Вентиляционные отверстия по бокам или сверху распределительных шкафов могут показаться ничем иным, как незаметными щелями, однако они служат двойной цели: регулирования «температуры» оборудования и обеспечения его «безопасности». Согласноопределение электрического распределительного устройстваРаспределительное устройство является основным узлом в системах производства, передачи и распределения электроэнергии. Такие компоненты, как автоматические выключатели и шины, выделяют значительное количество тепла во время работы, а вентиляционные отверстия служат основными каналами для отвода тепла. Однако возникает противоречие: хотя большие и многочисленные отверстия повышают эффективность рассеивания тепла, они также становятся более легкими точками проникновения дождевой воды, пыли и соленого тумана, что приводит к повреждению изоляции из-за влаги и коррозии компонентов,-прямо угрожающей безопасности оборудования.
Это балансирование,-обеспечивающее «отвод тепла без ущерба для защиты и защиту без препятствия рассеиванию тепла»-особенно важно в оборудовании среднего- и высокого-напряжения, таком какРаспредустройство 33 кВ с элегазовой-изоляциейираспределительное устройство 24 кВ. Такое оборудование имеет высокую удельную мощность и требует срочного отвода тепла и часто развертывается на открытом воздухе или в средах с высокой-влажностью, что требует степени защиты IP4X или выше. Применение технологии моделирования вычислительной гидродинамики (CFD) позволило перейти от «эмпирической оценки» к «точной количественной оценке» при проектировании вентиляционных отверстий, что сделало ее основным инструментом для решения этой проблемы. В этой статье будет проанализировано, как CFD-моделирование оптимизирует положение, форму и размер вентиляционных отверстий, а также его практическое применение в распределительных устройствах 24 кВ и распределительных устройствах с газовой-изоляцией 33 кВ.
I. Почему проектирование вентиляции — «вопрос жизни и смерти»? Основные конфликты и болевые точки отрасли
Проектирование вентиляции – это, по сути, диалектическое единство «воздушных каналов» и «защитных барьеров». Любое отклонение от конструкции, особенно для распределительных устройств среднего- и высокого-напряжения, может привести к катастрофическим последствиям:
1. Недостаточное тепловыделение: фатальный риск «перегрева» оборудования.
Во время работы джоулевые потери на шинах и тепло, выделяемое при гашении дуги выключателем, приводят к повышению внутренней температуры распределительного устройства. Данные показывают, что на каждые 10 градусов повышения внутренней температуры срок службы изоляционных материалов сокращается на 50%, а скорость коррозии металлических компонентов увеличивается на 30%. Дляраспределительное устройство 24 кВ, с номинальным током до 3150 А, если повышение внутренней температуры превысит 60 К (стандартный предел для медных шин) во время работы при полной-нагрузке, это непосредственно приведет к отключению по-перегреву; Между тем, хотя в распределительных устройствах с элегазовой-изоляцией на 33 кВ используется элегазовая изоляция, утечки газа необходимо устранять. Если вентиляция недостаточна, концентрации газов могут превысить безопасные пределы, создавая угрозу безопасности.
2. Нарушение защиты: «Смертельный путь» экологической коррозии
Неправильно спроектированные вентиляционные отверстия могут стать прямым путем проникновения дождевой воды, пыли и конденсата:
Если вентиляционные отверстия ОРУ-24 кВ не имеют защиты от дождя, во время сильного дождя дождевая вода может легко просачиваться под углом, вызывая короткие замыкания вторичных цепей;
В запыленных помещениях, если в вентиляционных отверстиях отсутствуют пылевые фильтры или они имеют слишком большие сетчатые отверстия, скопление пыли в соединениях шин может увеличить контактное сопротивление и вызвать локальный перегрев;
В средах с высокой-влажностью медленный поток воздуха через вентиляционные отверстия может привести к образованию конденсата внутри шкафа, что приведет к загрязнению влагой отсеков элегазового газа распределительного устройства с элегазовой-изоляцией напряжением 33 кВ и ухудшению характеристик изоляции.
3. «Слепота» традиционных моделей: ограничения эмпиризма
Традиционное проектирование вентиляции часто опирается на опыт инженеров,-например, «нижний приток, верхний выхлоп» или «открытая площадь 15 –20 %»-, но в нем отсутствует точный анализ внутреннего потока и температурных полей: в одном химическом промышленном парке неправильное размещение вентиляционных отверстий в распределительном устройстве 24 кВ привело к образованию вихрей внутри шкафа, что привело к накоплению тепла в зоне выключателя и старению изоляции всего через год после ввода в эксплуатацию. Между тем, на одной из подстанций в распределительном устройстве с элегазовой изоляцией 33 кВ с целью повышения защиты были чрезмерно уменьшены вентиляционные отверстия, что привело к утечкам элегазового газа, которые невозможно было оперативно устранить, и вызвало аварийное отключение.
