طراحی مدیریت گرمایی برای ترانسفورماتورهای نصب شده روی پد

در عملیات واقعی، ترانسفورماتورهای مونتاژ شده روی پد با مشکلات معمولی مرتبط با گرمایش مواجه می‌شوند:

• قطع کننده‌های دما بالا/بار بالا: در شرایط پایدار دما بالا و بار بالا ممکن است قطع شوند.

• خرابی موتورها و دستگاه‌های تنظیم دما: استفاده طولانی مدت از موتورها موجب خرابی آنها می‌شود، دستگاه‌های تنظیم دما را آسیب می‌رساند و جریان هوای داغ را مسدود می‌کند، عملیات را مختل می‌کند.

• قرارگیری ضعیف موتورها: نصب موتورها در بالای کابینت موجب نیاز به توقف برای تعمیر/جایگزینی می‌شود؛ این طرح همچنین حرارت را محبوس می‌کند و دما داخلی را به سطح خطرناک افزایش می‌دهد.

برای بهینه‌سازی تảnش حرارتی، این مقاله از تحلیل المان محدود برای ساخت مدل سه‌بعدی ترانسفورماتور استفاده می‌کند. با نقشه‌برداری از توزیع میدان دما، نقاط داغ را شناسایی می‌کند و طراحی سیستم خنک‌سازی را بهبود می‌بخشد.

1. مبانی میدان دما

میدان دما تغییرات فضایی-زمانی دما را توصیف می‌کند، با تولید، انتقال و توزیع حرارت به طور تنگاتنگ متصل است. برای ترانسفورماتورهای مونتاژ شده روی پد، حرارت از هسته‌ها، پیچش‌ها و غیره منشأ می‌گیرد. شرایط عملیاتی/مدت زمان عملیاتی الگوهای حرارتی را تغییر می‌دهند و تعاملات چند ماده‌ای (هسته‌ها، پیچش‌ها، عایق) توزیع‌های نامساوی دما ایجاد می‌کنند.

انتقال حرارت از طریق رسانش ( غالب، حرارت را از پیچش‌ها/هسته‌ها از طریق رزین عایق به هوا محیط منتقل می‌کند ) و تابش انجام می‌شود. شدت رسانش با گرادیان‌های دما مرتبط است - حرارت از قطعات داغ به رزین سردتر حرکت می‌کند و سپس به هوا خارجی تبدیل می‌شود. محاسبات جریان حرارتی به صورت زیر است:

در فرمول: q نشان‌دهنده چگالی جریان حرارتی است;λ نشان‌دهنده هدایت حرارتی است; ∂t/∂x  گرادیان دما است، که نرخ تغییر دما با فاصله را نشان می‌دهد; n ضریب تبدیل حرارت است. وقتی در موقعیت‌های مختلف تفاوت دما وجود دارد، حرارت اصلی برای متعادل کردن دما دور می‌شود و این حالت تعادل دما تابش حرارتی است. در عملیات ترانسفورماتور مونتاژ شده روی پد، حرارت تولید شده توسط بخش‌های مختلف با هوا تماس می‌گیرد و بین آنها منتقل می‌شود، که باعث تغییر در دمای گاز محیط می‌شود. در این فرآیند، انتقال حرارت از طریق تابش حرارتی انجام می‌شود که می‌تواند با فرمول زیر بیان شود:

در فرمول, h ضریب انتقال حرارت تابشی است, t_f نشان‌دهنده دمای سیال است، و t_w نشان‌دهنده دمای سطح اشیاء است. وقتی دمای یک شیء بالاتر از صفر مطلق است، حرارت تابشی تولید می‌شود که معمولاً حرارت تابشی نامیده می‌شود. با ثابت ماندن سایر عوامل، مقدار تابش تولید شده بین اشیاء با افزایش دما (با داشتن روند صعودی مستمر) تغییر می‌کند. در عملیات ترانسفورماتور مونتاژ شده روی پد، تجهیزات خود به طور مستقیم با تابش حرارتی تماس ندارند؛ وقتی دمای ترانسفورماتور پایدار می‌شود، عملکرد تابش حرارتی آن از طریق تابش حرارتی تبدیل حرارتی انجام می‌شود، و این فرآیند می‌تواند با فرمول زیر بیان شود:

در فرمول, S مساحت سطح تابش را نشان می‌دهد, T دمای ترمودینامیکی شیء است و σ ثابت تابش است. در طراحی سیستم تبدیل حرارتی ترانسفورماتورهای مونتاژ شده روی پد، روش تحلیل المان محدود (FEA) اصلی برای ایجاد معادلات تعادل حرارتی استفاده می‌شود. از طریق محاسبات، دمای هر گره از شیء قابل تعیین است. این مورد برای اندازه‌گیری نقاط دمایی که در عمل بدست آوردن آنها دشوار است، شناسایی محل‌های بهینه نقاط داغ و سپس تحلیل کوپلینگ مفید است. اصول اساسی تجزیه میدان دما با استفاده از FEA به شرح زیر است:

• گسسته‌سازی دامنه فیزیکی سه‌بعدی؛

• استفاده از توابع برای توصیف تغییرات دما در هر گره داخل عنصر؛

• ساخت معادلات عنصری؛

• جمع‌آوری عناصر و اعمال تحریکات خارجی در گره‌ها؛

• حل معادلات با در نظر گرفتن شرایط مرزی میدان دما؛

• محاسبه افزایش دما در هر گره؛

• استخراج افزایش دما در عنصر بر اساس معادلات میدان دما.

2 مدل‌سازی و شبیه‌سازی میدان دما ترانسفورماتورهای مونتاژ شده روی پد
2.1 مدل‌سازی المان محدود

جدول 1 پارامترهای مربوط به ترانسفورماتور مونتاژ شده روی پد انتخاب شده در این مقاله را فهرست می‌کند. یک مدل المان محدود بر اساس این پارامترها ساخته می‌شود. سپس، مدل‌های ساده‌شده برای پیچش‌های ولتاژ بالا، پیچش‌های ولتاژ پایین و هسته آهن ترانسفورماتور مونتاژ شده روی پد ایجاد می‌شود.

در زمان ساخت مدل، چون اتصالات لحیم‌کاری ترمینال‌های خروجی پیچش ولتاژ بالا نسبتاً محکم هستند، در مرحله طراحی اولیه در نظر گرفته نمی‌شوند. برای ساده‌سازی، هسته آهن به عنوان یک ساختار یکپارچه مدل‌سازی می‌شود، با نادیده گرفتن فواصل بین لایه‌ها (این فواصل با استفاده از خصوصیات فولاد سیلیسیوم به عنوان مواد رسانا در نظر گرفته می‌شوند). مدل شبیه‌سازی سه‌بعدی ترانسفورماتور در شکل 1 نشان داده شده است.

برای تحلیل اثرات تابش طبیعی بر تبدیل حرارتی، یک دامنه هوا خارجی (با ابعاد 5000mm×5000mm×3000mm) به محیط شبیه‌سازی اضافه می‌شود، که مدل‌سازی واقعی الگوهای جریان هوا در اطراف ترانسفورماتور را ممکن می‌سازد.

2.2 مدل پوشش ترانسفورماتور مونتاژ شده روی پد

پیچش‌ها و هسته آهن به عنوان منابع گرما مدل‌سازی می‌شوند، با نرخ تولید گرما بر اساس پارامترهای طراحی ترانسفورماتور محاسبه می‌شود. دامنه هوا با دهانه‌های فشاری در بالا و دهانه‌های ورودی در پایین و طرفین پیکربندی شده است، با دمای محیطی ثابت 300K. در طی شبیه‌سازی‌ها، پارامترهای تابش طبیعی با انتخاب یک مدل آشفتگی مناسب بر اساس عدد رایلی استخراج می‌شوند.

هندسه پوشش (شکل 2) به دلیل ساختار مرکب پیچیده آن ساده‌سازی می‌شود. پنل‌های سوراخ‌دار سقف نادیده گرفته می‌شوند، کل سقف به عنوان یک دامنه هوا پیوسته در نظر گرفته می‌شود. رسانه‌های مسامی در زیر دهانه‌های هوا در زیر آویزان‌ها قرار داده می‌شوند تا مقاومت جریان را شبیه‌سازی کنند. دامنه هوا در اطراف ستون‌های پشتیبانی پایین پوشش به عنوان متقاطع در نظر گرفته می‌شود. یک لایه هوا 155 میلی‌متری اضافه به پایین پوشش برای در نظر گرفتن تأثیر بنیان بر تبدیل حرارتی اضافه می‌شود.

