Disseny de gestió tèrmica per a transformadors encastrats
Durant la operació real, els transformadors de paquet encaixat es troben amb problemes típics relacionats amb el calor:
Per optimitzar la dissipació de calor, aquest document utilitza l'anàlisi d'elements finits per construir un model 3D del transformador. Mitjançant la cartografia de les distribucions del camp de temperatura, identifica punts calents d'escalfament excessiu i refina el disseny del sistema de refrigeració.
1. Bases del Camp de Temperatura
Un camp de temperatura descriu les variacions espacials i temporals de la temperatura, amb la generació, transferència i distribució de calor estretament acoblades. Per als transformadors de paquet encaixat, el calor prové dels nuclis, bobines, etc. Les condicions d'operació/durada alteren els patrons de calor, i les interaccions multimèdia (nuclis, bobines, aïllament) creen distribucions de temperatura irregulars.
La transferència de calor es produeix mitjançant la conducció (dominant, impulsant el calor des de les bobines/nuclis a través de la resina aïlladora cap a l'aire ambiental) i la convecció. La intensitat de la conducció es correlaciona amb els gradients de temperatura—el calor es mou des de les components calentes a la resina més fresca, després es dissipa a l'aire extern. Els càlculs de flux de calor segueixen:
En la fórmula: q representa la densitat de flux de calor;λ representa la conductivitat tèrmica; ∂t/∂x és el gradient de temperatura, reflectint la taxa de canvi de temperatura amb la distància; n és el coeficient de conversió de calor. Quan hi ha diferències de temperatura en diferents posicions, el calor circula principalment per equilibrar la temperatura, i aquest estat d'equilibri tèrmic és la convecció. Durant l'operació d'un transformador de paquet encaixat, el calor generat per les diverses parts entrarà en contacte amb l'aire i es transferirà entre elles, causant canvis en la temperatura del gas ambient. Durante aquest procés, la transferència de calor es aconsegueix mitjançant la convecció, que es pot expressar amb la següent fórmula:
En la fórmula, h és el coeficient de transferència de calor per convecció, tf representa la temperatura del fluid, i tw representa la temperatura de la superfície de l'objecte. Quan la temperatura d'un objecte és superior a zero absolut, es genera radiació calorífica, sovint anomenada radiació tèrmica. Amb altres factors invariables, la quantitat de radiació generada entre objectes canviarà a mesura que la temperatura augmenti (amb la temperatura mantinguent una tendència continuada ascendent). Durant l'operació d'un transformador de paquet encaixat, l'equip no entra en contacte directe amb la radiació tèrmica; quan la temperatura del transformador es stabilitzar, la seva funció de radiació tèrmica aconseguirà la dissipació de calor mitjançant la radiació tèrmica, i aquest procés es pot expressar amb la següent fórmula:
En la fórmula, S denota l'àrea de radiació, T és la temperatura termodinàmica de l'objecte, i σ és la constant de radiació. En el disseny del sistema de dissipació de calor per a transformadors de paquet encaixat, es fa servir principalment el mètode d'anàlisi d'elements finits (FEA) per establir equacions d'equilibri tèrmic. A través de càlculs, es pot determinar la temperatura a cada node de l'objecte. Això és particularment útil per a mesurar punts de temperatura que són difícils d'obtenir en la pràctica, identificar ubicacions òptimes de punts calents, i després realitzar anàlisis de couplament. Els principis bàsics de la descomposició del camp de temperatura mitjançant FEA són els següents:
Discretitzar el domini físic tridimensional;
Utilitzar funcions per descriure les variacions de temperatura a qualsevol node dins de l'element;
Construir equacions d'element;
Assemblar els elements i aplicar excitacions externes als nodes;
Resoldre les equacions tenint en compte les condicions de frontera del camp de temperatura;
Calcular l'increment de temperatura a cada node;
Derivar l'increment de temperatura de l'element basant-se en les equacions del camp de temperatura.
