Розуміння теплових перевантаження в електромережах

Термоперевантаження відбуваються при електричних складових в електромережі працюють за межами їх розроблених температурних меж. Трансформатори, вимикачі, а також лінії передачі, мають максимальну номінальну температуру. При струмових витратах перевищити ці пороги, можливо, різкі попити, несправність умов, або неадекватне управління навантаженням -надійне теплобудування. Ця тепло прискорює старіння ізоляції, збільшує резидивні втрати, і може призвести до збоїв, якщо лівий очищений.

У сучасних сітках ризик теплових перевантаження зростає. Джерела відновлюваної енергії, як сонячні та вітрові вводять варіабельність, що викликає швидке коливання в електроживленні. Тим часом електрифікація транспорту та опалення додає нові пікові вимоги. Без належного пом'якшення тепловий стрес стає провідною причиною збою компонентів і непланованих відходів.

Загальні режими в’їзду, що використовуються шляхом перегріву

Термоперевантаження проявляються в декількох демпферних способів. Наприклад, трансформаторні обмотки можуть перегріватися за рахунок їх рейтингів теплового класу (наприклад, Клас A 105°C, клас B 130°C), викликаючи розбиття ізоляції і скорочені повороти. У розподільчих, перегрів може ослаблити олією, заповнені кущі або викликати контакт зварювання в розбиттях. На лініях передачі, надмірна струм підігріває провідник; якщо вітрові і навколишнього середовища температури несприятливі, лінія замішує небезпечно, знижуючи кліренс до рослинності або конструкцій - первинна причина знезараження диких полощів.

Дані з Північноамериканської корпорації електромобільності (NERC) показують, що теплові перевантаження часто цитуються як фактор, що сприяє збільшенню основних порушень сітки. 2003 Північно-східний відбій, наприклад, був запущений серії лінійних поїздок, багато пов'язаних з перевантаженням та неадекватним термомоніторингом.

Функція теплових щитів

Теплові щити в електромережах служать навмисними тепловими бар’єрами або розсіюванням шарів між джерелами тепла (провідники, обмотки, дуги) та чутливими компонентами (ізоляційні, контрольні електронні, оператори людини). Вони вправляють тепло трьома основними механізмами: відбиття, поглинання та дисипація.

  • Рефлекція]: Відбивні поверхні (наприклад, полірований алюмінієвий, керамічні покриття) відмовляються від інфрачервоного випромінювання від обладнання, що зменшує радіаційний нагрів.
  • Absorption]: Матеріали з високою теплоємністю (наприклад, фазо-змінні матеріали, графітові композити) замочують теплову енергію, затримуючи температурний підйом при переходових перевантаженнях.
  • Поцілунки]: Системи активного або пасивного охолодження —фіни, теплові труби, примусове повітря — теплова до раковини, запобігаючи локалізовані гарячі плями.

У практиці добре продумана система теплозахисного щита поєднує в собі ці механізми для забезпечення критичних властивостей сітки в безпечному температурному вікнах, навіть при несправностях або піковому попиті.

Де нагріваються щити застосовуються

Теплові щити не однорозмірні-всі. Їх розміщення залежить від компонента і його режиму збою. У трансформаторах тепловідводи можна встановлювати між обмоткими і стінкою бака, щоб знизити температуру гарячого струму. У підстанціях арка-стійкий вимикач використовує щити для відключення гарячих газів від операторів. На лініях передачі тепловідводи можуть приймати форму керамічних покриттів на провідниках, щоб зменшити сонячне опалення, або аеродинамічні пристрої для підвищення конвекційного охолодження.

Key :

  • Субста трансформатори і реактори
  • Високовольтні вимикачі та вимикачі ланцюгів
  • Busbars і кабельних з'єднань
  • Трансмісійно-розподільні лінії (особливо в пожежної)
  • Електроніка живлення (конвертери, інвертори) в HVDC та відновлювана інтеграція

Види теплових щитів та їх робочі принципи

Відбивні покриття

Відбивні покриття застосовуються на поверхні, які стикаються з радіаційними джерелами тепла. Загальні складові включають алюмінієво-наповнені фарби, керамічні мікросфери та багатошарові діелектричні стеки. Наприклад, високоалбедне покриття на трансформаторному баку може зменшити сонячний нагрів до 40%, безпосередньо знизити температури нафти і намотування. Ці покриття вигідні і легко модернізуються, що робить їх популярними для зовнішнього обладнання.

Ізоляційні бар'єри

Ізоляційні бар’єри обмежують провідну і конвекційну теплопередачі. Матеріали, такі як аерогельні ковдри, мінеральна вата та високотемпературні поліамідні плівки використовуються для окремих гарячих компонентів з чутливої електроніки або конструкційних елементів. У закритому розподілі, теплозахисні щити з склопідсилених епоксидних дивертних гарячих газів з дугових флеш-події, захист поблизу приладобудування та персоналу.

Активні системи охолодження

Активне охолодження виходить за межі пасивного зневоднення. Примушені повітряні системи, водозварені тепломийки, а рідке охолодження занурення розгортаються в високопотужних трансформаторах, електроніці та підземних кабелів. У великих підстанціях вентилятори можуть бути викликані датчиками температури, щоб продув повітря над радіаторами плавленням плавників при температурі вітру перевищують встановлену точку. Більш розвинені системи використовують фазо-змінне охолодження з холодоагентами для досягнення високої теплої промивки.

