Termisk forvaltning design til padmonterede transf...

Under den faktiske drift står kabinettransformatorer over for typiske varme-relaterede problemer:

• Højt temp/høj belastning udløsninger: Udløser let under vedvarende højetemperatur- og højbelsastingsforhold.

• Ventilator- og termostatfejl: Langtidsbrug af ventilatorer forårsager fejl, der skader termostater og blokerer udledningen af varmt luft, hvilket forstyrrer drift.

• Dårlig placering af ventilatorer: Ved montering af ventilatorer på kabinettets top, kræver det strømafbrydelse ved vedligeholdelse/udskiftning; denne layout fanger også varme, hvilket øger indendørs temperatur til brændrisiko-niveauer.

For at optimere varmeafgivelsen anvender dette dokument finit elementanalyse (FEA) til at bygge en 3D-transformatormodel. Ved at kortlægge temperaturfeltfordelinger identificerer det overophedningspunkter og forfines kølesystemdesignet.

1. Grundlæggende om Temperaturfelt

Et temperaturfelt beskriver rumlige- og tidsmæssige temperaturvariationer, med varmegenerering, -overførsel og -fordeling tæt forbundet. For kabinettransformatorer opstår varme i kjerner, viklinger osv. Driftsbetingelser og -varigheder ændrer varmemønstre, og flermedier interaktioner (kjerner, viklinger, isolation) skaber ulige temperaturfordelinger.

Varme overføres gennem konduktion (dominerende, driver varme fra viklinger/kjerner gennem isolerende harz til ambientluft) og konvektion. Konduktionsintensitet korrelerer med temperaturgrader – varme bevæger sig fra varme komponenter til koldere harz, derefter dissiperes til eksterne luft. Varmeflux beregninger følger:

I formlen: q repræsenterer varmefluxdensiteten;λ repræsenterer termisk ledningsevne; ∂t/∂x er temperaturgradienten, der afspejler hastigheden af temperaturændring med afstand; n er varmekonverteringskoefficienten. Når der er temperaturforskelle på forskellige positioner, cirkulerer hovedsageligt varme for at balancere temperaturen, og denne tilstand af temperaturbalance er varmekonvektion. Under drift af en kabinettransformator vil den varme, der genereres af de forskellige dele, komme i kontakt med luften og overføres mellem dem, hvilket forårsager ændringer i temperaturen af det omgivende gas. I denne proces opnås varmeoverførsel gennem varmekonvektion, som kan udtrykkes ved følgende formel:

I formlen, h er konvektionsvarmeoverførselskoefficienten, t_f repræsenterer væsketemperaturen, og t_w repræsenterer temperaturen af objektets overflade. Når et objekts temperatur er højere end absolut nul, genereres strålevarme, normalt kaldet termisk stråling. Med andre faktorer uændrede, vil mængden af stråling, der genereres mellem objekter, ændre sig, når temperaturen stiger (med temperaturen, der bevarer en kontinuerlig opadgående tendens). Under drift af en kabinettransformator kommer udstyret selv ikke i direkte kontakt med termisk stråling; når transformatorens temperatur stabiliseres, vil dets termiske strålingsfunktion opnå varmeafgivelse gennem termisk stråling, og denne proces kan udtrykkes ved følgende formel:

I formlen, S angiver strålende overfladeareal, T er objektets termodynamiske temperatur, og σ er strålingskonstanten. Når man designer kølesystemet for kabinettransformatorer, anvendes primært metoden finit elementanalyse (FEA) til at etablere termiske ligevægtsligninger. Gennem beregninger kan temperaturen på hvert noder af objektet fastlægges. Dette er særdeles nyttigt for at måle temperaturpunkter, der er svære at få i praksis, identificere optimale hotspot-placeringer, og derefter foretage kopplingsanalyse. De grundlæggende principper for at dekomponere temperaturfeltet ved hjælp af FEA er følgende:

• Diskretiser tre-dimensionalt fysisk domæne;

• Brug funktioner til at beskrive temperaturvariationer på ethvert node inden for elementet;

• Konstruér elementligninger;

• Sammenkæd elementerne og anvend eksterne stimuli på nodene;

• Løs ligningerne ved at tage højde for temperaturfeltets randbetingelser;

• Beregne temperaturstigningen på hvert node;

• Afled elementtemperaturstigningen baseret på temperaturfeltsligninger.