در مدل ایجاد شده، دهانه‌های پایین، بالا و بالا-پایین متعلق به رسانه‌های مسامی هستند، با ضخامت 10 میلی‌متر (مانند بلوک زرد-سبز در شکل 3)، که صفحه مش را شبیه‌سازی می‌کنند. مشخصات دهانه پایین 1450 × 1200 میلی‌متر است و مشخصات دهانه‌های بالا-پایین 550 × 500 میلی‌متر است. سه دهانه و یک صفحه اپوکسیدی نیز در مدل تنظیم شده‌اند و دهانه‌ها به عنوان باز یا بسته بر اساس شرایط واقعی تعیین می‌شوند. معمولاً اگر نوع نصب روی زمین انتخاب شود، دهانه بالا، صفحه اپوکسیدی و دهانه 1 در حالت باز هستند؛ اگر نوع دهانه پایین انتخاب شود، دهانه‌های بالا، پایین و دهانه‌های 1/2/3 همه در حالت باز هستند.

2.3 تحلیل توزیع میدان دما

سپس، یک مدل المان محدود با شبکه‌بندی مدل هندسی ساخته می‌شود. اطمینان حاصل کنید که یکپارچگی تابش طبیعی و مدل‌های شبکه‌بندی داخلی حفظ شود و شبکه‌بندی در دهانه‌های پوشش و رابط‌های هوا برای بهبود دقت محاسبات تقویت شود. بر اساس مدل هندسی، مدل المان محدود شامل 401,856 گره و 518,647 شبکه است. تنظیمات کلیدی مدل ترانسفورماتور مونتاژ شده روی پد:

• رابط سیال-ساختار: رابط هوا، حالت بدون لیز برای حفظ گرما.

• سطح‌های عایق: بالای سقف، طرفین ستون‌های پشتیبانی پایین و هوا خارجی.

• سطح‌های رسان حرارت: طرفین پوشش (صفحه فولادی 1 میلی‌متری)، تمام دیواره‌های پوشش (صفحه فولادی 2 میلی‌متری)، با دهانه‌های بالا باز و دهانه‌های پایین بسته.

با استفاده از نرم‌افزار المان محدود، مدل میدان دما نشان می‌دهد: پیچش‌ها دارای بالاترین دما در ترانسفورماتور هستند، دنباله‌روی هسته آهن؛ دمای هوا مجاور نیز بالا است، در طول بالاریز هوای کاهش می‌یابد تا در دهانه فشاری با دمای محیطی مطابقت دهد. در طول عملیات، انبساط هوا گرم باعث تجمع هوا و برخورد بین هوا محیطی و هوا در دکل (به دلیل گرم شدن مداوم و افزایش حجم) می‌شود. چسبندگی هوا تأثیر بر جریان دکل و میدان جریان می‌گذارد. هوا گرم نزدیک زمین شتاب می‌گیرد و با دور شدن کند می‌شود؛ تماس جریان-سطح لایه مرزی حرارتی را تشکیل می‌دهد که به دلیل ضخامت آن، ضرایب انتقال حرارت را کاهش می‌دهد، دمای هوا و چسبندگی را افزایش می‌دهد و سرعت جریان را کاهش می‌دهد. هوا گرم دمای بالای ترانسفورماتور را تغییر می‌دهد، با دمای متناسب با تابش حرارتی.

3 طراحی تبدیل حرارتی ترانسفورماتورهای مونتاژ شده روی پد
3.1 تحلیل مدل

ترانسفورماتورهای مونتاژ شده روی پد در داخل پوشش‌هایی با سطح ایمنی بالا قرار داده می‌شوند. برای اطمینان از جریان هوا روان در داخل پوشش و بهره‌گیری کامل از عملکرد تبدیل حرارتی ترانسفورماتور، موتورهای جریان محوری باید تنظیم شوند تا هوا گرم را از داخل تجهیز خارج کنند. همچنین، رادیاتورهای خنک‌کننده خارج از پوشش نصب می‌شوند تا تبادل حرارتی را انجام دهند. از طریق تبادل حرارتی، چرخه مداوم هوا در داخل ترانسفورماتور ترویج می‌یابد.

