Trong tổng thểhệ thống điện thiết bị chuyển mạchTrong kiến trúc, các lỗ thông gió trên vỏ thiết bị đóng cắt thường là chi tiết kết cấu bị bỏ qua nhiều nhất. Hầu hết mọi người chỉ đơn giản coi chúng là "lỗ tản nhiệt{1}}nhỏ" mà không biết rằng những khe hở dường như không đáng kể này đóng vai trò là giao diện quan trọng giúp cân bằng hiệu suất nhiệt và bảo vệ môi trường-ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định nhiệt độ của thiết bị, tuổi thọ cách nhiệt và-an toàn vận hành lâu dài. Thiết bị đóng cắt ở các cấp điện áp khác nhau có các yêu cầu rất khác nhau về tỷ lệ mở, thiết kế bố trí và cấu trúc bảo vệ. Điều này đặc biệt đúng đối vớiThiết bị đóng cắt 12 kVđược sử dụng rộng rãi trong các nhà máy công nghiệp, hầm mỏ, khu công nghiệp và lưới điện thành phố, nơi có sự dao động tải lớn và môi trường vận hành phức tạp. Ngay cả những sai lệch nhỏ trong thiết kế lỗ thông gió cũng có thể dẫn đến một loạt lỗi như quá nhiệt, ngưng tụ, hơi ẩm xâm nhập và tích tụ bụi.
Thiết kế thông gió truyền thống cho thiết bị đóng cắt từ lâu đã dựa vào các công thức thực nghiệm của kỹ sư, dẫn đến một phương pháp-phù hợp với-tất cả{2}}với những nhược điểm như tăng kích thước lỗ khi làm mát không đủ hoặc giảm kích thước lỗ thông hơi khi khả năng bảo vệ không đủ-gây khó khăn cho việc đạt được giải pháp cân bằng. Việc áp dụng rộng rãi công nghệ mô phỏng động lực học chất lỏng tính toán (CFD) đã khắc phục hoàn toàn những hạn chế của thiết kế dựa trên trải nghiệm. Bằng cách mô phỏng kỹ thuật số các trường luồng không khí, nhiệt độ và áp suất bên trong tủ, CFD cho phép định lượng chính xác các thông số thông gió, đạt được sự cân bằng tối ưu giữa hiệu suất tản nhiệt và xếp hạng bảo vệ IP. Bài viết này sẽ phân tích những mâu thuẫn cốt lõi trong thiết kế lỗ thông gió, logic đằng sau việc tối ưu hóa mô phỏng CFD và các giải pháp thiết kế tiêu chuẩn hóa phù hợp với các nhu cầu khác nhau.thiết bị đóng cắt điện ápdựa trên các ứng dụng thực tế của thiết bị đóng cắt 12 kV, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật để-hoạt động ổn định lâu dài của hệ thống điện thiết bị đóng cắt.
Trận chiến cốt lõi của các lỗ thông gió: Mâu thuẫn cố hữu giữa nhu cầu tản nhiệt và hàng rào bảo vệ
Các thành phần cốt lõi như thanh cái, cầu dao và máy biến áp bên trong tủ công tắc sẽ liên tục tạo ra nhiệt lượng joule trong quá trình vận hành mang dòng điện dài hạn-dòng điện-. Sự tích tụ nhiệt sẽ trực tiếp làm tăng nhiệt độ bên trong tủ, đẩy nhanh quá trình lão hóa của vật liệu cách nhiệt và làm giảm mức điện áp chịu đựng của thiết bị. Đây là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự cố thiết bị trong hệ thống phân phối điện. Các lỗ thông gió, là kênh trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên duy nhất của tủ, đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ nhiệt dư thừa và cân bằng nhiệt độ bên trong tủ. Tuy nhiên, sự tồn tại của các lỗ thông gió cũng phá vỡ hệ thống bảo vệ kín của tủ, tạo đường cho tạp chất môi trường xâm nhập.