2 Modellering og Temperaturfeltsimulation af Kabinettransformatorer
2.1 Finit Element Modellering

Tabel 1 listar de relevante parametre for den kabinettransformator, der er valgt i dette dokument. En finit element model er konstrueret baseret på disse parametre. Herefter etableres forenklet modeller for højspændingsviklingen, lavspændingsviklingen og jernkernen i kabinettransformatoren.

Under modelkonstruktionen, da forbindelserne ved højspændingsviklingens udgangsterminaler er relativt faste, tages de ikke i betragtning i den initielle designfase. For forenkling modelleres jernkernen som en enhed, med mellem-lameller gaps ignoreret (disse gaps behandles ved hjælp af egenskaber for bulk siliciumstål for at tage højde for materialets ledeevne). Den 3D-simulationsmodel af transformator vises i figur 1.

For at analysere effekterne af naturlig konvektion på varmeafgivelse, tilføjes et eksternt luftområde (med dimensioner på 5000mm×5000mm×3000mm) til simuleringsmiljøet, hvilket gør det muligt at realistisk modellere luftstrømningsmønstre omkring transformator.

2.2 Omslutningsmodel af Kabinettransformator

Viklinger og jernkerner modelleres som varmekilder, med deres varmegenerationsrater beregnet baseret på transformator-designparametre. Luftområdet er konfigureret med trykudgangsåbninger øverst og indgangsåbninger fordelt langs bunden og siderne, med en ambient temperatur sat til 300K. Under simulationer er naturlig konvektionsparametre afledt ved at vælge en passende turbulensmodel baseret på Rayleigh-tallet.

Omslutningsgeometrien (figur 2) er forenklet på grund af dens komplekse sammensatte struktur. Tagets perforerede plader ignoreres, og hele taget behandles som et kontinuerligt luftområde. Porøse medier placeres under egnene for at simulere flow-resistens. Luftområdet omkring omslutningens bundstokke anses for at være forbundet. Et yderligere 155 mm-højt luftlag er tilføjet under omslutningen for at tage højde for fundamentets indflydelse på varmeafgivelse.

I den etablerede model hører forhåndsindstillede bundhuller, tophuller og øverst-nederst hul alle til porøse medier, med en tykkelse på 10 mm (som den gul-grønne blok i figur 3), der simulerer maskepladen. Specifikationen for bundhullet er 1450 × 1200 mm², og specifikationen for øverst-nederst huller er 550 × 500 mm². Tre åbninger og en epoxiplade er også sat i modellen, og åbningernes status bestemmes ifølge den reelle situation. Generelt, hvis gulvmonteret type anvendes, er tophullet, epoxipladen og Åbning 1 i åben tilstand; hvis bundhullet type anvendes, er tophullet, bundhullet, og Åbning 1/2/3 alle i åben tilstand.

2.3 Analyse af Temperaturfeltsfordeling

Herefter bygges en finit element model ved at mesh den geometriske model. Sikre enhed af naturlig konvektion og interne mesh-modeller, og forfin meshing ved omslutningshuller og luftgrænseflader for at forbedre beregningspræcision. Baseret på den geometriske model har den finit element model 401.856 noder og 518.647 mesh. Nøgleindstillinger for kabinettransformatormodellen:

• Flydende-strukturgrænseflade: Luftgrænseflade, ingen slip-tilstand for varmebevarelse.

• Adiabatiske overflader: Toppen af taget, siderne af bundstokke, og ekstern luft.

• Varmeledende overflader: Omslutningssider (1mm tyk stålplade), alle omslutningsvægge (2mm tyk stålplade), med øverst åbne huller og nederst lukkede huller.