II. CFD-моделирование: «Точный навигатор» для проектирования вентиляционных отверстий
Вычислительная гидродинамика (CFD) использует численное моделирование для моделирования моделей воздушного потока и теплопередачи внутри распределительных шкафов. Он может точно прогнозировать эффективность рассеивания тепла и риски безопасности при различных конструкциях вентиляционных отверстий, обеспечивая «количественную оптимизацию»:
1. Основные параметры моделирования: четыре ключевых фактора для решения проблемы
Моделирование поля потока: анализирует, как расположение и форма вентиляционных отверстий влияют на пути воздушного потока внутри шкафа, чтобы избежать завихрений и мертвых зон. Например, моделирование CFD показало, что конструкция распределительного устройства на 24 кВ, сочетающая «длинные, узкие нижние воздухозаборники и расположенные под углом верхние воздухозаборники», увеличивает скорость воздушного потока на 40% по сравнению с традиционными круглыми вентиляционными отверстиями без значительных завихрений;
Моделирование температурного поля: рассчитывает распределение температуры внутри шкафа при различных условиях нагрузки, чтобы определить оптимальное соотношение вентиляционных отверстий. ДляРаспредустройство 33 кВ с элегазовой-изоляциейCFD-моделирование позволяет точно рассчитать путь диффузии газа SF6 после утечки, оптимизировать положение вентиляционных отверстий и гарантировать, что утечка газа будет удалена из шкафа в течение 10 минут;
Моделирование защиты: имитирует траектории движения дождевой воды и пыли у вентиляционных отверстий для оптимизации угла дождевого чехла и сетчатого отверстия пылевого фильтра. Например, моделирование показало, что угол наклона дождевого покрытия, превышающий или равный 30 градусам, может полностью блокировать вертикальные осадки, не влияя на эффективность воздухозаборника;
Связанное моделирование нескольких-сценариев: сочетание экстремальных условий окружающей среды, таких как высокие температуры, сильный дождь и пыль, для проверки адаптивности конструкции вентиляционного отверстия. Для определенного наружного распределительного устройства на 24 кВ моделирование с использованием CFD оптимизировало коэффициент вентиляционного открытия с 20% до 12%, удовлетворив требования к рассеиванию тепла и одновременно повысив степень защиты до IP54.
2. Практические примеры оптимизации конструкции: от моделирования к реализации
Кейс 1: CFD-оптимизация вентиляционных отверстий распределительного устройства 24 кВ
Первоначальная конструкция распределительного устройства на 24 кВ определенной марки (степень защиты IP4X) имела круглые вентиляционные отверстия с коэффициентом открытия 18%. Однако CFD-моделирование показало, что повышение температуры в зоне выключателя достигло 65К (превышение норматива на 5К). За счет оптимизации:
Форма: круглые вентиляционные отверстия были изменены на обтекаемую форму, чтобы уменьшить сопротивление воздушному потоку;
Расположение: нижний воздухозаборник смещен на 15 см в сторону выключателя, верхний воздухозаборник совмещен с шинным отсеком;
Конструкция: добавлен наклонный козырек от дождя под углом 30 градусов и пылевой фильтр размером 100 ячеек.
Моделирование после оптимизации показало, что повышение температуры внутри шкафа снизилось до 52К, скорость воздушного потока увеличилась на 35%, а риск попадания дождевой воды и пыли был устранен, полностью соответствуя требованиям стандарта IEC 62271-200.
Случай 2: Индивидуальный проект вентиляции для распределительного устройства с газовой-изолированной изоляцией 33 кВ
Из-за высокой плотности газа SF6 (в 5 раз выше плотности воздуха) он имеет тенденцию скапливаться на дне шкафа после утечки в распределительном устройстве с элегазовой изоляцией 33 кВ. С помощью CFD-моделирования:
Воздухозаборник: расположен в верхней части шкафа для всасывания прохладного воздуха и создания конвекции;
Выпускные отверстия: расположены в нижней части шкафа на высоте 0,5 м над землей и предназначены для точного удаления опускающегося элегазового газа;
Коэффициент открытой площади: оптимизирован до 8 % в сочетании с осевыми вентиляторами для принудительной вытяжки, гарантируя, что концентрация утечек газа не превышает 1000 мкл/л (предел безопасности).
Эта конструкция прошла проверку на соответствие стандарту GB 50060-2008 и была реализована на высотной подстанции.
III. «Золотые правила» проектирования вентиляционных проемов: практические решения на основе CFD
На основе технологии CFD-моделирования и с учетом сценариев применения распределительного устройства 24 кВ и распределительного устройства с элегазовой-изоляцией 33 кВ проектирование вентиляционных отверстий должно соответствовать трем ключевым принципам: «структурная адаптация, количественная оценка параметров и усиленная защита»:
1. Конструктивное проектирование: вентиляционные решения, адаптированные к различному оборудованию
Распредустройство 24 кВ (с воздушной-изоляцией):
Режим вентиляции: Сочетание естественной конвекции и принудительного охлаждения, с забором воздуха внизу и вытяжкой вверху;
Форма: впускные отверстия удлинены (ширина больше или равна 5 см), а выпускные отверстия расположены под углом (30–45 градусов), чтобы минимизировать попадание дождевой воды;
Несущие конструкции: установка водонепроницаемых жалюзи класса IP54 и съемных пылевых фильтров, которые можно регулярно чистить, не влияя на рассеивание тепла.