Фаза-Змінні матеріали (PCMs) та термосховища

PCMs поглинає тепло під час перевантаження шляхом розплавлення, зберігаючи майже постійний температуру, в той час як фаза змін матеріалу. Для застосувань сітки, PCMs, таких як парафін віск, соляні гідрати або металеві сплави можуть бути вбудовані в тепловідводи навколо кабелів або трансформаторних ядер. Вони виступають як термо амортизатори, що дає операторам час переробити навантаження або активувати резервне охолодження до температури стати критичним.

Переваги реалізації теплових щитів

  • Забезпечена безпека: Знижена температура поверхні, знижує ризик виникнення опіку, знижує ризик утримання персоналу та зменшує небезпеку пожежі в дугових заходах.
  • Extended life актив]: Кожне зниження 10°C в безперервній робочій температурі може подвійне життя ізоляції (залежачи закон Аргенія), перетягування до менших збій і більш тривалих інтервалів між заміною.
  • Покращена надійність: Теплові щити запобігають поході на нурисдикцію перенагрівних реле і зменшують ймовірність збивання кадрів під час пікових навантажень.
  • Капіталевий зали: Управління теплом ефективніше, існуюча інфраструктура може безпечно переносити більші струми, відстрочуючи капітальні витрати на нові лінії або трансформатори.
  • Операційна економія: Нижня теплова напруга знижує частоту технічного обслуговування та витрати на екстрений ремонт, при цьому активні системи охолодження (при настройку) можуть підвищити загальну ефективність шляхом зменшення резисторних втрат.

Дослідження 2021 опубліковано в EEE Transactions on Power Delivery знайдено, що застосування рефлекторних теплозахисних щитів для розподілу трансформаторів в гарячих кліматах знижена середня температура обмотки на 12 ° C, продовження терміну служби за оцінкою 5 до 8 років. Ще один польовий випробування Інституту електроенергетики (EPRI) показав, що фазо-змінні матеріали, встановлені в підземних кабельних спорах, подвоювали час перенагріву під час несправності, що дозволяє автоматизовані системи захисту, щоб ізолювати несправність перед пошкодженням.

Розробка майбутнього в технології Heat Shield

Наноматеріали та метаматеріали

Вбудовування теплових щитів важіль нанотехнології. Нанотрубні покриття вуглецю пропонують виключно високу теплопровідність по одній осі, що дозволяє спрямоване тепло розподіляється від гарячих плям. Графенові плівки об'єднують світловідбиваючу і міцність, роблячи їх життєздатними як для статичних, так і гнучких компонентів. Метаматеріали—структури з вбудованими електромагнітними і термічними властивостями— можуть діяти як «термальні діоди», пасивно відключаючи тепло від чутливих зон при блокуванні зворотного потоку.

Розумні покриття та адаптивні поверхні

Адаптивне тепломенеджмент на горизонті. Розумні покриття змінюють їх допустимість або відбиття в відповідь на температуру. Наприклад, ванадій діоксид проходить перехід металоізолятора біля 68°C, що переключається від прозорого до відображення в інфрачервоному спектрі. При інтегрованих в теплозахисний щит, це може автоматично зменшити теплообміну як компоненти, що підлягають впливу небезпечних порогів, без активних датчиків або контрольних петель.

Інтеграція з цифровими Twins та IoT

Майбутні теплові щити, ймовірно, будуть парі з монітором в режимі реального часу. Вбудовані датчики температури (fiber Bragg решітки, термопари) подають дані в цифрові моделі близнюків, які прогнозують термічну еволюцію під струмом навантаження і погоди. При виявленні потенціалу перевантаження, модель може рекомендувати завантаження овець або ініціювати активний охолодження. Ця fusion матеріал науки і цифрові інструменти робить теплові щити частини більш широкої екосистеми захисту сітки.

Виклики та рекомендації

Незважаючи на свої переваги, тепловідбивачі вимагають ретельного інженерування. Поранньо вибрані матеріали можуть захопити тепло, а не дифузувати його, особливо в обмежених просторах. Некоректна установка - наприклад, ізоляційний бар'єр, який блокує потік повітря - може фактично підвищити температуру прилеглих компонентів. Крім того, тепловідводи додають вагу і вартість, тому життєвий цикл є важливим. Активні системи охолодження споживають енергію і вводять точки обслуговування; вони повинні бути розроблені для витримування суворого електричного середовища (EMI, перехідні) всередині підстанцій.

Органи Стандартів починають вирішувати ці технології. IEEE C57.91 та IEC 60076-12 забезпечують настанову на трансформаторно-тепловий виступ, а майбутні ревізії будуть запропоновані призначати методи випробувань для теплових щитів. Утиліти, що приймають теплові щити, повинні проводити як імітаційні, так і польові випробування для перевірки продуктивності в місцевих умовах.

Висновок

Теплові щити є перевіреним, економічно ефективним шаром захисту від теплових перевантаженнях в електромережах. Від простих відбивних фарб на трансформаторах для передових ПКМ в кабельних сорочках ці технології безпосередньо звертаються до одного з найбільш поширених прекурсорів до збою обладнання і відходів. Як сітки стикаються з зростаючим попитом, більшим поновлювальним проникненням і суворим правилам безпеки, роль теплових щитів буде розширюватися. Інвестування в як пасивний, так і активний тепловий менеджмент—посередний моніторинг і аналітика—це незамінний для побудови пружності, майбутнього-читувальної електромережі.

Для подальшого читання див. до: NREL Термоуправління звітом , , Дослідження на трансформаторних теплових щитів, і ], EPRI кабельний теплопідсилювач .