ユーザー事例集

Pinggao グループは, COMSOLMultiphysics® シミュレーションソフトウェアを使用して, ガス絶縁された金属で囲まれた開閉装置(GIS)の開発を加速し, 開発コストを大幅に削減しました. さらに, 組織内の部門横断的なチームのコラボレーションを合理化するシミュレーションアプリケーションを構築しました.

Yuhang Qin, Dr. Bo Zhang 著
2019年12月

電力エネルギーの需要の増加により, 電力グリッドのサイズが拡大し, より多くの電気機器を使用する必要が出てきました. トランスフォーマーサブステーションは電力システムの重要な部分であり, 人々の日常生活に直接影響を与えます. その主な機能は, 電圧を変換するだけでなく, 電気エネルギーを受け取って分配することも含まれます. 送電線の電力損失を最小限に抑えるために, 変電所はトランスフォーマーサブステーションを使用して電圧を上げてから長距離に送電します. 目的地に到着したら, 配電前に別のトランスフォーマーサブステーションで電圧を下げて, 消費者の安全を確保する必要があります.

従来のトランスフォーマーサブステーションには, 機能に応じて様々な部屋に配置された多数の電気部品が含まれています. 絶縁媒体として空気が使用されるため, 隙間のスペースが絶縁要件を満たすように, トランスフォーマーサブステーション内の部品は互いに離れて配置されます.

したがって, この種のトランスフォーマーサブステーションには非常に大きな設置面積が必要です. さらに, 多くの部品は過酷な環境にさらされているため, メンテナンスの作業負荷が大きくなります.

A photograph of a gas-insulated switchgear.

Figure 1. 1100-kV GIS. Image courtesy of Pinggao Group.

1100 kV GIS. Pinggao Group 提供の画像.

現代的なタイプの高電圧配電装置である, ガス絶縁された金属で囲まれた開閉装置(図1に示されているGIS)は, これらの問題に対処するのに役立ちます. 強化された設計と特別な絶縁ガスにより, GISは変圧器を除くサブステーションの全ての部品をコンパクトに統合します. GISは, 従来のサブステーションと比較して, フットプリントが小さく経済的, 全体のサイズが小さい, 信頼性が高い, 保守要件が少ないなど, 多くの利点があり, 近年広く使用されています.

一般的にGISは従来のサブステーションより信頼性が高くなりますが, ロッドなどの固体絶縁部品の表面に蓄積された電荷は, 長期間の運転後に絶縁不良につながり, 深刻な安全上の問題を引き起こす可能性があります. ただし, 全ての部品が系内に囲まれていて, 障害が見えなくなるため, GISの誤動作を割り当てて修復することは非常に困難です. 中国国家格子公司の子会社であるPinggao Group は, マルチフィジックスシミュレーションを使用して, 効率的で安定した信頼性の高いGISを開発するために可能な解決策を調査しています.

GIS絶縁不良の分析

GISは断熱性が高いため, 従来のサブステーションよりもはるかに小さくなります. 系の全ての部品は, 絶縁のために合成不活性ガスである六フッ化硫黄(SF6)で満たされた接地金属シェルに囲まれています. このガスを使用する理由は, その絶縁および消弧能力が空気よりもはるかに高いためです. したがって, GIS内の部品間の距離を大幅に短縮できます.

GISが長時間実行されると, 絶縁ガスと固体絶縁部品の間の界面に電荷が蓄積されます. 電荷が一定のレベルに達すると, 高電圧が発生して, 異なる部品間のガス絶縁を破壊します. 放電も固体絶縁体の表面に沿って放出されます. 部分放電の後, イオン化された絶縁ガスと金属部品は分解された粒子を生成し, 絶縁部品の故障を引き起こします. 絶縁不良は一般的な問題であり, GISのエンジニアリング用途を制限します. この故障のメカニズムは, 電磁気学, 熱伝達, 構造力学などの複数の物理現象のカップリングに関連する複雑な問題です. さらに, GISプロトタイプの構築は非常に高価であり, 問題の実際の原因を発見するにはいくつかの実験が必要であるため, 実験を使用してこの問題を調査することは困難でありコストもかかります. 潜在的な問題をすばやく診断し, テストのコストを削減するために, Pinggao グループのエンジニアはソフトウェアを使用してGIS機器の絶縁不良を分析しました. Pinggao グループのシニアエンジニアであるBo Zhang 博士は次のように説明します. 「COMSOL®を使用すると, より少ない反復で潜在的な問題をより迅速に求解し, テストコストを大幅に削減できます. 例えば, 1100 kVのブッシングテストでは, 1つのテストを削減することで150万ドルを節約できます.」

Pinggao グループのエンジニアは数値モデルを作成し, DC電圧と表面電荷の蓄積の下でGIS設計の気固絶縁システムの電界分布を計算しました. モデルは, 高電圧電極, 低電圧電極, 絶縁体, 金属インサートで構成されています(図2左). これらの部品は, 0.4 MPaの絶対圧力でSF6ガスに囲まれ, さらに100 kVが高圧電極に印加されます. 図2(右)に示すように, 電界分布が得られます.

The electric field distribution of the GIS insulation system.

Figure 2. Left: Cross-sectional view of the geometry for the GIS insulation system component. Right: DC electric field distribution in the insulator and its surroundings when 100 kV is applied.

左：GIS断熱システム部品のジオメトリの断面図. 右：100 kVが印加されたときの絶縁体とその周囲のDC電界分布.

