Wärmeabfuhrdesign für Bodentransformatoren
Während des Betriebs sind bodengebundene Transformatoren typischerweise mit hitzebedingten Problemen konfrontiert:
Um die Wärmeabfuhr zu optimieren, verwendet dieser Artikel die Finite-Elemente-Methode, um ein 3D-Transformator-Modell zu erstellen. Durch die Abbildung von Temperaturfeldverteilungen werden Überhitzungs-Hotspots identifiziert und das Kühlsystemdesign verbessert.
1. Grundlagen des Temperaturfeldes
Ein Temperaturfeld beschreibt räumlich-zeitliche Temperaturvariationen, wobei Wärmeerzeugung, -übertragung und -verteilung eng miteinander verbunden sind. Bei bodengebundenen Transformator entsteht Wärme in Kernen, Wicklungen usw. Die Betriebsbedingungen und -dauern beeinflussen die Wärmemuster, und die Wechselwirkungen zwischen mehreren Medien (Kerne, Wicklungen, Isolierung) erzeugen ungleichmäßige Temperaturverteilungen.
Wärme wird über Leitung (dominant, treibt Wärme von Wicklungen/Kernen durch isolierende Harze zur Umgebungsluft) und Konvektion übertragen. Die Intensität der Leitung korreliert mit Temperaturgradienten – Wärme bewegt sich von heißen Komponenten zu kühlerem Harz und dann in die äußere Luft. Die Berechnungen der Wärmestromdichte lauten wie folgt:
In der Formel: q steht für die Wärmestromdichte; λ steht für die Wärmeleitfähigkeit; ∂t/∂x ist der Temperaturgradient, der die Änderungsrate der Temperatur mit der Entfernung widerspiegelt; n ist der Wärmeumwandlungskoeffizient. Wenn es an verschiedenen Positionen Temperaturunterschiede gibt, zirkuliert die Wärme hauptsächlich, um die Temperatur auszugleichen, und dieser Zustand des Temperaturausgleichs ist die Wärmeleitung. Während des Betriebs eines bodengebundenen Transformators kommt die von verschiedenen Teilen erzeugte Wärme mit Luft in Kontakt und wird zwischen ihnen übertragen, was zu Veränderungen der Temperatur des umgebenden Gases führt. Während dieses Prozesses wird die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung erreicht, die durch die folgende Formel ausgedrückt werden kann:
In der Formel ist h der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient, tf stellt die Flüssigkeitstemperatur dar, und tw stellt die Oberflächentemperatur des Objekts dar. Wenn die Temperatur eines Objekts höher als der absolute Nullpunkt ist, wird Wärmestrahlung erzeugt, die üblicherweise als thermische Strahlung bezeichnet wird. Bei unveränderten anderen Faktoren ändert sich die Menge der zwischen Objekten erzeugten Strahlung, wenn die Temperatur ansteigt (mit der Temperatur, die einen kontinuierlichen Aufwärtstrend aufweist). Während des Betriebs eines bodengebundenen Transformators kommt die Ausrüstung selbst nicht in direkten Kontakt mit thermischer Strahlung; wenn die Temperatur des Transformators stabilisiert ist, erreicht seine Funktion der thermischen Strahlung die Wärmeabfuhr durch thermische Strahlung, und dieser Prozess kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden:
In der Formel steht S für die Strahlfläche, T ist die thermodynamische Temperatur des Objekts, und σ ist die Strahlungskonstante. Bei der Auslegung des Kühlungssystems für bodengebundene Transformator wird hauptsächlich die Finite-Elemente-Methode (FEM) eingesetzt, um thermische Gleichgewichtsgleichungen zu erstellen. Durch Berechnungen kann die Temperatur an jedem Knoten des Objekts bestimmt werden. Dies ist besonders nützlich, um Temperaturpunkte zu messen, die in der Praxis schwer zu erhalten sind, optimale Hotspot-Positionen zu identifizieren und anschließend eine Kopplungsanalyse durchzuführen. Die Kernprinzipien der Zerlegung des Temperaturfeldes mit FEM sind wie folgt:
Diskretisierung des dreidimensionalen physikalischen Bereichs;
Verwendung von Funktionen, um die Temperaturänderungen an jedem Knoten innerhalb des Elements zu beschreiben;
Aufbau der Elementgleichungen;
Zusammenfügen der Elemente und Anwenden externer Erregungen an den Knoten;
Lösen der Gleichungen unter Berücksichtigung der Randbedingungen des Temperaturfeldes;
Berechnen der Temperaturerhöhung an jedem Knoten;
Ableiten der Elementtemperaturerhöhung basierend auf den Gleichungen des Temperaturfeldes.
2 Modellierung und Temperaturfeldsimulation von bodengebundenen Transformator
2.1 Finite-Elemente-Modellierung
Tabelle 1 listet die relevanten Parameter des in diesem Artikel ausgewählten bodengebundenen Transformators. Ein Finite-Elemente-Modell wird auf Basis dieser Parameter erstellt. Anschließend werden vereinfachte Modelle für die Hochspannungswicklung, Niederspannungswicklung und Eisenkern des bodengebundenen Transformators erstellt.
