עיצוב ניהול חום עבור טרנספורמיטורים מותקנים על בסיס
במהלך פעילותจริง, טרנספורמציות מונפות מתמודדות עם בעיות טמפרטורה טיפוסיות:
כדי לשפר את פיזור החום, המאמר הזה משתמש בניתוח איבר סופי לבניית מודל תלת-ממדי של הטרנספורמציה. באמצעות מיפוי התפלגות השדות הטמפרטורה, הוא מזהה נקודות חמות של חימום יתר ומפצל את עיצוב מערכת האירוח.
1. עקרונות בסיסיים של שדה הטמפרטורה
שדה טמפרטורה מתאר שונות טמפרטורה מרחבית-זמנית, כאשר יצירה, העברת והפצת חום קשורים הדוק. עבור טרנספורמציות מונפות, החום מוצא את מקורותיו בליבות, מסלולים וכדומה. תנאי פעולה/משך פעולה משנים את דפוסי החום, ותאוריית האינטראקציה בין מדיות (ליבות, מסלולים, מבודדים) יוצרת התפלגות טמפרטורה לא אחידה.
העברת חום מתבצעת דרך הובלה (המשרה, מדריכה חום מהמסלולים/הליבות דרך смола-изолятор в окружающий воздух) ותאורה. עוצמת ההובלה קשורה לתנודות הטמפרטורה—חום עובר מאלמנטים חמים לסмолת קר יותר, ואז מתפזר לאוויר החיצוני. חישובים של זרם חום עוקבים אחר:
בנוסחה: q מייצגת צפיפות זרם החום;λ מייצגת מוליכות חום; ∂t/∂x הוא הגרדיאנט הטמפרטורה, המשקף את קצב שינוי הטמפרטורה מרחק; n הוא מקדם המרת חום. כאשר יש הבדלים בטמפרטורה במיקומים שונים, החום בעיקר מרחף כדי להאזן לטמפרטורה, והמצב הזה של איזון טמפרטורה הוא תאורה. במהלך הפעלת טרנספורמציה מונפת, החום שנוצר על ידי חלקים שונים יבוא במגע עם אוויר ויתעביר ביניהם, מה שגורם לשינויים בטמפרטורת הגז הסביבתי. במהלך תהליך זה, העברת חום מתבצעת דרך תאורה, שאפשר לבטא בנוסחה הבאה:
בנוסחה, h הוא מקדם העברת חום תאורטי, tf מייצגת את טמפרטורת הזורם, ו- tw מייצגת את טמפרטורת פני השטח של האובייקט. כאשר טמפרטורת אובייקט גבוהה מאפס מוחלט, ייווצר חום רדיואטיבי, בדרך כלל מכונה קרינה תרמית. כשגורמים אחרים נשארים ללא שינוי, הכמות של הקרינה שנוצרת בין אובייקטים תשתנה כשהטמפרטורה עולה (עם הטמפרטורה שמתחזקת בצורה מתמידה). במהלך הפעלת טרנספורמציה מונפת, המכשיר עצמו אינו בא במגע ישיר לקרינת חום; כשהטמפרטורה של הטרנספורמציה מתיצבת, תפקוד הקרינה התרמית שלו יאפשר פיזור חום דרך קרינת חום, ותהליך זה יכול לבוא לידי ביטוי בנוסחה הבאה:
בנוסחה, S מסמלת שטח הקרינה, T היא הטמפרטורה התרמודינמית של האובייקט, ו-σ היא קבוע הקרינה. בהכנה לעיצוב מערכת פיזור החום עבור טרנספורמציות מונפות, מתבצע בעיקר בשיטה של ניתוח איבר סופי (FEA) לבנות משוואות איזון תרמי. דרך חישובים, ניתן לקבוע את הטמפרטורה בכל נקודה של האובייקט. זה במיוחד שימושי למדידת נקודות טמפרטורה שקשה להשיג בפועל, לזהות מיקומי חם אופטימליים, ואז לבצע ניתוח כפול. העקרונות המרכזיים של פירוק שדה הטמפרטורה באמצעות FEA הם כדלקמן:
תיכנות את תחום הפיזי התלת-ממדי;
שימוש בפונקציות לתיאור השינויים בטמפרטורה בכל נקודה בתוך האיבר;
בניית משוואות איבר;
הרכבה של האיברים ושילוב התמריצים החיצוניים בנקודות;
פתרון המשוואות תוך שילוב תנאי גבול של שדה הטמפרטורה;
חישוב עליית הטמפרטורה בכל נקודה;
הסקת עליית הטמפרטורה של האיבר בהתבסס על משוואות שדה הטמפרטורה.