Mâu thuẫn này thể hiện rõ nhất ở thiết bị đóng cắt 12 kV. Là thiết bị trung thế-được sử dụng rộng rãi nhất trong hệ thống điện thiết bị đóng cắt, tủ công tắc 12 kV thường được sử dụng ngoài trời, phòng phân phối và xưởng sản xuất trong các tình huống phức tạp. Chúng cần phải đáp ứng các yêu cầu về tản nhiệt-cường độ cao khi vận hành-đầy tải và chống lại sự ăn mòn của bụi, mưa, sương muối và ngưng tụ. Nếu các lỗ thông gió được mở rộng một cách mù quáng sẽ trực tiếp làm giảm mức độ bảo vệ IP của tủ, gây ra hiện tượng hấp thụ độ ẩm cách nhiệt, phóng điện cục bộ và rỉ sét kim loại; nếu cấu trúc thông gió bị bịt kín quá mức sẽ dẫn đến luồng không khí bên trong tủ bị ứ đọng và tích tụ nhiệt, dẫn đến hiện tượng vấp quá nhiệt và giảm mạnh tuổi thọ của thiết bị.
Đồng thời, mật độ tải nhiệt của tủ chuyển mạch ở các cấp điện áp thiết bị đóng cắt khác nhau rất khác nhau. Các tiêu chuẩn thiết kế thông gió không thể phổ quát. Tủ chuyển đổi điện áp thấp-có tải nhiệt thấp hơn và không gian chịu được thông gió lớn; trong khi thiết bị đóng cắt 12 kV có dòng điện định mức lớn, cường độ điện trường cao và độ dư cách điện nhỏ, nó có những yêu cầu cực kỳ nghiêm ngặt về biên độ tăng nhiệt độ bên trong tủ, độ đồng đều của luồng không khí và độ kín môi trường. Chỉ dựa vào kinh nghiệm thiết kế truyền thống thì không thể cân bằng được yêu cầu kép về tản nhiệt và bảo vệ.
II. Điểm yếu của ngành về thiết kế thông gió truyền thống: Những khuyết điểm tiềm ẩn của thiết kế theo kinh nghiệm
Trước khi áp dụng rộng rãi công nghệ mô phỏng CFD, thiết kế lỗ thông gió trong ngành thường tuân theo mô hình thực nghiệm "tỷ lệ mở cố định + bố cục tiêu chuẩn". Hầu hết trong số họ đặt tỷ lệ mở tủ là 15% - 20% và áp dụng thống nhất cấu trúc thông gió song song trên và dưới. Thiết kế đơn giản này tiềm ẩn nhiều khuyết điểm và là nguyên nhân cốt lõi khiến nhiều thiết bị đóng cắt 12 kV vận hành lâu ngày không gặp lỗi.
Thứ nhất, tản nhiệt không đồng đều và tích tụ nhiệt cục bộ. Thiết kế truyền thống không thể dự đoán hướng luồng không khí trong tủ và dễ hình thành các vùng chết không khí trong các khu vực tạo nhiệt-lõi lõi chẳng hạn như phòng cầu dao và phòng thanh cái. Nhiều lỗi vận hành hệ thống điện thiết bị đóng cắt cho thấy một số tủ công tắc 12 kV đã đạt tiêu chuẩn về mức tăng nhiệt độ tổng thể, nhưng nhiệt độ của một số khớp nối thanh cái lại vượt quá 30% so với tiêu chuẩn, nguyên nhân sâu xa là do các lỗ thông gió bố trí không hợp lý và luồng khí không thể bao phủ các vị trí tạo nhiệt-lõi.