2 Modelització i Simulació del Camp de Temperatura dels Transformadors de Paquet Encaixat
2.1 Modelització d'Elements Finits
La Taula 1 llista els paràmetres rellevants del transformador de paquet encaixat seleccionat en aquest document. Es construeix un model d'elements finits basat en aquests paràmetres. Posteriorment, es estableixen models simplificats per a la bobina de tensió alta, la bobina de tensió baixa i el nucli de ferro del transformador de paquet encaixat.
Durant la construcció del model, ja que les connexions soldades de les terminacions de sortida de la bobina de tensió alta són relativament fermes, no es prenen en compte en la fase inicial de disseny. Per simplificar, el nucli de ferro es modela com una estructura monolítica, ignorant les fentes interlaminares (aquestes fentes es tracten mitjançant les propietats de l'acer siliciós massiu per comptar amb la conductivitat del material). El model de simulació 3D del transformador es mostra en la Figura 1.
Per analitzar els efectes de la convecció natural sobre la dissipació de calor, s'afegeix un domini d'aire extern (amb dimensions de 5000mm×5000mm×3000mm) a l'ambient de simulació, permetent una modelització realista dels patrons d'aire al voltant del transformador.
2.2 Model de Closca del Transformador de Paquet Encaixat
Les bobines i el nucli de ferro es modelen com fonts de calor, amb les seves taxes de generació de calor calculades basant-se en els paràmetres de disseny del transformador. El domini d'aire es configura amb outlets de pressió a la part superior i inlets distribuïts a la part inferior i costats, mantenint una temperatura ambient fixada a 300K. Durante les simulacions, els paràmetres de convecció natural es derivan seleccionant un model de turbulència apropiat basant-se en el número de Rayleigh.
La geometria de la closca (Figura 2) es simplifica degut a la seva complexa estructura composta. Les panells perforats del teulat es negligencien, tractant tot el teulat com un domini d'aire continu. S'hi col·loquen medis porosos als outlets d'aire sota les eves per simular la resistència al flux. El domini d'aire al voltant de les bigues de suport inferiors de la closca es considera interconnectat. Es afegeix una capa d'aire addicional d'155 mm d'alçada sota la closca per tenir en compte l'impacte de la fundació en la dissipació de calor.
En el model establert, els forats inferiors preestablerts, els forats superiors i els forats superiors-inferiors pertanyen tots a medis porosos, amb un gruix de 10 mm (com el bloc verd-groc de la Figura 3), així simulant la placa de grella. La especificació del forat inferior és 1450 × 1200 mm², i la especificació dels forats superiors-inferiors és 550 × 500 mm². També s'estableixen tres obertures i una placa d'epoxi en el model, i les obertures es determinen en un estat obert o tancat segons la situació real. Generalment, si es adopta el tipus de suport al sol, el forat superior, la placa d'epoxi i l'Obertura 1 estan en un estat obert; si es adopta el tipus de forat inferior, el forat superior, el forat inferior i les Obertures 1/2/3 estan totes en un estat obert.
2.3 Anàlisi de la Distribució del Camp de Temperatura
A continuació, es construeix un model d'elements finits tramant el model geomètric. Assegura la unitat de la convecció natural i els models de tramat intern, i refinant el tramat en els forats de la closca i les interfícies d'aire per millorar la precisió del càlcul. Basant-se en el model geomètric, el model d'elements finits té 401.856 nodes i 518.647 trams. Configuracions clau per al model de transformador de paquet encaixat:
Fent servir programari d'elements finits, el model de camp de temperatura mostra: Les bobines tenen la temperatura més alta en el transformador, seguides pel nucli de ferro; la temperatura de l'aire adjacent també és alta, disminuint durant l'elevació de l'aire fins a igualar la temperatura ambient a la sortida de pressió. Durante l'operació, l'expansió de l'aire calent provoca l'accumulació d'aire i col·lisions entre l'aire ambiental i l'aire del ducte (a causa del calentament continu i l'augment de volum). La viscositat de l'aire afecta el flux del ducte i el camp de flux. L'aire calent s'accelera proper al terra i es desacelera allunyant-se; el contacte del flux d'aire amb la superfície forma una capa límit tèrmica, que, degut al seu gruix, redueix els coeficients de transferència de calor, augmentant la temperatura i la viscositat de l'aire mentre disminueix la velocitat del flux. L'aire calent altera la temperatura per sobre del transformador, amb la temperatura proporcional a la radiació tèrmica.
