Diseño de Gestión Térmica para Transformadores de Piso
Durante la operación real, los transformadores de poste enfrentan problemas típicos relacionados con el calor:
Para optimizar la disipación de calor, este documento utiliza el análisis por elementos finitos para construir un modelo 3D del transformador. Al mapear las distribuciones del campo de temperatura, identifica puntos calientes de sobrecalentamiento y refina el diseño del sistema de enfriamiento.
1. Fundamentos del Campo de Temperatura
Un campo de temperatura describe las variaciones espaciotemporales de la temperatura, con la generación, transferencia y distribución de calor estrechamente vinculadas. Para los transformadores de poste, el calor se origina en núcleos, bobinados, etc. Las condiciones/duraciones de operación alteran los patrones de calor, y las interacciones multimedios (núcleos, bobinados, aislamiento) crean distribuciones de temperatura desiguales.
El calor se transfiere por conducción (dominante, impulsando el calor desde los bobinados/núcleos a través de la resina aislante al aire ambiente) y convección. La intensidad de la conducción está correlacionada con los gradientes de temperatura—el calor se mueve de los componentes calientes a la resina más fría, luego se disipa en el aire externo. Los cálculos de flujo de calor siguen:
En la fórmula: q representa la densidad de flujo de calor; λ representa la conductividad térmica; ∂t/∂x es el gradiente de temperatura, reflejando la tasa de cambio de temperatura con la distancia; n es el coeficiente de conversión de calor. Cuando hay diferencias de temperatura en diferentes posiciones, el calor principalmente circula para equilibrar la temperatura, y este estado de equilibrio térmico es la convección de calor. Durante la operación de un transformador de poste, el calor generado por diversas partes entrará en contacto con el aire y se transferirá entre ellos, causando cambios en la temperatura del gas circundante. Durante este proceso, la transferencia de calor se logra a través de la convección de calor, que puede expresarse mediante la siguiente fórmula:
En la fórmula, h es el coeficiente de transferencia de calor convectivo, tf representa la temperatura del fluido, y tw representa la temperatura de la superficie del objeto. Cuando la temperatura de un objeto es mayor que el cero absoluto, se genera radiación de calor, generalmente llamada radiación térmica. Con otros factores invariables, la cantidad de radiación generada entre objetos cambiará a medida que la temperatura aumente (con la temperatura manteniendo una tendencia continua hacia arriba). Durante la operación de un transformador de poste, el equipo en sí no entra en contacto directo con la radiación térmica; cuando la temperatura del transformador se estabiliza, su función de radiación térmica logrará la disipación de calor a través de la radiación térmica, y este proceso puede expresarse mediante la siguiente fórmula:
En la fórmula, S denota el área de la superficie de radiación, T es la temperatura termodinámica del objeto, y σ es la constante de radiación. Al diseñar el sistema de disipación de calor para los transformadores de poste, se emplea principalmente el método de análisis por elementos finitos (FEA) para establecer ecuaciones de equilibrio térmico. A través de cálculos, se puede determinar la temperatura en cada nodo del objeto. Esto es particularmente útil para medir puntos de temperatura que son difíciles de obtener en la práctica, identificar ubicaciones óptimas de puntos calientes, y luego realizar un análisis de acoplamiento. Los principios fundamentales de la descomposición del campo de temperatura utilizando FEA son los siguientes:
Discretizar el dominio físico tridimensional;
Usar funciones para describir las variaciones de temperatura en cualquier nodo dentro del elemento;
Construir ecuaciones de elementos;
Ensamblar los elementos y aplicar excitaciones externas en los nodos;
Resolver las ecuaciones considerando las condiciones de frontera del campo de temperatura;
Calcular el aumento de temperatura en cada nodo;
Derivar el aumento de temperatura del elemento basándose en las ecuaciones del campo de temperatura.
2 Modelado y Simulación del Campo de Temperatura de Transformadores de Poste
2.1 Modelado por Elementos Finitos
La tabla 1 enumera los parámetros relevantes del transformador de poste seleccionado en este documento. Se construye un modelo de elementos finitos basado en estos parámetros. Posteriormente, se establecen modelos simplificados para el bobinado de alta tensión, el bobinado de baja tensión y el núcleo de hierro del transformador de poste.
Durante la construcción del modelo, ya que las conexiones soldadas de los terminales de salida del bobinado de alta tensión son relativamente firmes, no se tienen en cuenta en la fase inicial de diseño. Para simplificar, el núcleo de hierro se modela como una estructura monolítica, ignorando las brechas interlaminares (estas brechas se abordan mediante las propiedades del acero silicio macizo para tener en cuenta la conductividad del material). El modelo de simulación 3D del transformador se muestra en la Figura 1.
Para analizar los efectos de la convección natural en la disipación de calor, se agrega un dominio de aire externo (con dimensiones de 5000mm×5000mm×3000mm) al entorno de simulación, permitiendo un modelado realista de los patrones de flujo de aire alrededor del transformador.
2.2 Modelo de Caja de Transformador de Poste
Los bobinados y el núcleo de hierro se modelan como fuentes de calor, con sus tasas de generación de calor calculadas según los parámetros de diseño del transformador. El dominio de aire se configura con salidas de presión en la parte superior e inlets distribuidos a lo largo de la parte inferior y laterales, manteniendo una temperatura ambiente establecida en 300K. Durante las simulaciones, los parámetros de convección natural se derivan seleccionando un modelo de turbulencia apropiado basado en el número de Rayleigh.
La geometría de la caja (Figura 2) se simplifica debido a su compleja estructura compuesta. Las placas perforadas del techo se omiten, tratando todo el techo como un dominio de aire continuo. Se colocan medios porosos en las salidas de aire bajo los aleros para simular la resistencia al flujo. El dominio de aire alrededor de los soportes inferiores de la caja se considera interconectado. Se añade una capa adicional de aire de 155 mm de altura debajo de la caja para tener en cuenta el impacto de la fundación en la disipación de calor.
En el modelo establecido, los orificios inferiores preestablecidos, los orificios superiores y los orificios superior-inferior pertenecen a medios porosos, con un grosor de 10 mm (como el bloque amarillo-verde en la Figura 3), simulando así la placa de malla. La especificación del orificio inferior es 1450 × 1200 mm², y la especificación de los orificios superior-inferior es 550 × 500 mm². También se establecen tres aberturas y una placa de epoxi en el modelo, y las aberturas se determinan en un estado abierto o cerrado según la situación real. Generalmente, si se adopta el tipo de piso, el orificio superior, la placa de epoxi y la Abertura 1 están en un estado abierto; si se adopta el tipo con orificio inferior, el orificio superior, el orificio inferior y las Aberturas 1/2/3 están todas en un estado abierto.
2.3 Análisis de la Distribución del Campo de Temperatura
A continuación, se construye un modelo de elementos finitos mediante la mallado del modelo geométrico. Asegurar la unidad de la convección natural y los modelos de malla interna, y refinar el mallado en los orificios de la caja y las interfaces de aire para mejorar la precisión del cálculo. Basado en el modelo geométrico, el modelo de elementos finitos tiene 401,856 nodos y 518,647 mallas. Configuraciones clave para el modelo de transformador de poste:
Utilizando software de elementos finitos, el modelo de campo de temperatura muestra: Los bobinados tienen la temperatura más alta en el transformador, seguidos por el núcleo de hierro; la temperatura del aire adyacente también es alta, disminuyendo durante el ascenso del aire hasta coincidir con la temperatura ambiente en la salida de presión. Durante la operación, la expansión del aire caliente provoca acumulación de aire y colisiones entre el aire ambiente y el aire del ducto (debido al calentamiento continuo y el aumento de volumen). La viscosidad del aire afecta el flujo en el ducto y el campo de flujo. El aire caliente se acelera cerca del suelo y se ralentiza lejos; el contacto aire-superficie forma una capa límite térmica, que, debido a su espesor, reduce los coeficientes de transferencia de calor, aumentando la temperatura y la viscosidad del aire mientras disminuye la velocidad de flujo. El aire caliente altera la temperatura sobre el transformador, con la temperatura proporcional a la radiación térmica.
