Conception de gestion thermique pour transformateurs sur pieds
Lors de l'exploitation, les transformateurs à boîtier extérieur sont confrontés à des problèmes typiques liés à la chaleur :
Pour optimiser la dissipation de la chaleur, cet article utilise l'analyse par éléments finis pour construire un modèle 3D de transformateur. En cartographiant les distributions des champs de température, il identifie les points chauds de surchauffe et affine la conception du système de refroidissement.
1. Bases du champ de température
Un champ de température décrit les variations spatiales et temporelles de la température, avec une génération, un transfert et une distribution de chaleur étroitement couplés. Pour les transformateurs à boîtier extérieur, la chaleur provient des noyaux, des enroulements, etc. Les conditions et durées d'exploitation modifient les patrons de chaleur, et les interactions multi-médias (noyaux, enroulements, isolation) créent des distributions de température inégales.
Le transfert de chaleur se fait par conduction (dominant, conduisant la chaleur des enroulements/noyaux à travers la résine isolante vers l'air ambiant) et convection. L'intensité de la conduction est corrélée aux gradients de température — la chaleur se déplace des composants chauds vers la résine plus froide, puis se dissipe dans l'air externe. Les calculs de flux thermique suivent :
Dans la formule : q représente la densité de flux de chaleur ; λ représente la conductivité thermique ; ∂t/∂x est le gradient de température, reflétant le taux de changement de température en fonction de la distance ; n est le coefficient de conversion de chaleur. Lorsqu'il y a des différences de température à différents endroits, la chaleur circule principalement pour équilibrer la température, et cet état d'équilibre de température est la convection thermique. Pendant le fonctionnement d'un transformateur à boîtier extérieur, la chaleur générée par diverses parties entrera en contact avec l'air et se transférera entre eux, causant des changements dans la température du gaz environnant. Au cours de ce processus, le transfert de chaleur est réalisé par convection thermique, qui peut être exprimé par la formule suivante :
Dans la formule, h est le coefficient de transfert de chaleur par convection, tf représente la température du fluide, et tw représente la température de la surface de l'objet. Lorsque la température d'un objet est supérieure au zéro absolu, un rayonnement thermique sera généré, généralement appelé rayonnement thermique. Avec d'autres facteurs restant inchangés, la quantité de rayonnement générée entre les objets changera à mesure que la température augmente (avec la température maintenant une tendance à la hausse continue). Pendant le fonctionnement d'un transformateur à boîtier extérieur, l'équipement lui-même ne rentre pas en contact direct avec le rayonnement thermique ; lorsque la température du transformateur se stabilise, sa fonction de rayonnement thermique permettra la dissipation de chaleur par rayonnement thermique, et ce processus peut être exprimé par la formule suivante :
Dans la formule, S désigne la surface de rayonnement, T est la température thermodynamique de l'objet, et σ est la constante de rayonnement. Lors de la conception du système de dissipation de chaleur pour les transformateurs à boîtier extérieur, la méthode d'analyse par éléments finis (AEF) est principalement utilisée pour établir des équations d'équilibre thermique. Par le biais de calculs, la température à chaque nœud de l'objet peut être déterminée. Cela est particulièrement utile pour mesurer les points de température difficiles à obtenir en pratique, identifier les emplacements optimaux des points chauds, puis effectuer une analyse de couplage. Les principes fondamentaux de la décomposition du champ de température à l'aide de l'AEF sont les suivants :
Discrétiser le domaine physique tridimensionnel ;
Utiliser des fonctions pour décrire les variations de température à tout nœud à l'intérieur de l'élément ;
Construire des équations d'éléments ;
Assembler les éléments et appliquer des excitations externes aux nœuds ;
Résoudre les équations en tenant compte des conditions limites du champ de température ;
Calculer l'augmentation de température à chaque nœud ;
Déduire l'augmentation de température de l'élément basée sur les équations du champ de température.
2 Modélisation et simulation du champ de température des transformateurs à boîtier extérieur
2.1 Modélisation par éléments finis
Le tableau 1 répertorie les paramètres pertinents du transformateur à boîtier extérieur sélectionné dans cet article. Un modèle par éléments finis est construit sur la base de ces paramètres. Ensuite, des modèles simplifiés sont établis pour l'enroulement haute tension, l'enroulement basse tension et le noyau de fer du transformateur à boîtier extérieur.
