Pangangalap ng disenyo para sa mga pad-mounted transformers
Sa aktwal na operasyon, ang mga pad-mounted transformers ay nakakaranas ng mga tipikal na problema na may kaugnayan sa init:
Upang i-optimize ang paglabas ng init, ang papel na ito ay gumagamit ng finite element analysis upang mabuo ang 3D transformer model. Sa pamamagitan ng pag-mapa ng distribusyon ng temperature field, ito ay natutukoy ang mga hotspot ng sobrang init at inililinis ang disenyo ng cooling system.
1. Mga Pangunahing Bagay tungkol sa Temperature Field
Ang temperature field ay naglalarawan ng spatial-temporal na pagbabago ng temperatura, na may mahigpit na koneksyon sa paglikha, transfer, at distribusyon ng init. Para sa mga pad-mounted transformers, ang init ay nanggagaling sa cores, windings, atbp. Ang mga kondisyon ng operasyon/duration ay nagbabago ng pattern ng init, at ang multi-medium interactions (cores, windings, insulation) ay lumilikha ng hindi pantay na distribusyon ng temperatura.
Ang init ay lumilipat sa pamamagitan ng conduction (dominant, nagpapadala ng init mula sa windings/cores sa pamamagitan ng insulating resin patungo sa ambient air) at convection. Ang lakas ng conduction ay may ugnayan sa temperature gradients—ang init ay lumilipat mula sa mga mainit na bahagi patungo sa mas malamig na resin, at pagkatapos ay lumilipat sa external air. Ang mga kalkulasyon ng heat flux ay sumusunod:
Sa formula: q kumakatawan sa density ng heat flux;λ kumakatawan sa thermal conductivity; ∂t/∂x ay ang temperature gradient, na nagpapakita ng rate ng pagbabago ng temperatura sa distansya; n ay ang heat conversion coefficient. Kapag mayroong pagkakaiba-iba ng temperatura sa iba't ibang posisyon, ang init ay pangunahing lumilipat upang balansehin ang temperatura, at ang estado ng balanse ng temperatura na ito ay tinatawag na heat convection. Sa panahon ng operasyon ng pad-mounted transformer, ang init na gawa ng iba't ibang bahagi ay makikipag-interact sa hangin at lilipat sa pagitan nila, nagdudulot ng pagbabago sa temperatura ng paligid na gas. Sa prosesong ito, ang paglipat ng init ay nakuha sa pamamagitan ng heat convection, na maaaring ipakita sa sumusunod na formula:
Sa formula, h ang convective heat transfer coefficient, tf kumakatawan sa temperatura ng fluid, at tw kumakatawan sa temperatura ng surface ng bagay. Kapag ang temperatura ng isang bagay ay mas mataas kaysa sa absolute zero, ang radiant heat ay lalabas, karaniwang tinatawag na thermal radiation. Habang ang iba pang mga factor ay hindi nagbabago, ang dami ng radiation na nalilikha sa pagitan ng mga bagay ay magbabago bilang ang temperatura ay tumataas (na may patuloy na upward trend). Sa panahon ng operasyon ng pad-mounted transformer, ang equipment mismo ay hindi direktang nakikipag-ugnayan sa thermal radiation; kapag ang temperatura ng transformer ay nabilanggo, ang thermal radiation function nito ay magtatamo ng paglabas ng init sa pamamagitan ng thermal radiation, at ang prosesong ito ay maaaring ipakita sa sumusunod na formula:
Sa formula, S kumakatawan sa radiation surface area, T ang thermodynamic temperature ng bagay, at σ ang radiation constant. Kapag naghahanda ng heat dissipation system para sa pad-mounted transformers, ang finite element analysis (FEA) method ang pangunahing ginagamit upang mabuo ang thermal equilibrium equations. Sa pamamagitan ng mga kalkulasyon, maaaring matukoy ang temperatura sa bawat node ng bagay. Ito ay partikular na kapaki-pakinabang para sa pagsukat ng temperatura points na mahirap makamit sa praktikal, pagtukoy ng pinakamainit na lokasyon, at pagkatapos ay paggawa ng coupling analysis. Ang mga pangunahing prinsipyo ng paghihiwa ng temperature field gamit ang FEA ay sumusunod:
Discretize ang tatlong-dimensional na pisikal na domain;
Gumamit ng mga function upang ilarawan ang pagbabago ng temperatura sa anumang node sa loob ng element;
Magbuo ng element equations;
Assemble ang mga elements at i-apply ang external excitations sa nodes;
Lutasin ang mga equation sa pamamagitan ng pag-consider ng temperature field boundary conditions;
Kalkulahin ang pagtaas ng temperatura sa bawat node;
Derive ang pagtaas ng temperatura ng element batay sa temperature field equations.