固体絶縁媒体の電荷密度は, 材料の誘電率と導電率に依存します. 正と負のイオンが電界下でガス中をドリフトし, 濃度勾配により拡散するため, ガス領域の導電率は非常に非線形です. 電荷は, 導電率と誘電率が不連続である気固界面に蓄積されます.イオン分布の変化は, 元の電界の歪みをさらに引き起こし, したがって, DC電界の絶縁体を弱くします.

Zhang 博士と彼のチームは, 絶縁体中の正イオンと負イオンの濃度分布をシミュレーションしました(図3). 彼らはまた, ガス領域内の異なる間隔での粒子濃度分布とガス伝導率の不均一な空間分布を計算しました. これは, 系の断熱効果を改善するのに役立ちます.

COMSOL Multiphysics results showing the negative and positive ion distribution in a GIS component.

Figure 3. The distribution of the negative (left) and positive (right) ions on the GIS insulation system component.

GIS断熱システムコンポーネントでのマイナス(左)イオンとプラス(右)イオンの分布.

伝導率シミュレーションの結果に基づいて, 表面電位と表面電荷を, 加えられた圧力の関数として求めました(図4). 電荷の蓄積は時間の経過とともに増加し, 約107秒(約3000時間)後に定常状態に達することがわかります.

Side-by-side plots of the surface potential and charge density for the GIS insulator.

Figure 4. Surface potential (left) and charge density (right) of the insulator as a function of time.

時間の関数としての絶縁体の表面電位(左)と電荷密度(右).

GISの絶縁設計を改善するために, ガスイオンの生成率と分布(固体絶縁の体積など), および表面に蓄積された電荷の極性と分布に影響を与える可能性のある要因も解析しました. シミュレーション結果に基づいて, Zhang 博士と彼のチームは, 絶縁体の形状と材料特性を最適化し, 設計変更を検証して特定の領域の電界を低減し, 表面電荷の蓄積を最小限に抑えることができました.

マルチフィジックスシミュレーションを使用したGIS設計の最適化

GISを最適化するときに考慮する必要があるもう1つの重要な問題は, 温度制御です. GIS機器の操作中, バスに電流が流れるとかなりの量のジュール熱が発生し(さらに絶縁するために使用される単純なバリア)内部温度が上昇し, 過熱により様々な内部部品の故障につながる可能性があります. したがって, バスの温度上昇と放熱を制御することは, GIS機器のパフォーマンスを向上させる効果的な方法です.

Zhang 博士とエンジニアリングチームは, GISでバスの温度変動を分析するためのソフトウェアでマルチフィジックスモデルを作成しました(図5を参照). モデルは, 伝導,対流, 放射などの様々な熱伝達方法による熱放散を計算します. 装置の内部温度分布の定常状態は, 装置の抵抗加熱と熱放散に従って推定されます.

A schematic showing the transfer of heat in a GIS bus.

Figure 5. Schematic of the heat transfer of the bus in the GIS design.

GIS設計におけるバスの熱伝達の概略図.

温度上昇のシミュレーション結果は, GISの設計中に開発チームが製品の温度上昇を正確に推定するのに役立ちました. さらに, 機器の温度上昇によって引き起こされる可能性のある様々な過熱障害を回避するために, 材料タイプ, 製品サイズ, 構造レイアウトなどの様々な設計パラメータを最適化することができました.

シミュレーションアプリケーションの組織的な利点

Pinggao のGIS製品の設計者は, 開発プロセスで設計パラメーターを変更する必要があることがよくあります. 彼らはかつて, 開発チームのシミュレーションエンジニアのところに行き, 簡単なパラメーターを変更する場合でも, アイデアをテストしなければなりませんでした. 次に, シミュレーションエンジニアは各要件の基になるモデルのパラメーターを調整する必要があり, その結果, 多くの反復作業とプロジェクトの遅延が発生していました.

組織のより多くの人々がシミュレーションを活用することができるように, Pinggao グループのエンジニアは COMSOL® ソフトウェアのアプリケーションビルダーを使用して, GIS温度上昇モデルをシミュレーションアプリケーションにすばやく変換しました(図6を参照). したがって, 全ての製品設計者は, アプリケーションにパラメーターを入力するだけで電力と温度の変動を簡単に計算し, シミュレーション結果に基づいて製品を最適化できます. Pinggao グループの製品設計者, 設計エンジニア, および運用スタッフは, この使いやすいアプリケーションを使用して, 共通のプラットフォームでGISを開発および保守できるようになりました. シミュレーションのアクセシビリティにより, 組織内の様々な部門が互いに協力しやすくなります. 「シミュレーションアプリケーションは, 経験と知識の共有の継承を大幅に強化します. これで, 組織全体がシミュレーション分析によって提供される利点から利益を得ることができます」とZhang 博士は説明します.

A screenshot of a simulation application for temperature rise in the GIS bus.

Figure 6. Simulation application for analyzing the GIS bus temperature rise.

GISバスの温度上昇を分析するためのシミュレーションアプリケーション.

Pinggao グループは現在, クラウドコンピューティングに基づく高電圧開閉装置シミュレーションアプリケーションを開発しています. シミュレーションチームはマルチフィジックスシミュレーションを使用して高電圧開閉装置の詳細な調査を実施することにより, 製品設計者がより優れたパフォーマンスでGIS製品を開発できるよう支援したいと考えています.

A photograph of the simulation team at Pinggao Group.

Pinggao Group Technology Center, 左から右へ: Hao Zhang, Gang Wang, Zhijun Wang, Yapei Liu, Yujing Guo, Bo Zhang, Xiangyu Hao, Yongqi Yao.

ダウンロード

Pinggao_MS19.pdf - 0.99MB