3 Disseny de Dissipació de Calor dels Transformadors de Paquet Encaixat
3.1 Anàlisi del Model
Els transformadors de paquet encaixat es disposen dins de closes amb un nivell d'alta seguretat. Per assegurar una circulació d'aire suau dins de la closca i donar ple rendiment a la capacitat de dissipació de calor del transformador, cal configurar ventiladors de flux axial per evacuar l'aire calent de l'interior de l'equip. Alhora, es instal·len aletes de refrigeració fora de la closca per aconseguir un intercanvi de calor. A través de l'intercanvi de calor, es pot promoure la circulació contínua de l'aire dins del transformador.
Durant l'operació dels transformadors de paquet encaixat, el calor es genera principalment pels nuclis i bobines. Per tant, el disseny ha de centrar-se en els estats de flux d'aire d'aquests dos components i integrar els elements rellevants per construir el model de dissipació de calor.
3.2 Determinació dels Paràmetres del Model
Per als transformadors de paquet encaixat, les diferències entre els paràmetres d'aire interior i els paràmetres de rendiment tèrmic són relativament petites. En seleccionar fulles d'acer siliciós, s'ha de prioritzar el seu rendiment tèrmic. Alhora, s'analitza la raó numèrica de fils de cobre a resina aïlladora per determinar els paràmetres de rendiment tèrmic.
3.3 Establiment de Condicions
La pressió mitjana a l'inlet i l'outlet d'aire del transformador de paquet encaixat és una pressió atmosfèrica. Combinant amb el rendiment de l'aleta de refrigeració, la temperatura de l'aire fred s'utilitza com a condició d'inlet per establir un model d'elements finits, i es defineix el pla de simetria i la direcció d'inlet-outlet d'aire.
3.4 Anàlisi dels Resultats
Després d'establir el model i definir les condicions de frontera, es duen a terme els càlculs. L'anàlisi mostra que l'outlet d'aire del transformador de paquet encaixat és el punt més calent, amb una temperatura que arriba a 394,5K (corresponent a una temperatura de punt calent de 120,5℃). El punt més calent del nucli de ferro està lluny de l'outlet d'aire, i la temperatura de punt calent calculada és 110℃. A més, les posicions properes a l'inlet i l'outlet d'aire tenen un rendiment de dissipació de calor deficient.
3.5 Anàlisi de l'Aire d'Inlet i Outlet
Simuleu el canvi de la velocitat del flux d'aire: Si la bobina de tensió alta calenta es construeix a prop de l'outlet d'aire i l'outlet d'aire té una estructura d'angle recte, això afectarà la pressió de l'aire, fent que l'aire dins de l'encapsulament sigui fin i desfavorable per a la dissipació de calor.
Basant-se en això, optimitzeu el disseny de l'outlet d'aire: Moure l'outlet d'aire cap amunt uns 30 cm, mantenint l'alçada sense canvis, i simultàniament reduir l'amplada de l'inlet d'aire (principalment reduir 10 cm), de manera que la longitud total de la closca augmenti 20 cm. Després del càlcul, en aquest esquema, la temperatura de punt calent i la temperatura mitjana de la bobina disminueixen significativament. Analitzant la distribució de la velocitat del camp de flux d'aire, el flux d'aire de la bobina mostra un angle de 120° quan es transfereix a l'outlet d'aire, indicant que el flux d'aire és suau.
3.6 Resum
Els transformadors de paquet encaixat juguen un paper crucial en el sistema de distribució d'energia. Si la gran quantitat de calor generada durant l'operació no es pot dissipar a temps, és probable que provoqui falles i amenace la stabilitat del sistema. Els dissenyadors necessiten analitzar profundament els problemes de dissipació de calor dels transformadors de paquet encaixat, combinar amb els canvis del camp de temperatura, utilitzar mètodes científics com l'anàlisi d'elements finits per construir models de dissipació de calor, optimitzar el sistema de dissipació de calor de l'equip, i millorar l'eficiència general de la dissipació de calor.