Lors de la construction du modèle, puisque les connexions soudées des bornes de sortie de l'enroulement haute tension sont relativement solides, elles ne sont pas prises en compte dans la phase initiale de conception. Pour simplifier, le noyau est modélisé comme une structure monolithique, avec les espaces interlamellaires ignorés (ces espaces sont pris en compte par les propriétés du silicium massif pour tenir compte de la conductivité du matériau). Le modèle de simulation 3D du transformateur est montré à la figure 1.
Pour analyser les effets de la convection naturelle sur la dissipation de chaleur, un domaine d'air externe (de dimensions 5000mm×5000mm×3000mm) est ajouté à l'environnement de simulation, permettant une modélisation réaliste des schémas d'écoulement d'air autour du transformateur.
2.2 Modèle d'encapsulation du transformateur à boîtier extérieur
Les enroulements et le noyau de fer sont modélisés comme des sources de chaleur, avec leurs taux de génération de chaleur calculés sur la base des paramètres de conception du transformateur. Le domaine d'air est configuré avec des sorties de pression en haut et des entrées distribuées le long du bas et des côtés, maintenues à une température ambiante fixée à 300K. Lors des simulations, les paramètres de convection naturelle sont dérivés en sélectionnant un modèle de turbulence approprié en fonction du nombre de Rayleigh.
La géométrie de l'encapsulation (Figure 2) est simplifiée en raison de sa structure composite complexe. Les panneaux perforés du toit sont négligés, traitant l'ensemble du toit comme un domaine d'air continu. Des milieux poreux sont placés aux sorties d'air sous les avant-toits pour simuler la résistance à l'écoulement. Le domaine d'air autour des poutres de soutien inférieures de l'encapsulation est considéré comme interconnecté. Une couche d'air supplémentaire de 155 mm de hauteur est ajoutée sous l'encapsulation pour tenir compte de l'impact de la fondation sur la dissipation de chaleur.
Dans le modèle établi, les trous pré-définis en bas, en haut et en haut-bas appartiennent tous à des milieux poreux, avec une épaisseur de 10 mm (comme le bloc jaune-vert à la Figure 3), simulant ainsi la plaque de grille. La spécification du trou en bas est de 1450 × 1200 mm², et la spécification des trous en haut-bas est de 550 × 500 mm². Trois ouvertures et une plaque d'époxy sont également définies dans le modèle, et les ouvertures sont déterminées comme étant ouvertes ou fermées selon la situation réelle. Généralement, si le type au sol est adopté, le trou en haut, la plaque d'époxy et l'Ouverture 1 sont en état ouvert ; si le type avec trou en bas est adopté, le trou en haut, le trou en bas, et les Ouvertures 1/2/3 sont toutes en état ouvert.
2.3 Analyse de la distribution du champ de température
Ensuite, un modèle par éléments finis est construit en maillant le modèle géométrique. Assurez l'unité de la convection naturelle et des modèles de maillage internes, et affinez le maillage aux trous de l'encapsulation et aux interfaces d'air pour améliorer la précision des calculs. Basé sur le modèle géométrique, le modèle par éléments finis comporte 401 856 nœuds et 518 647 mailles. Paramètres clés pour le modèle de transformateur à boîtier extérieur :
À l'aide du logiciel d'éléments finis, le modèle de champ de température montre : les enroulements ont la température la plus élevée dans le transformateur, suivis du noyau de fer ; la température de l'air adjacent est également élevée, diminuant lors de la montée de l'air jusqu'à correspondre à la température ambiante à la sortie de pression. Pendant le fonctionnement, l'expansion de l'air chaud cause une accumulation d'air et des collisions entre l'air ambiant et l'air du conduit (en raison du chauffage continu et de l'augmentation du volume). La viscosité de l'air affecte l'écoulement du conduit et le champ de flux. L'air chaud accélère près du sol et ralentit à distance ; le contact entre le flux d'air et la surface forme une couche limite thermique, dont l'épaisseur réduit les coefficients de transfert de chaleur, augmentant la température et la viscosité de l'air tout en diminuant la vitesse de flux. L'air chaud modifie la température au-dessus du transformateur, avec la température proportionnelle au rayonnement thermique.
