Deseño de xestión térmica para transformadores montados en peán
Durante a operación real, as transformadoras de poste enfrentan problemas típicos relacionados co calor:
Para optimizar a dissipación de calor, este artigo utiliza análise de elementos finitos para construír un modelo 3D da transformadora. Ao mapear as distribucións do campo de temperatura, identifica puntos calóricos e refina o deseño do sistema de refrigeración.
1. Básicos do Campo de Temperatura
Un campo de temperatura describe as variacións espaciotemporais da temperatura, con a xeración, transferencia e distribución de calor estreitamente acopladas. Para as transformadoras de poste, o calor orixínase nos núcleos, bobinas, etc. As condicións/duracións de operación alteran os patróns de calor, e as interaccións multimedio (núcleos, bobinas, aislamento) crean distribucións de temperatura desiguais.
A transferencia de calor ocorre por conducción (dominante, dirixindo o calor desde as bobinas/núcleos a través do resina aislante ao aire ambiente) e convección. A intensidade da conducción correlaciona cos gradientes de temperatura—o calor moveuse desde componentes cálidos a resina máis fría, e entón se disipa no aire externo. Os cálculos de fluxo de calor son os seguintes:
Na fórmula: q representa a densidade de fluxo de calor;λ representa a conductividade térmica; ∂t/∂x é o gradiente de temperatura, refletindo a taxa de cambio de temperatura con a distancia; n é o coeficiente de conversión de calor. Cando hai diferenzas de temperatura en diferentes posicións, o calor circula principalmente para equilibrar a temperatura, e este estado de equilibrio térmico é a convección. Durante a operación dunha transformadora de poste, o calor xerado por varias partes entrará en contacto co aire e se transferirá entre eles, causando cambios na temperatura do gas circundante. Durante este proceso, a transferencia de calor lograse mediante convección, que pode expresarse pola seguinte fórmula:
Na fórmula, h é o coeficiente de transferencia de calor por convección, tf representa a temperatura do fluido, e tw representa a temperatura da superficie do obxecto. Cando a temperatura dun obxecto é superior ao cero absoluto, xerará radiación térmica, habitualmente chamada radiación térmica. Con outros factores inalterados, a cantidade de radiación xerada entre obxectos cambiará á medida que a temperatura aumenta (mantendo unha tendencia continuamente ascendente). Durante a operación dunha transformadora de poste, o equipo mesmo non entra en contacto directo coa radiación térmica; cando a temperatura da transformadora estabiliza, a función de radiación térmica logrará a dissipación de calor a través da radiación térmica, e este proceso pode expresarse pola seguinte fórmula:
Na fórmula, S denota a área de radiación, T é a temperatura termodinámica do obxecto, e σ é a constante de radiación. Ao deseñar o sistema de dissipación de calor para transformadoras de poste, empregase principalmente o método de análise de elementos finitos (AEF) para establecer ecuacións de equilibrio térmico. A través dos cálculos, pódese determinar a temperatura en cada nodo do obxecto. Isto é particularmente útil para medir puntos de temperatura que son difíciles de obter na práctica, identificar ubicacións óptimas de puntos calóricos, e realizar unha análise de acoplamento. Os principios fundamentais da descomposición do campo de temperatura usando AEF son os seguintes:
Discretizar o dominio físico tridimensional;
Usar funcións para describir as variacións de temperatura en calquera nodo dentro do elemento;
Construir ecuacións de elemento;
Ensamblar os elementos e aplicar excitacións externas nos nodos;
Resolver as ecuacións tendo en conta as condicións de contorno do campo de temperatura;
Calcular o aumento de temperatura en cada nodo;
Derivar o aumento de temperatura do elemento baseándose nas ecuacións do campo de temperatura.
2 Modelización e Simulación do Campo de Temperatura das Transformadoras de Poste
2.1 Modelización de Elementos Finitos
A táboa 1 lista os parámetros relevantes da transformadora de poste seleccionada neste artigo. Constrúese un modelo de elementos finitos baseado nestes parámetros. Posteriormente, estabelecense modelos simplificados para a bobina de alta tensión, a bobina de baixa tensión e o núcleo de ferro da transformadora de poste.
Durante a construción do modelo, xa que as conexións soldadas dos terminais de saída da bobina de alta tensión son relativamente firmes, non se teñen en conta na fase inicial de deseño. Para simplificación, o núcleo de ferro modelase como unha estrutura monolítica, ignorando as brechas interlaminares (estas brechas abórdanse mediante as propiedades do aço silicio a granel para ter en conta a conductividad do material). O modelo de simulación 3D da transformadora amósase na Figura 1.
Para analizar os efectos da convección natural na dissipación de calor, engádese un dominio de aire externo (con dimensións de 5000mm×5000mm×3000mm) ao ambiente de simulación, permitindo un modelado realista dos patróns de fluxo de aire arredor da transformadora.
2.2 Modelo de Envolvente da Transformadora de Poste
As bobinas e o núcleo de ferro modelanse como fontes de calor, calculándose as súas taxas de xeración de calor baseándose nos parámetros de deseño da transformadora. O dominio de aire configúrase con salidas de presión na parte superior e entradas distribuídas na parte inferior e laterais, mantendo unha temperatura ambiente configurada en 300K. Durante as simulacións, obtéñense os parámetros de convección natural seleccionando un modelo de turbulencia adecuado baseado no número de Rayleigh.
A xeometría da envolvente (Figura 2) simplifícase debido á súa estrutura composta complexa. Ignóranse as placas perforadas do teito, tratando todo o teito como un dominio de aire continuo. Colócanse medios porosos nas salidas de aire baixo as alforrecas para simular a resistencia ao fluxo. Considerase interconectado o dominio de aire arredor das vigas de apoio na parte inferior. Adiciótase unha capa de aire adicional de 155 mm de altura baixo a envolvente para ter en conta o impacto da fundación na dissipación de calor.
No modelo establecido, os agujeros inferiores predefinidos, os agujeros superiores e os agujeros superiores-inferiores pertencen todos a medios porosos, cunha espesor de 10 mm (como o bloque amarelo-verde na Figura 3), así simulando a placa de malha. A especificación do agujero inferior é 1450 × 1200 mm², e a especificación dos agujeros superiores-inferiores é 550 × 500 mm². Tamén se estabelecen tres aberturas e unha placa de epoxi no modelo, e as aberturas determinánse como estado aberto ou pechado segundo a situación real. Xeralmente, se se adopta o tipo de suelo, o agujero superior, a placa de epoxi e a Abertura 1 están en estado aberto; se se adopta o tipo de agujero inferior, o agujero superior, o agujero inferior e as Aberturas 1/2/3 están todas en estado aberto.
2.3 Análise da Distribución do Campo de Temperatura
A continuación, constrúese un modelo de elementos finitos mallando o modelo xeométrico. Asegúrase a unidade da convección natural e os modelos de malla interna, e refínase a mallado nas aberturas da envolvente e nas interfaces de aire para mellorar a precisión dos cálculos. Baseándose no modelo xeométrico, o modelo de elementos finitos ten 401,856 nodos e 518,647 mallas. Configuracións clave para o modelo de transformadora de poste:
