Pad-Mounted Transformerlər üçün Termal İdarəetmə Texnologiyası

Faktiki işləmə zamanı, döşəklərə quraşdırılmış transformatorlar adi isti-sualarla üzləşir:

• Yüksək temp/yük səsabəti: Daimi yüksək temperatur və yük şəraitində triplənə bilərlər.

• Fan və termostat arızaları: Uzun müddət fanın istifadəsi funksiyon bozukluqlarına səbəb olur, termostatları zedə edir və isti hava buraxılmasını məhdudlaşdıra bilər, buna görə də işləməni pozdurur.

• Qərbali fan yerləşdirilməsi: Fanların qutunun üstündə yerləşdirilməsi elektriksi yoxlanmaq/sürüşdürmək üçün elektriksinin kəsilməsinə məcbur edir; bu tərz hava istisini də tutacaq və daxili temperaturu qaynaq risk səviyyəsinə çəkə bilər.

İsti buraxılışını optimallaşdırmaq üçün bu məqalə sonlu element analiz metodundan istifadə edərək 3D transformator modeli inkişaf etdirmişdir. Temperatur sahəsinin paylanışını xəritələyərək, isti nöqtələri aşkarlayır və soğutma sisteminin dizaynını yenidən təkmilləşdirir.

1. Temperatur Sahəsinin Əsasları

Temperatur sahəsi fəzada vaxtda olan temperatur dəyişikliklərini təsvir edir, isti nöqtələrinin yaranması, köçürülməsi və paylanması sıx bağlıdır. Döşəklərə quraşdırılmış transformatorlar üçün istilik nüvələrdə, sarımlarda və s. ortaya çıxır. İşləmə şərait və müddətlər istilik modellərini dəyişdirir və çoxortaqa effektivliklər (nüvələr, sarımlar, izolyasiya) təbii temperatur paylanışlarını yaratır.

İstilik konduksiya (əsas, sarımlardan/nüvələrdən izolyasiya rezi vasitəsilə hava atmosferinə qədər istilikin köçürülümünü təmin edir) və konveksiya vasitəsilə köçürülür. Konduksiyanın intensivliyi temperatur gradientləri ilə əlaqəlidir - istilik isti komponentlərdən soyuq rezağa, sonra da xarici havaya köçürülür. İstilik axını hesablamaları aşağıdakı kimi verilir:

Formulada: q istilik axını nisbətini təsvir edir;λ istilik iletikliliyini göstərir; ∂t/∂x temperatur gradientini, məsafə ilə dəyişən temperatur sürətini göstərir; n istilik çevrim koeffisiyentidir. Fərqli məkanlarda temperatur fərqləri varsa, istilik asılıqlı olaraq temperatur balansı üçün dolaşır, və bu durum istilik konveksiyası adlanır. Döşəklərə quraşdırılmış transformatorun işləməsi zamanı, müxtəlif hissələrdən yaranan istilik hava ilə toxunur və onlar arasında köçürülür, bu da ətraf hava temperaturunu dəyişdirir. Bu proses boyunca, istilik axını istilik konveksiyası vasitəsilə baş verir, bu da aşağıdakı formulada ifadə edilir:

Formulada, h konvektiv istilik transfer koeffisiyenti, t_f hava temperaturunu, və t_w obyektin səth temperaturunu təsvir edir. Bir obyektin temperaturu mutlak sıfırdan yüksəkdirsə, istilik yayılışı yarandacaq, ki, adətən istilik radiasyonu adlanır. Başqa amillər sabit qaldıqda, obyektlər arasındakı radiasyon miktari temperatur artıqca dəyişəcəkdir (temperatur daimi bir istiqamətlə artarkən). Döşəklərə quraşdırılmış transformatorun işləməsi zamanı, ehtiyat cihazı özü istilik radiasyonu ilə doğrudan toxunmur; transformatorun temperaturu stabeilləşdikdə, istilik radiasyon funksiyası istilik radiasyonu vasitəsilə istilik buraxımını təmin edəcəkdir, və bu proses aşağıdakı formulada ifadə edilir:

Formulada, S radiasiya səth alanını, T obyektin termodynamik temperaturunu, və σ radiasiya sabitini təsvir edir. Döşəklərə quraşdırılmış transformatorlar üçün istilik buraxım sistemini dizayn etmək zamanı, əsasən sonlu element analizi (FEA) metodu istifadə olunur tərmodinamik tənliklər qurulması üçün. Hesablama vasitəsiylə, obyektin hər bir nodunun temperaturu müəyyənləşdirilə bilər. Bu, praktikada alına bilməyən temperatur nöqtələrini ölçmək, optimal isti nöqtələrin yerini tapmaq və sonra da kombine analiz etmək üçün xüsusi faydalıdır. FEA metodu ilə temperatur sahəsinin dekompozisiyasının əsas prinsipləri aşağıdakı kimi verilir:

• Üç ölçülü fiziki oblastı diskretləşdirin;

• Elementin hər hansı bir nodunda temperatur dəyişikliklərini təsvir edən funksiyalardan istifadə edin;

• Element tənliklərini qurun;

• Elementləri birgə asanlaşdırın və nodlarda xarici stimulları tətbiq edin;

• Temperatur sahə limit şərtlərini nəzərə alaraq tənlikləri həll edin;

• Hər bir nodda temperatur artımını hesablayın;

• Temperatur sahə tənliklərinə əsasən elementin temperatur artımını alın.

2 Döşəklərə Quraşdırılmış Transformatorların Modelinqi və Temperatur Sahəsinin Simulyasiya Etme
2.1 Sonlu Element Modelinqi

Cədvəl 1 bu məqalədə seçilmiş döşəklərə quraşdırılmış transformatorun uyğun parametrlərini sadalayır. Bu parametrlərə əsasən sonlu element modeli inkişaf etdirlər. Sonda, döşəklərə quraşdırılmış transformatorun yüksək voltajlı sarımı, aşağı voltajlı sarımı və demir nüvəsi üçün sadələştirilmiş modeler inkişaf etdirlər.

Model inkişaf etməsi zamanı, yüksək voltajlı sarımın çıxış terminalinin qalın qoşuluşlarının nisbətən güclü olması səbəbindən, ilk dizayn mərhələsində nəzərə alınmır. Sadələşdirmə üçün, demir nüvəsi monolit struktur kimi model edilir, interlaminal boşluqlar nəzərə alınmır (bu boşluqlar, material iletikliliyini nəzərə alaraq, kütləvi silisum dəmirin xassələri vasitəsilə həll edilir). Transformatorun 3D simulyasiya modeli Şəkil 1-də göstərilir.

İsti buraxımın üzərindəki təbii konveksiyanın təsirini təhlil etmək üçün, simulyasiya mühitində 5000mm×5000mm×3000mm ölçülü xarici hava domeni əlavə edilir, bu da transformator etrafında hava axını modelin realistik təsviri imkan verir.

2.2 Döşəklərə Quraşdırılmış Transformatorun Kafesi Modeli

Sarımlar və demir nüvəsi istilik mənbələri kimi model edilir, onların istilik yaradılması nisbəti transformator dizayn parametrlərinə əsasən hesablanır. Hava domeni, üstündə basınlıq çıxışları və alt və yan tərəflərdə dağılmış girişlər ilə tənzimlənir, hava temperaturu 300K olaraq təyin edilir. Simulyasiya zamanı, təbii konveksiya parametrləri Rayleigh ədədinə əsaslanaraq uyğun tərkiblilik modelin seçildikdən sonra alınır.