Thứ hai, mức độ bảo vệ bị dán nhãn sai và khả năng thích ứng với môi trường kém. Để đảm bảo tản nhiệt, hầu hết các lỗ thông gió của tủ chuyển mạch truyền thống không có cấu trúc chuyển dòng, chống bụi hoặc chống mưa- tinh tế. Trong môi trường ẩm ướt, bụi bặm, hơi nước và bụi sẽ xâm nhập vào tủ qua các lỗ thông gió. Khác biệtthiết bị đóng cắt điện ápthiết bị có khả năng chịu đựng cách điện khác nhau.Thiết bị đóng cắt 12 kVcực kỳ nhạy cảm với sự ngưng tụ bụi và hơi ẩm sẽ gây ra hiện tượng phóng điện cục bộ và- tích tụ lâu dài sẽ dẫn đến hư hỏng lớp cách nhiệt và cháy thiết bị.
Cuối cùng, có sự không phù hợp về thông số và khả năng thích ứng không đủ. Các thông số thông gió thống nhất không thể thích ứng với các điều kiện tải khác nhau. Khi vận hành với tải nhẹ, thông gió quá mức sẽ gây ra hiện tượng ngưng tụ và khi vận hành với tải nặng, thông gió không đủ sẽ dẫn đến quá nhiệt. Nó luôn bị mắc kẹt trong tình thế tiến thoái lưỡng nan trong thiết kế “mất cái này để được cái kia”.
III. Công nghệ mô phỏng CFD: Công cụ cốt lõi để giải quyết vấn đề nan giải về tản nhiệt và bảo vệ
Giá trị cốt lõi của mô phỏng CFD nằm ở việc chuyển đổi chuyển động luồng không khí trừu tượng và truyền nhiệt thành dữ liệu trực quan. Thông qua các bước lặp mô phỏng kỹ thuật số, nó có thể xác định chính xác kích thước, vị trí, góc và tốc độ mở tối ưu của các lỗ thông gió mà không làm giảm mức bảo vệ IP và tối đa hóa hiệu quả tản nhiệt. Nó giải quyết một cách hoàn hảo những điểm yếu cốt lõi của các thiết kế truyền thống và giờ đây đã trở thành quy trình cốt lõi của thiết kế tiêu chuẩn hóa thiết bị đóng cắt 12 kv.
1. Mô phỏng trường dòng chảy: Loại bỏ vùng chết của luồng khí và đạt được khả năng tản nhiệt đồng đều trên toàn khu vực
Mô phỏng CFD có thể tái tạo đầy đủ các điều kiện vận hành của hệ thống điện thiết bị đóng cắt và mô phỏng tốc độ không khí, hướng dòng chảy và phân bổ áp suất trong tủ dưới các tải khác nhau. Đối với cấu trúc phân vùng độc lập của buồng thanh cái, buồng cầu dao và buồng cáp trong thiết bị đóng cắt 12 kv, thông qua nhiều mô phỏng lặp lại, bố cục phân vùng lỗ thông gió được tối ưu hóa: các lỗ nạp-gắn phía dưới đưa ra không khí trong lành có nhiệt độ-thấp, các lỗ xả nghiêng gắn trên-xả khí nóng có nhiệt độ-cao, tránh chính xác sự tắc nghẽn luồng khí do các vách ngăn và bộ phận của tủ gây ra, loại bỏ hoàn toàn sự tích tụ nhiệt cục bộ và giữ chênh lệch nhiệt độ của tủ trong vòng 5 độ .
2. Mô phỏng trường nhiệt độ: Định lượng ngưỡng tăng nhiệt độ và phù hợp với yêu cầu về mức điện áp
Tủ điện đóng cắt ở các cấp điện áp khác nhau có giới hạn tăng nhiệt độ và nhiệt độ chịu đựng cách điện hoàn toàn khác nhau. Mô phỏng CFD có thể tính toán chính xác dữ liệu tăng nhiệt độ của thanh cái, tiếp điểm và các bộ phận cách nhiệt trong các cấu trúc thông gió khác nhau dựa trên tiêu chuẩn tăng nhiệt độ tiêu chuẩn quốc gia của thiết bị 12 kV. Nó có thể điều chỉnh cụ thể tốc độ mở thông gió. Dữ liệu mô phỏng cho thấy sau khi tối ưu hóa CFD,thiết bị đóng cắt 12 kvở chế độ hoạt động đầy-tải định mức có thể duy trì mức tăng nhiệt độ cao nhất trong khoảng 40K, thấp hơn nhiều so với giới hạn tiêu chuẩn quốc gia và không cần mở rộng kích thước cửa một cách mù quáng.
