dołu;
Kształt: wloty powietrza są okrągłe (średnica większa lub równa 8 cm), a wyloty powietrza są typu kratkowego-, co ułatwia dyspersję gazów;
Konstrukcja pomocnicza: Wyposażona w czujnik stężenia gazu SF6, który steruje pracą wentylatora, zapewniając skoordynowaną ochronę i odprowadzanie ciepła.
2. Kwantyfikacja parametrów: podstawowe wskaźniki optymalizacji CFD
Współczynnik powierzchni otwartej: dostosowany w oparciu o gęstość mocy sprzętu; 12%–15% dla rozdzielnicy 24 kV pod pełnym obciążeniem i 8%–10% dla rozdzielnicy 33 kV-izolowanej gazem;
Prędkość przepływu powietrza: Prędkość powietrza na wlocie jest kontrolowana na poziomie 1–2 m/s, a prędkość powietrza na wylocie na poziomie 2–3 m/s, aby zapobiec kondensacji spowodowanej nadmierną prędkością lub gromadzeniu się ciepła spowodowanego niewystarczającą prędkością;
Kontrola wzrostu temperatury: Symulacje CFD zapewniają, że maksymalny wzrost temperatury wewnątrz szafy nie przekroczy limitów określonych w normie GB/T 11022 (szyna miedziana mniejsza lub równa 60 K, szyna aluminiowa mniejsza lub równa 70 K).
3. Zwiększona ochrona: ulepszona ochrona bez uszczerbku dla rozpraszania ciepła
Ochrona materiału: Ramy otworów wentylacyjnych wykonane są ze stali nierdzewnej 304, aby zapobiec deformacjom konstrukcyjnym spowodowanym korozją; osłony przeciwdeszczowe są wykonane z-odpornego na warunki pogodowe materiału ABS, który wytrzymuje cykle temperatur od -40 do 70 stopni;
Synergia uszczelnienia: W punktach połączeń pomiędzy otworami wentylacyjnymi a korpusem szafy instaluje się taśmy uszczelniające z EPDM, przy kontrolowanym ucisku na poziomie 20–30%, aby zapobiec przedostawaniu się wody deszczowej przez szczeliny;
Dostosowanie do środowiska: Osłony przeciwdeszczowe są dodawane do zastosowań zewnętrznych (nachylenie większe lub równe 15 stopni); urządzenia osuszające są używane w środowiskach-o dużej wilgotności; i filtry przeciwpyłowe o dużej-gęstości (większej lub równej 120 mesh) są wybierane do środowisk zapylonych.
Streszczenie
Długoterminowe-niezawodne działanie rozdzielnicy często zależy od „szczegółów”, takich jak otwory wentylacyjne. Podstawową misją rozdzielnic elektrycznych jest „bezpieczne i stabilne przesyłanie energii elektrycznej”, a ponieważ otwory wentylacyjne służą jako punkty krytyczne dla odprowadzania ciepła i ochrony, jakość ich konstrukcji bezpośrednio wpływa na żywotność sprzętu i bezpieczeństwo operacyjne. Zastosowanie technologii symulacji CFD podniosło „projektowanie-oparte na doświadczeniu” do „projektowania precyzyjnego”, rozwiązując kompromis-między rozpraszaniem ciepła a ochroną, zapewniając jednocześnie naukową podstawę do projektowania zindywidualizowanych urządzeń, takich jak rozdzielnice 24 kV i rozdzielnice z izolacją gazową-33 kV.
Dla przedsiębiorstw wybór rozdzielnic ze zoptymalizowaną-konstrukcją wentylacyjną CFD zasadniczo oznacza wybór „niezawodności w całym cyklu życia”. Producenci mogą jedynie poprzez głęboką integrację technologii symulacyjnej z procesem projektowania wyróżnić się na tle intensywnej konkurencji rynkowej i zbudować „ukrytą linię obrony” dla bezpieczeństwa sieci elektroenergetycznej.
O nas
Firma Zhejiang Lvma Electric Co., Ltd. została założona w 2018 roku, odziedzicząc 17 lat specjalistycznej wiedzy w zakresie projektowania i produkcji transformatorów. Jako przedsiębiorstwo posiadające certyfikat ISO 9001:2015-jesteśmy wiodącym dostawcą-wydajnych-olejowych transformatorów rozdzielczych i rozdzielnic typu suchego. Nasze produkty zostały zaprojektowane tak, aby spełniały międzynarodowe standardy i cieszą się zaufaniem klientów w Europie, na Bliskim Wschodzie, w Ameryce Południowej, Azji Południowo-Wschodniej i Afryce ze względu na ich niezawodność i trwałość.
Wspierani przez dedykowany zespół badawczo-rozwojowy, który posiada ponad 40 patentów, zmieniamy się z tradycyjnego producenta sprzętu w zintegrowanego dostawcę inteligentnych i zrównoważonych systemów energetycznych. Dzięki zastosowaniu zaawansowanych technologii, takich jak inteligentne monitorowanie oparte na IoT-, konserwacja predykcyjna i zoptymalizowane cyfrowo procesy produkcyjne, zapewniamy dostarczanie innowacyjnych, bezpiecznych i niezawodnych rozwiązań energetycznych dostosowanych do zmieniających się potrzeb globalnego rynku energii.