Распределительное устройство 33 кВ с элегазовой-изоляцией (элегазовая изоляция):
Режим вентиляции: преимущественно принудительная вытяжка, с забором воздуха сверху и вытяжкой снизу;
Форма: воздухозаборники имеют круглую форму (диаметр больше или равен 8 см), а выпускные отверстия имеют решетчатую форму-для облегчения рассеивания газа;
Вспомогательная конструкция: оснащена датчиком концентрации газа SF6, который контролирует работу вентилятора, обеспечивая скоординированную защиту и отвод тепла.
2. Количественная оценка параметров: основные показатели для оптимизации CFD
Коэффициент открытой площади: корректируется в зависимости от плотности мощности оборудования; 12–15 % для распределительного устройства 24 кВ при полной нагрузке и 8–10 % для распределительного устройства с элегазовой-изоляцией 33 кВ;
Скорость воздушного потока: скорость входящего воздуха контролируется на уровне 1–2 м/с, а скорость вытяжного воздуха — на уровне 2–3 м/с, чтобы предотвратить конденсацию, вызванную чрезмерной скоростью, или накопление тепла, вызванное недостаточной скоростью;
Контроль повышения температуры: моделирование CFD гарантирует, что максимальное повышение температуры внутри шкафа не превышает пределов, указанных в стандарте GB/T 11022 (медная шина менее или равна 60 К, алюминиевая шина менее или равна 70 К).
3. Улучшенная защита: улучшенная защита без ущерба для рассеивания тепла.
Защита материала: Рамы вентиляционных отверстий изготовлены из нержавеющей стали 304 для предотвращения структурной деформации, вызванной коррозией; дождевики изготовлены из атмосферостойкого-АБС-материала, способного выдерживать температурные циклы от -40 до 70 градусов;
Synergy уплотнения: в местах соединения вентиляционных отверстий с корпусом шкафа устанавливаются уплотнительные ленты из EPDM с контролируемым сжатием на уровне 20–30 % для предотвращения просачивания дождевой воды через зазоры;
Адаптация к окружающей среде: для использования на открытом воздухе (наклон больше или равен 15 градусам) добавляются дождевые колпаки; устройства осушения работают в условиях повышенной-влажности; и пылевые фильтры высокой-плотности (больше или равные 120 меш) выбираются для запыленной среды.
Краткое содержание
Долгосрочная-надежная работа распределительного устройства часто зависит от таких «деталей», как вентиляционные отверстия. Основная задача электрических распределительных устройств — «безопасная и стабильная передача электрической энергии», а поскольку вентиляционные отверстия служат критическими точками для рассеивания тепла и защиты, качество их конструкции напрямую влияет на срок службы оборудования и безопасность его эксплуатации. Применение технологии CFD-моделирования позволило повысить уровень "проектирования-на основе опыта" до "точного проектирования", разрешив компромисс-между рассеиванием тепла и защитой, а также обеспечив научную основу для индивидуального проектирования оборудования, такого как распределительные устройства на 24 кВ и распределительные устройства с элегазовой-изоляцией на 33 кВ.
Для предприятий выбор распределительного устройства с конструкциями вентиляции,-оптимизированными CFD, по сути означает выбор "надежности жизненного цикла". Что касается производителей, то только путем глубокой интеграции технологий моделирования в процесс проектирования они смогут выделиться в условиях жесткой рыночной конкуренции и построить «скрытую линию защиты» для безопасности электросетей.
О нас
Компания Zhejiang Lvma Electric Co., Ltd. была основана в 2018 году и унаследовала 17-летний опыт проектирования и производства трансформаторов. Являясь предприятием, сертифицированным по стандарту ISO 9001:2015-, мы являемся ведущим поставщиком высокоэффективных-масляных-погружных и сухих распределительных трансформаторов и распределительных устройств. Наша продукция разработана в соответствии с международными стандартами и пользуется доверием клиентов по всей Европе, Ближнему Востоку, Южной Америке, Юго-Восточной Азии и Африке благодаря своей надежности и долговечности.
При поддержке специальной группы исследований и разработок, обладающей более 40 патентами, мы превращаемся из традиционного производителя оборудования в комплексного поставщика интеллектуальных и устойчивых энергетических систем. Внедряя передовые технологии, такие как интеллектуальный мониторинг на основе Интернета вещей-, профилактическое обслуживание и оптимизированные с помощью цифровых технологий производственные процессы, мы обеспечиваем предоставление инновационных, безопасных и надежных решений в области электропитания, адаптированных к меняющимся потребностям мирового энергетического рынка.