2 Pagbuo at Simulation ng Temperature Field ng Pad-Mounted Transformers
2.1 Finite Element Modeling
Ang Table 1 ay naglista ng mga relevant parameters ng pad-mounted transformer na napili sa papel na ito. Ang isang finite element model ay nabuo batay sa mga parameter na ito. Pagkatapos, ang mga simplified models ay nabuo para sa high-voltage winding, low-voltage winding, at iron core ng pad-mounted transformer.
Sa panahon ng pagbuo ng modelo, dahil ang welded connections ng high-voltage winding outlet terminals ay mas mababa, sila ay hindi inilalagay sa initial design phase. Para sa simplification, ang iron core ay iminodelo bilang isang monolithic structure, na ang inter-laminar gaps ay hindi ini-include (ang mga gaps na ito ay ina-address sa pamamagitan ng properties ng bulk silicon steel upang accountin ang material conductivity). Ang 3D simulation model ng transformer ay ipinapakita sa Figure 1.
Upang analisin ang epekto ng natural convection sa paglabas ng init, ang isang external air domain (na may dimensyon ng 5000mm×5000mm×3000mm) ay idinagdag sa simulation environment, na nagbibigay ng tunay na modeling ng airflow patterns sa paligid ng transformer.
2.2 Enclosure Model ng Pad-Mounted Transformer
Ang mga windings at iron core ay iminodelo bilang heat sources, na ang kanilang rate ng paglikha ng init ay kinalkula batay sa mga parameter ng disenyo ng transformer. Ang air domain ay nakonfigura na may pressure outlets sa itaas at inlets na nakadistributo sa ilalim at gilid, na nagpapanatili ng ambient temperature na set sa 300K. Sa panahon ng simulation, ang natural convection parameters ay kinukuha sa pamamagitan ng pagpili ng appropriate turbulence model batay sa Rayleigh number.
Ang geometry ng enclosure (Figure 2) ay simplified dahil sa kanyang complex composite structure. Ang perforated panels ng bubong ay hindi inilalagay, itinreat ang buong bubong bilang continuous air domain. Ang porous media ay ilagay sa air outlets sa ilalim ng eaves upang simulan ang flow resistance. Ang air domain sa paligid ng ilalim na suport ng enclosure ay itinreat na interconnected. Ang additional 155mm-high air layer ay idinagdag sa ilalim ng enclosure upang accountin ang impact ng foundation sa paglabas ng init.
Sa nabuong modelo, ang pre-set bottom holes, top holes, at upper-lower holes ay lahat ay parte ng porous media, na may thickness ng 10 mm (tulad ng yellow-green block sa Figure 3), na sinusimulan ang mesh plate. Ang specification ng bottom hole ay 1450 × 1200 mm², at ang specification ng upper-lower holes ay 550 × 500 mm². Tatlong openings at isang epoxy plate ay din itinatakda sa modelo, at ang mga openings ay itinatakda kung open o closed state ayon sa aktwal na sitwasyon. Karaniwan, kung ang floor-mounted type ang ginagamit, ang top hole, ang epoxy plate, at Opening 1 ay nasa open state; kung ang bottom-holed type ang ginagamit, ang top hole, ang bottom hole, at Openings 1/2/3 ay nasa open state.
2.3 Analisis ng Distribusyon ng Temperature Field
Sa susunod, ang isang finite element model ay nabuo sa pamamagitan ng pagmesh ng geometric model. Siguraduhin ang unity ng natural convection at internal mesh models, at refine ang meshing sa enclosure holes at air interfaces upang mapabuti ang accuracy ng kalkulasyon. Batay sa geometric model, ang finite element model ay may 401,856 nodes at 518,647 meshes. Key settings para sa pad-mounted transformer model:
