Dizajn upravljanja toplinom za transformatore s podnožjem
Tijekom stvarne operacije, pad-mounted transformatori suočavaju se s tipičnim toplinskim problemima:
Za optimizaciju otpisa topline, u ovom radu korištena je metoda konačnih elemenata za izgradnju 3D modela transformatora. Mapiranjem distribucija toplinskog polja identificirani su točke pregrjevanja, a dizajn hlađeće sustava usavršen.
1. Osnove toplinskog polja
Toplinsko polje opisuje prostorno-vremenske varijacije temperature, s generacijom, prijenosom i distribucijom topline strogo vezanim. Za pad-mounted transformatore, toplina potječe iz jezgri, vitiha itd. Radni uvjeti i trajanja mijenjaju toplinske uzorce, a interakcije više sredstava (jezgre, vitihe, izolacija) stvaraju nejednaku distribuciju temperature.
Prijenos topline događa se putem kondukcijskog prijenosa (dominantan, pogon topline od vitihih/jezgri kroz izolacijski smole do okolišne zrake) i konvekcije. Intenzitet kondukcije koristi se s gradijentima temperature - toplina se kreće od vrućih komponenti prema hladnijoj smoli, zatim se disipira u vanjsku zraku. Izračun toplinskog toka sljedeći je:
U formuli: q predstavlja gustoću toplinskog toka; λ predstavlja toplinsku provodljivost; ∂t/∂x je gradijent temperature, koji odražava stopu promjene temperature s udaljenošću; n je koeficijent pretvorbe topline. Kada postoje razlike temperature na različitim pozicijama, toplina uglavnom cirkulira kako bi se utjednile temperature, a to stanje ravnoteže temperature je toplinska konvekcija. Tijekom rada pad-mounted transformatora, toplina generirana različitim dijelovima dolazi u kontakt s zrakom i prijenosi se između njih, uzrokujući promjene temperature okružujućeg plinova. Tijekom ovog procesa, prijenos topline postiže se putem toplinske konvekcije, što se može izraziti sljedećom formulom:
U formuli, h je koeficijent konvektivnog prijenosa topline, tf predstavlja temperaturu fluida, a tw predstavlja temperaturu površine objekta. Kada je temperatura objekta veća od apsolutne nule, generirat će se radijativna toplina, obično nazvana toplinska radijacija. S druge strane, ako ostale faktore ostavimo nepromijenjene, količina generirane radijacije između objekata će se mijenjati s porastom temperature (uz kontinuirani porast temperature). Tijekom rada pad-mounted transformatora, oprema sama po sebi ne dolazi u izravni kontakt s toplinskom radijacijom; kada se temperatura transformatora stabilizira, njegova funkcija toplinske radijacije postići će otpis topline putem toplinske radijacije, a taj proces se može izraziti sljedećom formulom:
U formuli, S označava površinu radijanca, T je termodinamička temperatura objekta, a σ je konstanta radijanca. Kod dizajna hlađećeg sustava za pad-mounted transformatore, glavno se koristi metoda konačnih elemenata (FEA) za izgradnju jednadžbi toplinske ravnoteže. Kroz izračune, može se odrediti temperatura svakog čvora objekta. To je posebno korisno za mjerenje temperaturnih točaka koje su teško dostupne u praksi, identifikaciju optimalnih lokacija točaka pregrjevanja, a zatim provedbu koppeliranog analize. Ključni principi dekompozicije toplinskog polja pomoću FEA su sljedeći:
Diskretizacija trodimenzionalnog fizičkog domena;
Korištenje funkcija za opis varijacija temperature bilo kojeg čvora unutar elementa;
Izrada jednadžbi elementa;
Asambliranje elemenata i primjena vanjskih pobude na čvorove;
Rješavanje jednadžbi uzimajući u obzir granice toplinskog polja;
Izračun porasta temperature na svakom čvoru;
Izvođenje porasta temperature elementa temeljem jednadžbi toplinskog polja.