Med finit element software viser temperaturfeltmodellen: Viklinger har den højeste temperatur i transformator, fulgt af jernkernen; naboskabende lufttemperatur er også høj, falder under luftstigning indtil at matche ambienttemperatur ved trykudgang. Under drift forårsager varmeluft udvidelse luftsamling og kollisioner mellem ambient- og rør-luft (grundet vedvarende opvarmning og volumenstigning). Luftviskositet påvirker rørluftstrøm og strømningfelt. Varmeluft accelererer nær jorden og bremser væk; luftstrøm-overfladekontakt danner en termisk grænseflade, som, pga. sin tykkelse, reducerer varmeoverførselskoefficienter, øger temperatur og luftviskositet mens reducerer strømningshastighed. Varmeluft ændrer temperaturen over transformator, med temperatur proportional med termisk stråling.

3 Kølesystemdesign for Kabinettransformatorer
3.1 Modelanalyse

Kabinettransformatorer er placeret i omslutninger med højt sikkerhedsniveau. For at sikre glat luftcirkulation inden for omslutningen og give fuld spil for transformatorens varmeafgivelsesevne, skal axiale ventilatorer konfigureres for at udled varmeluft fra udstyrets indre. Samtidig installeres køleelementer uden for omslutningen for at opnå varmeoverførsel. Gennem varmeoverførsel kan kontinuerlig cirkulation af luft inden for transformator fremmes.

Under drift af kabinettransformatorer genereres hovedsagelig varme af viklinger og jernkerner. Derfor skal designet fokusere på luftstrømningsstaterne for disse to komponenter og integrere de relevante elementer for at bygge kølesystemmodellen.

3.2 Bestemmelse af Modelparametre

For kabinettransformatorer er forskellen mellem indendørs luftparametre og temperaturperformanceparametre relativt lille. Når siliciumstålark valges, bør deres varmetilstandsperformance prioriteres. Samtidig analyseres numerisk forhold mellem kobbertråde og isolerende harz for at fastlægge termiske performanceparametre.

3.3 Betingelsesopsætning

Gennemsnitstrykket ved luftindgang og -udgang for kabinettransformatoren er et atmosfærisk tryk. I kombination med køleelementets performance, tages temperaturen af kolde luft som indgangsbetingelse til at etablere en finit element model, og symmetriplanen og luftindgang-udgang-retningen defineres.

3.4 Resultatanalyse

Efter at have etableret modellen og sat randbetingelser, udføres beregninger. Analyse viser, at luftudgangen af kabinettransformatoren er den hottest punkt, med en temperatur, der når 394,5K (svarende til en hotspot-temperatur på 120,5℃). Det hottest punkt af jernkernen ligger langt fra luftudgangen, og den beregnede hotspot-temperatur er 110℃. Desuden har positioner tæt på luftindgang og -udgang dårlig varmeafgivelsesevne.

3.5 Indgang og Udgang Luftanalyse

Simuler ændringen i luftstrømningshastighed: Hvis den varme højspændingsvikling er bygget tæt på luftudgangen, og luftudgangen har en retvinklet struktur, påvirker det lufttrykket, hvilket gør luften inden i omslutningen tynd og ugunstig for varmeafgivelse.

Baseret herpå optimeres luftudgangsdesignet: Flyt luftudgangen opad ca. 30 cm, behold højden uændret, og samtidig reducer bredden af luftindgangen (primært reduceret med 10 cm), så den samlede længde af omslutningen øges med 20 cm. Efter beregninger, under dette skema, falder hotspot-temperaturen og gennemsnitstemperaturen af viklingen betydeligt. Ved at analysere luftstrømningshastighedsfordelingen, viser viklingsluftstrømning en 120° vinkel, når den overføres til luftudgangen, hvilket indikerer, at luftstrømningen er glat.

3.6 Sammenfatning

Kabinettransformatorer spiller en afgørende rolle i spændingsføringssystemet. Hvis den store mængde varme, der genereres under drift, ikke kan afkøles hurtigt, kan det sandsynligvis forårsage fejl og truede systemets stabilitet. Designere skal dybt analyse kabinettransformatorers varmeafgivelsesproblemer, kombinere med ændringer i temperaturfeltet, bruge videnskabelige metoder som finit elementmetode til at bygge varmeafgivelsesmodeller, optimere udstyrelsens varmeafgivelsessystem, og forbedre den samlede varmeafgivelseseffektivitet.