3 Diseño de Disipación de Calor de Transformadores de Poste
3.1 Análisis del Modelo
Los transformadores de poste se disponen dentro de cajas con un alto nivel de seguridad. Para garantizar una circulación de aire fluida dentro de la caja y aprovechar al máximo la capacidad de disipación de calor del transformador, es necesario configurar ventiladores de flujo axial para expulsar el aire caliente del interior del equipo. Mientras tanto, se instalan disipadores de calor fuera de la caja para lograr el intercambio de calor. A través del intercambio de calor, se puede promover la circulación continua de aire dentro del transformador.
Durante la operación de los transformadores de poste, el calor se genera principalmente por los bobinados y los núcleos de hierro. Por lo tanto, el diseño necesita centrarse en los estados de flujo de aire de estos dos componentes e integrar los elementos relevantes para construir el modelo de disipación de calor.
3.2 Determinación de Parámetros del Modelo
Para los transformadores de poste, las diferencias entre los parámetros de aire interior y los parámetros de rendimiento térmico son relativamente pequeñas. Al seleccionar láminas de acero silicio, se debe priorizar su rendimiento de resistencia al calor. Mientras tanto, se analiza la relación numérica entre los cables de cobre y la resina aislante para determinar los parámetros de rendimiento térmico.
3.3 Configuración de Condiciones
La presión promedio en la entrada y salida de aire del transformador de poste es una atmósfera. Combinado con el rendimiento del disipador de calor, se toma la temperatura del aire frío como condición de entrada para establecer un modelo de elementos finitos, y se definen el plano de simetría y la dirección de entrada-salida de aire.
3.4 Análisis de Resultados
Después de establecer el modelo y definir las condiciones de frontera, se realizan cálculos. El análisis muestra que la salida de aire del transformador de poste es el punto más caliente, con una temperatura que alcanza 394.5K (correspondiente a una temperatura de punto caliente de 120.5°C). El punto más caliente del núcleo de hierro está lejos de la salida de aire, y la temperatura de punto caliente calculada es 110°C. Además, las posiciones cercanas a las entradas y salidas de aire tienen un rendimiento de disipación de calor pobre.
3.5 Análisis de Entrada y Salida de Aire
Simular el cambio de la velocidad de flujo de aire: Si el bobinado de alta tensión caliente se construye cerca de la salida de aire y la salida de aire tiene una estructura de ángulo recto, esto afectará la presión de aire, haciendo que el aire dentro del encapsulado sea tenue y desfavorable para la disipación de calor.
Basado en esto, se optimiza el diseño de la salida de aire: mover la salida de aire hacia arriba aproximadamente 30 cm, mantener la altura sin cambios, y simultáneamente reducir el ancho de la entrada de aire (principalmente reducir 10 cm), de modo que la longitud total de la caja aumente 20 cm. Después de calcular, bajo este esquema, la temperatura de punto caliente y la temperatura promedio del bobinado disminuyen significativamente. Analizando la distribución de la velocidad del campo de flujo de aire, el flujo de aire del bobinado muestra un ángulo de 120° cuando se transfiere a la salida de aire, indicando que el flujo de aire es suave.
3.6 Resumen
Los transformadores de poste juegan un papel crucial en el sistema de distribución de energía. Si la gran cantidad de calor generada durante la operación no se disipa a tiempo, es probable que cause fallas y amenace la estabilidad del sistema. Los diseñadores necesitan analizar profundamente los problemas de disipación de calor de los transformadores de poste, combinar con los cambios del campo de temperatura, utilizar métodos científicos como el método de elementos finitos para construir modelos de disipación de calor, optimizar el sistema de disipación de calor del equipo y mejorar la eficiencia global de disipación de calor.