در طول عملیات ترانسفورماتورهای مونتاژ شده روی پد، حرارت عمده‌ای توسط پیچش‌ها و هسته آهن تولید می‌شود. بنابراین، طراحی باید بر وضعیت‌های جریان هوا این دو مولفه تمرکز کند و عناصر مربوطه را برای ساخت مدل تبدیل حرارتی یکپارچه کند.

3.2 تعیین پارامترهای مدل

برای ترانسفورماتورهای مونتاژ شده روی پد، تفاوت‌های بین پارامترهای هوا داخلی و پارامترهای عملکرد دمایی نسبتاً کم هستند. در زمان انتخاب فولاد سیلیسیوم، عملکرد مقاومت حرارتی آن باید اولویت داشته باشد. همچنین، نسبت عددی سیم‌های مسی به رزین عایق برای تعیین پارامترهای عملکرد حرارتی تحلیل می‌شود.

3.3 تنظیم شرایط

فشار میانگین در دهانه‌های ورودی و خروجی هوا ترانسفورماتور مونتاژ شده روی پد یک فشار جوی است. با توجه به عملکرد رادیاتور، دمای هوا سرد به عنوان شرایط ورودی در نظر گرفته می‌شود تا یک مدل المان محدود ایجاد شود و صفحه تقارن و جهت ورودی-خروجی هوا تعریف می‌شود.

3.4 تحلیل نتایج

پس از ایجاد مدل و تنظیم شرایط مرزی، محاسبات انجام می‌شود. تحلیل نشان می‌دهد که دهانه خروجی هوا ترانسفورماتور مونتاژ شده روی پد نقطه گرم‌ترین است، با دما 394.5K (معادل دمای نقطه داغ 120.5℃). نقطه گرم‌ترین هسته آهن دور از دهانه خروجی هوا است و دمای نقطه داغ محاسبه شده 110℃ است. علاوه بر این، موقعیت‌های نزدیک دهانه‌های ورودی و خروجی عملکرد تبدیل حرارتی ضعیفی دارند.

3.5 تحلیل هوا ورودی و خروجی

شبیه‌سازی تغییر سرعت جریان هوا: اگر پیچش ولتاژ بالا گرم در نزدیکی دهانه خروجی و دهانه خروجی ساختار قائمه داشته باشد، این امر تأثیر بر فشار هوا می‌گذارد و هوا داخل پوشش را نازک می‌کند و برای تبدیل حرارتی مساعد نیست.

با توجه به این، طراحی دهانه خروجی بهینه‌سازی می‌شود: دهانه خروجی حدود 30 سانتی‌متر به بالا حرکت می‌کند، ارتفاع تغییر نمی‌کند و عرض دهانه ورودی (عمدتاً 10 سانتی‌متر) کاهش می‌یابد، به طوری که طول کل پوشش 20 سانتی‌متر افزایش می‌یابد. پس از محاسبه، در این طرح، دمای نقطه داغ و میانگین دمای پیچش به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. با تحلیل توزیع سرعت میدان جریان هوا، جریان هوا پیچش 120° زاویه نشان می‌دهد وقتی به دهانه خروجی منتقل می‌شود، که نشان‌دهنده جریان هوا صاف است.

3.6 خلاصه

ترانسفورماتورهای مونتاژ شده روی پد نقش مهمی در سیستم توزیع برق ایفا می‌کنند. اگر مقدار زیادی از حرارت تولید شده در طول عملیات به موقع تبدیل نشود، ممکن است باعث خرابی شود و پایداری سیستم را تهدید کند. طراحان باید مشکلات تبدیل حرارتی ترانسفورماتورهای مونتاژ شده روی پد را به طور عمیق تحلیل کنند، تغییرات میدان دما را ترکیب کنند و از روش‌های علمی مانند روش المان محدود برای ساخت مدل‌های تبدیل حرارتی استفاده کنند، سیستم تبدیل حرارتی تجهیزات را بهینه‌سازی کنند و کارایی کلی تبدیل حرارتی را بهبود بخشند.