3 Conception de la dissipation de chaleur des transformateurs à boîtier extérieur
3.1 Analyse du modèle
Les transformateurs à boîtier extérieur sont disposés à l'intérieur d'encapsulations avec un niveau de sécurité élevé. Pour assurer une circulation d'air fluide à l'intérieur de l'encapsulation et tirer pleinement parti de la performance de dissipation de chaleur du transformateur, des ventilateurs axiaux doivent être configurés pour évacuer l'air chaud de l'intérieur de l'équipement. En outre, des dissipateurs de chaleur sont installés à l'extérieur de l'encapsulation pour réaliser un échange de chaleur. Grâce à l'échange de chaleur, la circulation continue de l'air à l'intérieur du transformateur peut être favorisée.
Pendant le fonctionnement des transformateurs à boîtier extérieur, la chaleur est principalement générée par les enroulements et les noyaux de fer. Par conséquent, la conception doit se concentrer sur les états de flux d'air de ces deux composants et intégrer les éléments pertinents pour construire le modèle de dissipation de chaleur.
3.2 Détermination des paramètres du modèle
Pour les transformateurs à boîtier extérieur, les différences entre les paramètres d'air intérieur et les paramètres de performance thermique sont relativement faibles. Lors du choix des tôles de silicium, leur performance de résistance à la chaleur doit être prioritaire. En outre, le rapport numérique des fils de cuivre à la résine isolante est analysé pour déterminer les paramètres de performance thermique.
3.3 Définition des conditions
La pression moyenne à l'entrée et à la sortie d'air du transformateur à boîtier extérieur est d'une atmosphère. En combinant avec la performance du dissipateur de chaleur, la température de l'air froid est prise comme condition d'entrée pour établir un modèle par éléments finis, et le plan de symétrie et la direction de l'entrée-sortie d'air sont définis.
3.4 Analyse des résultats
Après avoir établi le modèle et défini les conditions aux limites, des calculs sont effectués. L'analyse montre que la sortie d'air du transformateur à boîtier extérieur est le point le plus chaud, avec une température atteignant 394,5K (correspondant à une température de point chaud de 120,5°C). Le point le plus chaud du noyau de fer est éloigné de la sortie d'air, et la température de point chaud calculée est de 110°C. De plus, les positions proches des entrées et sorties d'air ont une performance de dissipation de chaleur médiocre.
3.5 Analyse de l'entrée et de la sortie d'air
Simulez le changement de la vitesse de flux d'air : Si l'enroulement haute tension chaud est construit à proximité de la sortie d'air et que la sortie d'air a une structure à angle droit, cela affectera la pression de l'air, rendant l'air à l'intérieur de l'encapsulation mince et défavorable à la dissipation de chaleur.
Sur cette base, optimisez la conception de la sortie d'air : déplacez la sortie d'air vers le haut d'environ 30 cm, gardez la hauteur inchangée, et réduisez simultanément la largeur de l'entrée d'air (principalement réduite de 10 cm), de sorte que la longueur totale de l'encapsulation augmente de 20 cm. Après calcul, dans ce schéma, la température de point chaud et la température moyenne de l'enroulement diminuent considérablement. En analysant la distribution de la vitesse du champ de flux d'air, le flux d'air de l'enroulement présente un angle de 120° lorsqu'il est transféré à la sortie d'air, indiquant que le flux d'air est fluide.
3.6 Résumé
Les transformateurs à boîtier extérieur jouent un rôle crucial dans le système de distribution d'énergie. Si la grande quantité de chaleur générée pendant le fonctionnement ne peut pas être dissipée en temps voulu, elle est susceptible de causer des pannes et de menacer la stabilité du système. Les concepteurs doivent analyser en profondeur les problèmes de dissipation de chaleur des transformateurs à boîtier extérieur, combiner les changements du champ de température, utiliser des méthodes scientifiques telles que la méthode d'éléments finis pour construire des modèles de dissipation de chaleur, optimiser le système de dissipation de chaleur de l'équipement, et améliorer l'efficacité globale de la dissipation de chaleur.