3. Mô phỏng bảo vệ: Tối ưu hóa cấu trúc mà không làm giảm khả năng bảo vệ, ngăn chặn sự xâm nhập của môi trường
CFD không chỉ mô phỏng quá trình tản nhiệt của luồng không khí mà còn mô phỏng quỹ đạo chuyển động của nước mưa, bụi và hơi ẩm. Bằng cách tối ưu hóa góc của lỗ thông gió, khẩu độ chắn bụi và cấu trúc chuyển hướng, nó đạt được "sự thông thoáng trong suốt và ngăn chặn tạp chất". Các lỗ thông gió truyền thống có kết cấu thẳng, khả năng bảo vệ yếu. Mặc dù cấu trúc thông gió của thiết bị đóng cắt 12 kv được CFD tối ưu hóa sử dụng cửa gió nghiêng 30 độ –45 độ + thiết kế chuyển hướng chống bụi nhiều-lớp{8}}, nhưng nó có thể chặn 99% bụi và hơi ẩm xâm nhập trong khi vẫn duy trì cùng một lưu lượng luồng không khí và duy trì ổn định mức bảo vệ cao IP54.
IV. Sơ đồ thiết kế lỗ thông gió tối ưu sau khi tối ưu hóa CFD (Thích hợp cho kịch bản trung thế 12kV)
Dựa trên các trường hợp mô phỏng mở rộng và ứng dụng thực tế củahệ thống điện thiết bị chuyển mạchs, ngành đã phát triển sơ đồ thiết kế thông gió được tối ưu hóa-CFD tiêu chuẩn hóa cho thiết bị đóng cắt 12kV, thực sự đạt được sự cân bằng tối ưu giữa tản nhiệt và bảo vệ.
Về mặt bố trí cấu trúc, chế độ thông gió-dòng chảy chéo được phân vùng được áp dụng: các lỗ hút hình dải dài-được đặt ở dưới cùng của ngăn cầu dao, các lỗ xả nghiêng được đặt ở phía trên cùng của ngăn thanh cái và các cổng thông gió bên được cấu hình độc lập cho ngăn cáp. Hệ thống thông gió phân vùng tránh nhiễu loạn không khí và phù hợp chính xác với công suất sinh nhiệt của từng ngăn. So với thiết kế thông gió tổng thể truyền thống, hiệu suất tản nhiệt tăng hơn 35%.
Về mặt kiểm soát tham số, tốc độ mở tối ưu được kiểm soát chặt chẽ: tốc độ mở tổng thể của tủ đóng cắt 12kV được kiểm soát ở mức 12%–15%, khác với thiết kế mở lớn của thiết bị-điện áp thấp và tránh được vấn đề bịt kín quá mức của thiết bị điện áp cao-, thích ứng hoàn hảo với tải nhiệt và yêu cầu bảo vệ của thiết bị-trung thế.
Về cấu trúc bảo vệ, một tấm chắn bụi-làm lệch hướng sinh học và lưới chống bụi-mật độ cao-có thể tháo rời được trang bị tiêu chuẩn. Kết hợp với thiết kế góc nghiêng được tối ưu hóa bằng mô phỏng CFD giúp ngăn chặn bụi, mưa, muỗi ngoài trời xâm nhập một cách hiệu quả, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc bảo trì, vệ sinh sau này. Từ góc độ cấu trúc, nó loại bỏ hoàn toàn các vấn đề về ngưng tụ, rỉ sét và ô nhiễm cách nhiệt.