2 Modeliranje i simulacija toplinskog polja pad-mounted transformatora
2.1 Modeliranje konačnim elementima
Tablica 1 navodi relevantne parametre pad-mounted transformatora odabranog u ovom radu. Na temelju tih parametara izgrađen je model konačnim elementima. Zatim su izgrađeni pojednostavljeni modeli za visokonaponsku vitihu, niskonaponsku vitihu i željeznu jezgru pad-mounted transformatora.
Tijekom izgradnje modela, budući da su spajanja savaranih konekcija izlaznih terminala visokonaponske vitihe relativno čvrsta, ona se ne uzimaju u obzir u inicijalnoj fazi dizajna. Za pojednostavljivanje, jezgra je modelirana kao monolitna struktura, s međuslojevnim razmacima zanemarena (ovi razmaci se obrade putem svojstava masivne silicijske čelike za računanje provodnosti materijala). 3D simulacijski model transformatora prikazan je na slici 1.
Za analizu efekata prirodnih konvekcija na otpis topline, dodan je vanjski zračni domen (s dimenzijama od 5000mm×5000mm×3000mm) u simulacijsko okruženje, omogućujući realistično modeliranje uzoraka toka zraka oko transformatora.
2.2 Oklopni model pad-mounted transformatora
Vitihe i jezgra modelirane su kao izvore topline, s njihovim stopama generiranja topline izračunate na osnovu parametara dizajna transformatora. Zračni domen konfiguriran je s izlaznim otvorima na vrhu i ulaznim otvorima raspoređenim duž dna i strana, održavajući okružnu temperaturu postavljenu na 300K. Tijekom simulacija, parametri prirodnih konvekcija izvedeni su odabirom odgovarajućeg modela turbulencije na temelju Rayleighovog broja.
Geometrija oklopa (Slika 2) pojednostavljena je zbog složene kompozitne strukture. Perforirane ploče na krovu zanemarene su, a cijeli krov tretiran je kao neprekidni zračni domen. Poroza medija postavljena su na zračne izlaze ispod nadvesaka kako bi se simulirao otpor protoka. Zračni domen oko donjih nosača oklopa smatra se povezan. Dodatna sloj zraka visine 155mm dodan je ispod oklopa kako bi se uzela u obzir utjecaj temelja na otpis topline.
U izgrađenom modelu, prethodno postavljeni dornji otvori, gornji otvori i gornji-donji otvori svi pripadaju poroznom mediju, s debljinom od 10 mm (poput žuto-zelenog bloka na slici 3), simulirajući mrežnu ploču. Specifikacija dornjeg otvora je 1450 × 1200 mm², a specifikacija gornjeg-donjeg otvora je 550 × 500 mm². U modelu su također postavljeni tri otvora i epoksna ploča, a otvori su određeni kao otvoreni ili zatvoreni prema stvarnoj situaciji. Općenito, ako se koristi podna vrsta, gornji otvor, epoksna ploča i Otvor 1 su u otvorenom stanju; ako se koristi dornja vrsta, gornji otvor, dornji otvor i Otvore 1/2/3 su svi u otvorenom stanju.
2.3 Analiza distribucije toplinskog polja
Nakon toga, izgrađen je model konačnim elementima mrežnjajući geometrijski model. Osigurajte jedinstvenost prirodnih konvekcija i internih mrežnih modela, i fino mrežnjujte na otvorima oklopa i zračnim sučeljima kako biste povećali preciznost izračuna. Na temelju geometrijskog modela, model konačnim elementima ima 401.856 čvorova i 518.647 mreža. Ključna postavka za model pad-mounted transformatora:
Korištenjem softvera za konačne elemente, model toplinskog polja pokazuje: Vitije imaju najveću temperaturu u transformatoru, zatim slijedi jezgra; susjedna zračna temperatura također je visoka, smanjujući se tijekom uspona zraka dok ne dosegnemo okružnu temperaturu na izlaznom tlaku. Tijekom rada, ekspanzija vruhe zrake uzrokuje nagomilanje zraka i sudare između okružnog i kanalnog zraka (zbog kontinuiranog zagrijavanja i povećanja volumena). Viskoznost zraka utječe na tok u kanalu i polje toka. Vruha zraka ubrzava blizu zemlje i usporava se dalje; kontakt toka zraka i površine formira toplinski granicni sloj, koji, zbog svoje debljine, smanjuje koeficijente prijenosa topline, povećavajući temperaturu i viskoznost zraka, a smanjujući brzinu toka. Vruha zraka mijenja temperaturu iznad transformatora, s temperaturom proporcionalnom toplinskoj radijaciji.