Kafesin həcmi (Şəkil 2) mürəkkəb kompozit strukturu səbəbindən sadələşdirilir. Tutaq paneli nəzərə alınmır, bütün tutaq təsadüfi hava domeni kimi qəbul edilir. Tutaq altındakı hava çıxışları tərkiblilik ortaqlığına əsaslanaraq model edilir. Kafesin alt tərəfindəki dəstək ləngələri ətrafındakı hava domeni birləşdirilir. Kafesin altına 155mm-yükseklikdə hava tabakası əlavə edilir, bu da temelmanın istilik buraxımına təsirini nəzərə alır.

Qurulmuş modeldə, öncədən təyin edilmiş alt açıqlar, üst açıqlar və üst-alt açıqlar həmçinin tərkiblilik ortaqlığına aid olur, 10 mm qalınlığındadır (məsələn, Şəkil 3-dəki sarı-yaşıl blok), bu da mesh plakanın model edilməsini təmin edir. Alt açığın ölçüsü 1450 × 1200 mm², üst-alt açığın ölçüsü isə 550 × 500 mm²-dir. Modeldə həmçinin üç açıq və epoksid plaka təyin edilmişdir, və açıqların açıq və ya bağlı olmasına faktiki vəziyyətə əsaslanaraq qərar verilir. Ümumiyyətlə, əgər döşəklərə quraşdırılan növ tətbiq edilirsə, üst açıq, epoksid plaka və Açığ 1 açıq vəziyyətdə olacaq; əgər alt açıqlı növ tətbiq edilirsə, üst açıq, alt açıq və Açığ 1/2/3 hər üçü də açıq vəziyyətdə olacaq.

2.3 Temperatur Sahəsinin Paylanışı Analizi

Sonra, geometrik modelin ağlıq modeli inşa edilir. Təbii konveksiyadan və daxili ağ modelindən istifadə edərək, kafes açıqlarında və hava arayüzündə ağlıq təkmilləşdirilir, bu da hesablama dəqiqliyini artırır. Geometrik modele əsasən, sonlu element modeli 401,856 nod və 518,647 ağdan ibarətdir. Döşəklərə quraşdırılmış transformator modeli üçün açıq ayarlar:

• Suyuq-halı arayüzü: Hava arayüzü, istilik saxlamaq üçün sürtünməsiz vəziyyət.

• Adiabatik səthlər: Tutaq üstü, alt dəstək ləngələrinin yan tərəfləri və xarici hava.

• İstilik iletik səthləri: Kafes yan tərəfləri (1mm qalınlığındakı dəmir plita), bütün kafes divarları (2mm qalınlığındakı dəmir plita), üst açıqlar açıq, alt açıqlar bağlı.

Sonlu element proqram paketi ilə, temperatur sahə modeli göstərir: Sarımlar, transformatorun ən yüksək temperaturasına malikdir, ondan sonra demir nüvə gəlir; bitişik hava temperaturu da yüksəkdir, hava yüksələrkən azalır və basınlıq çıxışında hava temperaturu ilə uyğunlaşır. İşləmə zamanı, isti hava genişlənməsi hava yığılmasına və ətraf və kanalların hava arasında toqquşmalara səbəb olur (davamlı istilə və həcm artımı səbəbindən). Havanın viskoziteti kanal axını və axın sahəsini təsir edir. İsti hava yerdən uzaqlaşdıqca sürətini artırır; hava axını və səthin kontaktı istilik sinir tabakasını yaradır, bu da qalınlığından dolayı istilik transfer koeffisiyentini azaldır, temperaturu və hava viskozitesini artırır, axın sürətini azaldır. İsti hava transformatorun üstündəki temperaturu dəyişdirir, bu temperatur istilik radiasyonuna mütənasibdir.