V. Tóm tắt giá trị ngành: Thiết kế chi tiết quyết định độ tin cậy của hệ thống phân phối
Một dãy lỗ thông gió nhỏ tưởng chừng không đáng kể nhưng thực chất lại là chi tiết cốt lõi trong thiết kế độ tin cậy cho hệ thống điện thiết bị đóng cắt. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định của tủ thiết bị đóng cắt trong suốt vòng đời hoạt động 20 năm của nó. Thiết kế thực nghiệm truyền thống luôn không thể vượt qua mâu thuẫn cố hữu giữa tản nhiệt và bảo vệ, trong khi công nghệ mô phỏng động lực học chất lỏng tính toán CFD, thông qua các phương pháp thiết kế kỹ thuật số, định lượng và trực quan, hoàn toàn phá vỡ nút thắt của ngành.
Đối với thiết bị đóng cắt 12 kv, được sử dụng rộng rãi nhất và có nhiều kịch bản ứng dụng nhất trong số các thiết bị lõi điện áp trung thế, thiết kế tối ưu hóa lỗ thông gió tinh tế không chỉ có thể thích ứng với các đặc tính hoạt động của điện áp thiết bị đóng cắt, đảm bảo không bị quá nhiệt khi vận hành-tải đầy đủ và-dài hạn mà còn duy trì tính năng bảo vệ cơ bản của tủ, chống xói mòn trong các điều kiện làm việc phức tạp và giảm đáng kể tỷ lệ hỏng hóc thiết bị cũng như chi phí vận hành và bảo trì.
Trong quá trình chuyển đổi hiện nay của ngành phân phối theo hướng cải tiến, số hóa và vận hành{0}}lâu dài, cuộc cạnh tranh về độ tin cậy của tủ thiết bị đóng cắt không còn là cuộc cạnh tranh đơn lẻ về các thành phần cốt lõi mà là cuộc cạnh tranh toàn diện về các chi tiết cấu trúc, thiết kế mô phỏng và-điều chỉnh kịch bản đầy đủ. Tối ưu hóa cấu trúc thông gió thông qua mô phỏng CFD để đạt được sự cân bằng hoàn hảo giữa tản nhiệt và bảo vệ chính xác là rào cản cốt lõi giúp phân biệt-thiết bị phân phối cao cấp với các sản phẩm thông thường, đồng thời cũng là nền tảng quan trọng để đảm bảo hoạt động an toàn, ổn định và lâu dài-của toàn bộ hệ thống điện.
Về chúng tôi
Chiết Giang Lvma Electric Co., Ltd. được thành lập vào năm 2018, dựa trên 17 năm kinh nghiệm chuyên môn về kỹ thuật và sản xuất máy biến áp. Với tư cách là nhà sản xuất được chứng nhận ISO 9001:2015-, chúng tôi cung cấp đầy đủ các loại máy biến áp phân phối loại khô và ngâm dầu-dầu hiệu suất cao-cũng như các giải pháp thiết bị đóng cắt thông minh. Được thiết kế để đáp ứng các tiêu chuẩn toàn cầu, các sản phẩm của chúng tôi được khách hàng trên khắp Châu Âu, Trung Đông, Nam Mỹ, Đông Nam Á và Châu Phi tin cậy nhờ độ bền và hiệu quả hoạt động.
Được hướng dẫn bởi đội ngũ R&D tận tâm nắm giữ hơn 40 bằng sáng chế, chúng tôi đang thúc đẩy quá trình chuyển đổi từ sản xuất truyền thống sang tích hợp hệ thống điện thông minh, bền vững. Bằng cách triển khai các công nghệ tiên tiến như giám sát từ xa dựa trên IoT-, phân tích dự đoán dựa trên AI- và các quy trình sản xuất được số hóa hoàn toàn, chúng tôi cung cấp các giải pháp năng lượng đổi mới, đáng tin cậy và hướng tới tương lai- cho bối cảnh năng lượng toàn cầu đang phát triển.