3 Dizajn hlađećeg sustava pad-mounted transformatora
3.1 Analiza modela
Pad-mounted transformatori su raspoređeni unutar oklopa s visokim stupnjem sigurnosti. Da bi se osiguralo gladko cirkuliranje zraka unutar oklopa i maksimalno iskoristila hlađeća sposobnost transformatora, potrebno je konfigurirati aksijalne ventilatore kako bi se vruha zraka ispuštala iz unutrašnjosti opreme. U isto vrijeme, hladnjaci su instalirani izvan oklopa kako bi se postigao prijenos topline. Putem prijenosa topline, moguće je promicati kontinuirano cirkuliranje zraka unutar transformatora.
Tijekom rada pad-mounted transformatora, toplina se uglavnom generira u vitiham i jezgri. Stoga, dizajn treba usmjeriti na stanja toka zraka ova dva komponenta i integrirati relevantne elemente za izgradnju hlađećeg modela.
3.2 Određivanje parametara modela
Za pad-mounted transformatore, razlike između parametara zračnih uvjeta unutra i toplinskog performansa su relativno male. Prilikom odabira silicijskih čelike, njihova toplinska otpornost treba biti prioritet. U isto vrijeme, analizirana je numerička omjer bakrenih žica i izolacijske smole kako bi se odredili toplinski performansni parametri.
3.3 Postavljanje uvjeta
Prosječni tlak na ulazu i izlazu zraka pad-mounted transformatora je jedna atmosferski tlak. U kombinaciji s performansom hladnjaca, temperatura hladnog zraka uzeta je kao ulazni uvjet za izgradnju modela konačnim elementima, a definirana su simetrijska ravnina i smjer ulaza-izlaza zraka.
3.4 Analiza rezultata
Nakon izgradnje modela i postavljanja granica, provedeni su izračuni. Analiza pokazuje da je izlazni otvor zraka pad-mounted transformatora najtoplija točka, s temperaturom koja doseže 394.5K (odgovara točki pregrjevanja od 120.5℃). Najtoplija točka jezgre udaljena je od izlaznog otvora zraka, a izračunata točka pregrjevanja je 110℃. Također, pozicije blizu ulaznih i izlaznih otvora zraka imaju lošu hlađeću sposobnost.
3.5 Analiza ulaza i izlaza zraka
Simulacija promjene brzine toka zraka: Ako je vruča visokonaponska vitija postavljena blizu izlaznog otvora zraka i izlazni otvor ima pravokutnu strukturu, utjecat će na tlak zraka, čime će zrak unutar enkapsulacije postati tanki i nepovoljan za otpis topline.
Na temelju toga, optimiziran je dizajn izlaznog otvora: izlazni otvor pomaknut je gore oko 30cm, zadržavajući visinu nepromijenjenu, a istodobno smanjena je širina ulaznog otvora (glavno smanjena za 10cm), tako da se ukupna duljina oklopa poveća za 20cm. Nakon izračuna, u skladu s ovim shemom, točka pregrjevanja i prosječna temperatura vitiha znatno smanjena. Analizirajući distribuciju brzine toka zraka, točka pregrjevanja vitiha pokazuje kut od 120° kada se prenese na izlazni otvor, što ukazuje da je točka pregrjevanja gladka.
3.6 Sažetak
Pad-mounted transformatori igraju ključnu ulogu u sustavu raspodjele struje. Ako velika količina topline generirana tijekom rada ne može se na vrijeme otpisati, vjerojatno će doći do grešaka i prijetiti stabilnosti sustava. Dizajneri moraju duboko analizirati probleme hlađenja pad-mounted transformatora, kombinirati s promjenama toplinskog polja, koristiti znanstvene metode poput metode konačnih elemenata za izgradnju hlađećih modela, optimizirati hlađeći sustav opreme i povećati ukupnu učinkovitost hlađenja.