Während der Modellerstellung werden, da die Schweißverbindungen der Hochspannungsausgangsterminals relativ fest sind, diese in der initialen Entwurfsphase nicht berücksichtigt. Zur Vereinfachung wird der Eisenkern als monolithische Struktur modelliert, wobei Laminat-Lücken ignoriert werden (diese werden durch die Eigenschaften von massivem Siliziumstahl berücksichtigt, um die Materialleitfähigkeit zu berücksichtigen). Das 3D-Simulationsmodell des Transformators ist in Abbildung 1 dargestellt.
Um die Auswirkungen der natürlichen Konvektion auf die Wärmeabfuhr zu analysieren, wird dem Simulationsumfeld ein äußeres Luftgebiet (mit Maßen von 5000mm×5000mm×3000mm) hinzugefügt, um realistisch die Luftströmungsmuster um den Transformator herum zu modellieren.
2.2 Gehäusemodell des bodengebundenen Transformators
Die Wicklungen und der Eisenkern werden als Wärmequellen modelliert, wobei ihre Wärmeerzeugungsraten auf Basis der Transformatorendesignparameter berechnet werden. Das Luftgebiet wird mit Druckausgängen an der Oberseite und Einläufen entlang der Unterseite und Seiten konfiguriert, wobei die Umgebungstemperatur auf 300K eingestellt wird. Während der Simulationen werden natürliche Konvektionsparameter durch die Auswahl eines geeigneten Turbulenzmodells basierend auf der Rayleigh-Zahl abgeleitet.
Die Geometrie des Gehäuses (Abbildung 2) wird aufgrund ihrer komplexen Verbundstruktur vereinfacht. Die perforierten Platten des Daches werden ignoriert, und das gesamte Dach wird als zusammenhängendes Luftgebiet behandelt. Poröse Medien werden an den Luftausgängen unter den Dachrinnen platziert, um den Strömungswiderstand zu simulieren. Das Luftgebiet um die Unterstützungsbalken am Boden des Gehäuses wird als vernetzt betrachtet. Eine zusätzliche 155 mm hohe Luftschicht wird unter dem Gehäuse hinzugefügt, um den Einfluss der Fundamentauf die Wärmeabfuhr zu berücksichtigen.
Im aufgestellten Modell gehören die vordefinierten Bodenöffnungen, Dachöffnungen und obere-untere Öffnungen alle zu porösen Medien, mit einer Dicke von 10 mm (wie der gelb-grüne Block in Abbildung 3), um so die Maschplatte zu simulieren. Die Spezifikation der Bodenöffnung beträgt 1450 × 1200 mm², und die Spezifikation der oberen-unteren Öffnungen beträgt 550 × 500 mm². Im Modell sind auch drei Öffnungen und eine Epoxidplatte vorgesehen, und die Öffnungen werden je nach tatsächlicher Situation als offen oder geschlossen bestimmt. Im Allgemeinen, wenn der Bodenmontage-Typ gewählt wird, sind die Dachöffnung, die Epoxidplatte und Öffnung 1 in einem offenen Zustand; wenn der Bodenöffnungstyp gewählt wird, sind die Dachöffnung, die Bodenöffnung und Öffnungen 1/2/3 alle in einem offenen Zustand.
2.3 Analyse der Temperaturfelddistribution
Als Nächstes wird ein Finite-Elemente-Modell durch Vermessen des geometrischen Modells erstellt. Stellen Sie sicher, dass die natürliche Konvektion und die internen Netzmodelle einheitlich sind, und verfeinern Sie die Netze an den Gehäuseöffnungen und Luftgrenzen, um die Berechnungsgenauigkeit zu verbessern. Basierend auf dem geometrischen Modell hat das Finite-Elemente-Modell 401.856 Knoten und 518.647 Netze. Schlüssel-Einstellungen für das Modell des bodengebundenen Transformators:
Mit Finite-Elemente-Software zeigt das Temperaturfeldmodell: Die Wicklungen haben die höchste Temperatur im Transformator, gefolgt vom Eisenkern; die benachbarte Lufttemperatur ist ebenfalls hoch und nimmt während des Luftanstiegs ab, bis sie an der Druckausgangsstelle die Umgebungstemperatur erreicht. Während des Betriebs führt die Expansion der heißen Luft zu Luftansammlungen und Kollisionen zwischen Umgebungsluft und Rohrluft (aufgrund der kontinuierlichen Erwärmung und Volumenerhöhung). Die Luftviskosität beeinflusst die Strömung im Rohr und das Strömungsfeld. Heiße Luft beschleunigt nahe dem Boden und verlangsamt sich weiter entfernt; die Luftströmung-Oberflächenkontakt bildet eine thermische Grenzschicht, die aufgrund ihrer Dicke die Wärmeübertragungskoeffizienten reduziert, die Temperatur und Luftviskosität erhöht und die Strömungsgeschwindigkeit verringert. Heiße Luft verändert die Temperatur über dem Transformator, wobei die Temperatur proportional zur thermischen Strahlung ist.