2. מודל וシミュレーションの温度フィールド
2.1 有限元建模
表1列出了本文选用的地埋变压器的相关参数。根据这些参数建立有限元模型。随后，对地埋变压器的高压绕组、低压绕组和铁芯建立了简化模型。
在模型构建过程中，由于高压绕组出线端子的焊接连接相对牢固，在初始设计阶段不予考虑。为简化起见，铁芯被建模为一体化结构，层间间隙被忽略（这些间隙通过硅钢块的特性来解决以考虑材料导电性）。变压器的三维仿真模型如图1所示。
为了分析自然对流对散热的影响，在仿真环境中添加了外部空气域（尺寸为5000mm×5000mm×3000mm），从而能够真实模拟变压器周围的气流模式。
2.2 地埋变压器外壳模型
绕组和铁芯被建模为热源，其发热率基于变压器设计参数计算。空气域配置顶部压力出口和底部及侧面的入口，环境温度设置为300K。在仿真过程中，通过选择适当的湍流模型来导出自然对流参数，该湍流模型基于瑞利数。
外壳几何形状（图2）由于其复杂的复合结构而进行了简化。屋顶的穿孔板被忽略，整个屋顶被视为连续的空气域。檐口下的空气出口处放置多孔介质以模拟流动阻力。外壳底部支撑梁周围的空气域被视为相互连通。在外壳下方增加了一个高155毫米的空气层，以考虑基础对散热的影响。
在已建立的模型中，预设的底部孔、顶部孔和上下孔都属于多孔介质，厚度为10毫米（如图3中的黄绿色块），从而模拟网格板。底部孔的规格为1450 × 1200 mm²，上下孔的规格为550 × 500 mm²。模型中还设置了三个开口和一个环氧板，并根据实际情况确定这些开口是开启还是关闭状态。通常，如果采用地面安装方式，则顶部孔、环氧板和开口1处于开启状态；如果采用底部开孔方式，则顶部孔、底部孔和开口1/2/3均处于开启状态。
2.3 温度场分布分析
接下来，通过网格划分几何模型建立有限元模型。确保自然对流与内部网格模型的一致性，并在外壳孔洞和空气界面处细化网格，以提高计算精度。基于几何模型，有限元模型具有401,856个节点和518,647个网格。地埋变压器模型的关键设置如下：
使用有限元软件，温度场模型显示：绕组是变压器中最热的部分，其次是铁芯；相邻空气温度也较高，随着空气上升而逐渐降低，直到与压力出口处的环境温度匹配。在运行过程中，热空气膨胀导致空气积聚和环境空气与管道空气之间的碰撞（由于持续加热和体积增加）。空气粘度影响管道流动和流场。热空气在地面附近加速并在远离地面时减速；气流-表面接触形成热边界层，由于其厚度较大，降低了传热系数，增加了温度和空气粘度，同时减小了流速。热空气改变了变压器上方的温度，温度与热辐射成正比。
3 地埋变压器的散热设计
3.1 模型分析
地埋变压器布置在安全等级较高的外壳内。为了确保外壳内的空气流通顺畅并充分发挥变压器的散热性能，需要配置轴流风机将设备内部的热空气排出。同时，在外壳外部安装散热器以实现热交换。通过热交换，可以促进变压器内部空气的持续循环。
在地埋变压器运行过程中，主要由绕组和铁芯产生热量。因此，设计需要重点关注这两个部件的气流状态，并结合相关元素来构建散热模型。
3.2 模型参数确定
对于地埋变压器，室内空气参数与温度性能参数之间的差异相对较小。在选择硅钢片时，应优先考虑其耐热性能。同时，分析铜线与绝缘树脂的比例，以确定热性能参数。
3.3 条件设定
地埋变压器的进气口和出气口的平均压力为一个大气压。结合散热器的性能，将冷空气的温度作为进口条件建立有限元模型，并定义对称平面和空气进出口方向。
3.4 结果分析
建立模型并设置边界条件后进行计算。分析表明，地埋变压器的出气口是最热点，温度达到394.5K（对应热点温度为120.5℃）。铁芯的最热点远离出气口，计算得到的热点温度为110℃。此外，靠近进出气口的位置散热性能较差。
3.5 进出气口分析
模拟气流速度的变化：如果高温高压绕组内置靠近出气口且出气口有直角结构，会影响气压，使封装内部的空气变稀薄，不利于散热。
基于此，优化出气口设计：将出气口向上移动约30厘米，高度不变，同时减少进气口宽度（主要减少10厘米），使外壳整体长度增加20厘米。经过计算，在此方案下，绕组的热点温度和平均温度显著下降。分析气流速度分布，绕组气流在转移到出气口时呈120°角，表明气流顺畅。
3.6 总结
地埋变压器在电力分配系统中起着关键作用。如果在运行过程中产生的大量热量不能及时散发，很可能会导致故障并威胁系统的稳定性。设计人员需要深入分析地埋变压器的散热问题，结合温度场的变化，使用有限元方法等科学手段建立散热模型，优化设备的散热系统，提高整体散热效率。