3 Döşəklərə Quraşdırılmış Transformatorların İstilik Buraxım Dizaynı
3.1 Model Analizi

Döşəklərə quraşdırılmış transformatorlar yüksək təhlükəsizlik səviyyəsinə malik kafeslər içində yerləşdirilir. Kafesin daxilində hava dolaşmasının düzgün olmasına və transformatorun istilik buraxım performansının tamamilə göstərilməsinə diqqət yetirilməlidir, bu səbəbdən, isti hava ehtiyat cihazının daxilindən atılmaları üçün aksial hava fanları təyin edilməlidir. Eyni zamanda, kafesin xaricində istilik buraxım aparatları quraşdırılır, bu da istilik dəyişməsinin təmin edilə biləcəyi təmin edir. İstilik dəyişmə vasitəsiylə, transformatorun daxilində hava daimi dolaşımını təmin edə bilərsiniz.

Döşəklərə quraşdırılmış transformatorların işləməsi zamanı, istilik əsasən sarımlar və demir nüvələr tərəfindən yaranır. Buna görə, dizayn bu iki komponentin hava axını vəziyyətlərinə diqqət yetirir və istilik buraxım modelini qurmaq üçün ilgili elementləri birləşdirir.

3.2 Model Parametrlərinin Məlumatlandırma

Döşəklərə quraşdırılmış transformatorlar üçün, daxili hava parametrləri və temperatur performans parametrləri arasındakı fərqlər nisbətən kiçikdir. Silisum dəmir ləvheçilərini seçmə zamanı, onların istilik dayanıklılığı performansına diqqət yetirilməlidir. Eyni zamanda, məsələn, miskin və izolyasiya rezi arasındakı rəqəmsal nisbət istilik performans parametrlərini müəyyən etmək üçün analiz edilir.

3.3 Şərait Təyin Etme

Döşəklərə quraşdırılmış transformatorun hava giriş və çıxışının orta basınlığı bir atmosferdir. İstilik buraxım aparatının performansı ilə birləşdirilərək, soyuq hava temperaturu giriş şəraitinə əsaslanaraq sonlu element modeli qurulur və simetriya səthi və hava giriş-çıxış istiqaməti təyin edilir.

3.4 Nəticələrin Analizi

Modelin qurulması və limit şərtlərinin təyin edilməsi ardından, hesablamalar aparılır. Analiz göstərir ki, döşəklərə quraşdırılmış transformatorun hava çıxışı ən isti nöqtədir, temperaturu 394.5K (müvafiq isti nöqtə temperaturu 120.5℃) çəkə bilər. Demir nüvənin ən isti nöqtəsi hava çıxışından uzaqdır, və hesablanmış isti nöqtə temperaturu 110℃-dir. Hava giriş və çıxışlarına yaxın olan məkanlar istilik buraxım performansı xəsarətdədir.

3.5 Hava Giriş və Çıxış Analizi

Hava axını sürətinin dəyişməsini simulasiya edin: Əgər isti yüksək voltajlı sarım hava çıxışına yaxın yerləşdirilib və hava çıxışı dik strukturda olsa, hava basınlığına təsir edəcək, bu da kafesin daxilində hava seyrək və istilik buraxım üçün faydasız olacaq.

Bu əsasda, hava çıxışı dizaynını optimallaşdırın: Hava çıxışını təxminən 30sm yuxarıya köçürün, hündürlüyü dəyişməyin, və eyni zamanda hava girişinin enini azaltın (əsasən 10sm azaltın), bu da kafesin ümumi uzunluğunu 20sm artıracaq. Hesablamalara görə, bu şəkildə, sarımın isti nöqtə temperaturu və orta temperaturu nəticəsən azalır. Hava axını sahəsinin sürət paylanışını analiz edərək, sarım hava axını hava çıxışına köçürülərkən 120° bucağı göstərir, bu da hava axınının pərəzli olduğunu göstərir.

3.6 Xülasə

Döşəklərə quraşdırılmış transformatorlar elektrik paylanma sisteminin böyük rol oynayır. Əgər işləmə zamanı yaranan istilik daimi olaraq buraxılmazsa, bu, arızalara səbəb olaraq sistemin stabilliyinə təhdi