3 Wärmeabführungsdesign von bodengebundenen Transformator
3.1 Modellanalyse
Bodengebundene Transformator sind in Gehäusen mit hohem Sicherheitsniveau angeordnet. Um eine reibungslose Luftzirkulation innerhalb des Gehäuses sicherzustellen und die Wärmeabführungsleistung des Transformators vollständig auszuschöpfen, müssen Axiallüfter konfiguriert werden, um heiße Luft aus dem Inneren der Ausrüstung abzuführen. Gleichzeitig werden Wärmetauscher außerhalb des Gehäuses installiert, um den Wärmeaustausch zu erreichen. Durch den Wärmeaustausch kann die kontinuierliche Zirkulation der Luft innerhalb des Transformators gefördert werden.
Während des Betriebs von bodengebundenen Transformator entsteht Wärme hauptsächlich in den Wicklungen und Eisenkernen. Daher muss das Design sich auf die Luftströmungszustände dieser beiden Komponenten konzentrieren und die relevanten Elemente integrieren, um das Wärmeabführungsmodell aufzubauen.
3.2 Festlegung der Modellparameter
Für bodengebundene Transformator sind die Unterschiede zwischen den Innenluftparametern und den Temperaturleistungsparametern relativ gering. Beim Auswählen von Siliziumstahlplatten sollte deren Wärmebeständigkeit prioritär sein. Gleichzeitig wird das numerische Verhältnis von Kupferdrähten zu Isolierharz analysiert, um die thermischen Leistungsparameter zu bestimmen.
3.3 Bedingungsdefinition
Der mittlere Druck an der Luftzufuhr- und -abfuhr des bodengebundenen Transformators beträgt einen atmosphärischen Druck. In Verbindung mit der Leistung des Wärmetauschers wird die Temperatur der kalten Luft als Zufuhrbedingung genommen, um ein Finite-Elemente-Modell zu erstellen, und die Symmetrieebene und die Richtung der Luftzufuhr- und -abfuhr werden definiert.
3.4 Ergebnisanalyse
Nachdem das Modell erstellt und die Randbedingungen definiert wurden, werden Berechnungen durchgeführt. Die Analyse zeigt, dass der Luftablass des bodengebundenen Transformators der heißeste Punkt ist, mit einer Temperatur von 394,5K (entsprechend einer Hotspot-Temperatur von 120,5°C). Der heißeste Punkt des Eisenkerns befindet sich weit vom Luftablass entfernt, und die berechnete Hotspot-Temperatur beträgt 110°C. Darüber hinaus weisen Positionen in der Nähe der Luftzuführ- und -abführrungen eine schlechte Wärmeabführung auf.
3.5 Luftzufuhr- und -abführungsanalyse
Simulieren Sie die Änderung der Luftgeschwindigkeit: Wenn die heiße Hochspannungswicklung in der Nähe des Luftablasses eingebaut ist und der Luftablass eine rechtwinklige Struktur hat, beeinflusst dies den Luftdruck, sodass die Luft im Gehäuse dünn wird und die Wärmeabführung ungünstig ist.
Basierend darauf wird das Luftablassdesign optimiert: Der Luftablass wird um etwa 30 cm nach oben verschoben, die Höhe bleibt unverändert, und gleichzeitig wird die Breite des Luftzufuhres (hauptsächlich um 10 cm) reduziert, sodass die Gesamtlänge des Gehäuses um 20 cm erhöht wird. Nach Berechnungen sinken bei diesem Schema die Hotspot-Temperatur und die mittlere Temperatur der Wicklung signifikant. Die Analyse der Luftgeschwindigkeitsverteilung im Luftströmungsfeld zeigt, dass die Luftströmung der Wicklung einen Winkel von 120° aufweist, wenn sie zum Luftablass übertragen wird, was darauf hinweist, dass die Luftströmung glatt ist.
3.6 Zusammenfassung
Bodengebundene Transformator spielen eine entscheidende Rolle im Stromverteilungssystem. Wenn die große Menge an Wärme, die während des Betriebs erzeugt wird, nicht zeitgerecht abgeführt werden kann, kann dies zu Ausfällen führen und die Stabilität des Systems bedrohen. Designer müssen die Wärmeabführungsprobleme von bodengebundenen Transformator gründlich analysieren, die Veränderungen des Temperaturfeldes berücksichtigen, wissenschaftliche Methoden wie die Finite-Elemente-Methode einsetzen, um Wärmeabführungsmodelle zu erstellen, das Kühlungssystem der Ausrüstung zu optimieren und die Gesamtwärmeabführungsleistung zu verbessern.
