Hőkezelési tervezés padra helyezett transzformátorok számára
A tényleges működés során a pad-as transzformátorok tipikus hőtérkép-problémákkal néznek szembe:
A hővezetés optimalizálása érdekében ebben a tanulmányban véges elem analízist használnak egy 3D transzformátor modell építéséhez. A hőmérsékletmező eloszlásának megtervezésével azonosítja a túlhőt termelő helyeket, és fejleszti a hűtőrendszert.
1. A hőmérsékletmező alapjai
A hőmérsékletmező leírja a térbeli időbeli hőmérséklet-változásokat, ahol a hőgenerálás, -átadás és -eloszlás szorosan összekapcsolódik. A pad-as transzformátorok esetében a hő forrása a magok, tekercsek stb. A működési feltételek és időtartamok változtatják a hő mintázatát, és a több közeges interakció (mag, teker, izoláció) egyenletes hőmérséklet-eloszlást eredményez.
A hőátadás főleg konduktív úton (domináns, a hő átadása a teker-magokon keresztül a részecskéken keresztül a külső levegőbe) és konvekciós módon történik. A konduktív intenzitás korrelál a hőmérséklet-gradienssel – a hő a forró komponensekről a hidegebb részecskékre, majd a külső levegőbe terjed. A hőáram számítása a következő:
A képletben: q jelöli a hőáram sűrűségét; λ jelöli a hővezetőképességet; ∂t/∂x a hőmérséklet-gradiens, ami a hőmérséklet változásának sebességét adja meg a távolság szerint; n a hőkonverziós együttható. Ha különböző helyeken van hőmérséklet-különbség, a hő főleg cirkulál, hogy kiegyenlítheti a hőmérsékletet, és ez a hőmérséklet-egyensúly állapot a hőkonvekció. A pad-as transzformátor működése során a különböző részek által generált hő kapcsolatba kerül a levegővel, és közöttük átadódik, módosítva a környező gáz hőmérsékletét. Ez a folyamat során a hőátadás a hőkonvekció révén történik, amit a következő képlet ír le:
A képletben: h a konvektív hőátadás együtthatója, tf a folyadék hőmérséklete, és tw az objektum felületének hőmérséklete. Ha egy objektum hőmérséklete magasabb, mint az abszolút nulla, sugárzó hő jön létre, amit általában hősugárzási hőnek nevezünk. Más tényezők ugyanahhoz tartoznak, a generált sugárzás mennyisége változik, ahogy a hőmérséklet emelkedik (a hőmérséklet folyamatosan növekszik). A pad-as transzformátor működése során a berendezés maga nem lép közvetlen kontaktusba a hősugárzásban; amikor a transzformátor hőmérséklete stabilizálódik, a hősugárzás funkciója hőszétviteletet ér el a hősugárzás révén, és ez a folyamat a következő képlettel fejezhető ki:
A képletben: S jelöli a sugárzó felület nagyságát, T az objektum termodinamikai hőmérsékletét, és σ a sugárzó állandót. A pad-as transzformátorok hővezetési rendszerének tervezésekor főleg a véges elem analízis (FEA) módszerrel állítanak fel hőegyensúlyi egyenleteket. A számítások révén meghatározható a hőmérséklet minden csomópontján. Ez különösen hasznos a gyakorlatban nehéz elérni hőmérsékleti pontok mérésére, optimális forró pontok helyének meghatározására, és a kölcsönös elemzés végzésére. A hőmérsékletmező dekompozíciója FEA segítségével a következő alapelvek mentén történik:
Diskretizálja a háromdimenziós fizikai tartományt;
Használjon függvényeket a hőmérséklet-változások leírására bármely csomóponton belül az elemen;
Állítsa elő az elemek egyenleteit;
Összeállítsa az elemeket, és alkalmazza a külső excitációt a csomópontokon;
Oldja meg az egyenleteket, figyelembe véve a hőmérsékletmező határfeltételeit;
Számítsa ki a hőmérséklet-emelkedést minden csomóponton;
Vonja le az elem hőmérséklet-emelkedését a hőmérsékletmező egyenletekből.
2. A pad-as transzformátorok modellezése és hőmérsékletmező szimulációja
2.1 Véges elem modellezés
Az 1. táblázat a tanulmányban kiválasztott pad-as transzformátor releváns paramétereit sorolja fel. Ezen paraméterek alapján építünk véges elem modellt. Ezután egyszerűsített modelleket készítünk a magasfeszültségi teker, alacsonyfeszültségi teker és a pad-as transzformátor vasmagjának modellezésére.
A modell építése során, mivel a magasfeszültségi teker kimeneti termináljainak hajtásai viszonylag erősök, ezért a kezdeti tervezési fázisban nem veszik figyelembe. Egyszerűsítés céljából a vasmag egy monolitikus szerkezetként modellezhető, figyelmen kívül hagyva a rétegközi részhelyeket (ezek a rétegközi részhelyek a szilíciumvas tulajdonságainak segítségével kezelhetők, hogy figyelembe vegyék a anyag vezetőképességét). A transzformátor 3D szimulációs modellje az 1. ábrán látható.
A természetes konvekció hatásának elemzéséhez a szimulációs környezethez hozzáadjuk a külső levegő tartományt (5000mm x 5000mm x 3000mm méretű), lehetővé téve a transzformátor körül való realisztikus levegőáram mintázatok modellezését.
2.2 A pad-as transzformátor burkoló modellje
A tekercsek és a vasmag hőforrásokként modellezhetők, a hőtermelési ütemeik a transzformátor tervezési paramétereinek alapján számítható. A levegő tartomány beállítása a tetején nyomáscsatornákkal, a talajon és az oldalakon pedig beviteli csatornákkal, a környezeti hőmérséklet 300K-ra állítva. A szimuláció során a természetes konvekció paramétereinek kiszámítása a Rayleigh-szám alapján megfelelő turbulencia-modell kiválasztásával történik.
A burkoló geometriája (2. ábra) egyszerűsítve van, mivel összetett összetevői vannak. A tető lyukos paneleit figyelmen kívül hagyjuk, a teljes tetőt folyamatos levegő tartománynak tekintve. A tető alatti levegő kimeneteknél porózus média helyezhető, hogy a folyásellenállást szimulálja. A burkoló talaj alatti támogató gerendái közötti levegő tartomány összefüggőnek tekintendő. A burkoló alá 155 mm-es levegőréteg hozzáadható, hogy figyelembe vegye az alap hővezetési hatását.
A felállított modellben a korábban beállított alsó lyuk, felső lyuk és felső-alsó lyukok mind porózus média, 10 mm vastagságú (mint a 3. ábra sárga-zöld blokkja), így szimulálva a rácslemezt. Az alsó lyuk specifikációja 1450 × 1200 mm², a felső-alsó lyukok specifikációja 550 × 500 mm². A modellben három nyílás és egy epoxid lemez is beállítva van, és a nyílások nyitott vagy zárt állapotban vannak meghatározva a tényleges helyzet szerint. Általánosságban, ha pad-as típusú keretet használnak, a felső lyuk, az epoxid lemez és a 1. Nyílás nyitott állapotban van; ha alsó lyukas típust használnak, a felső lyuk, az alsó lyuk és a 1/2/3. Nyílások nyitott állapotban vannak.
2.3 A hőmérsékletmező eloszlásának elemzése
Ezután a geometriai modell háromszöglétesítésével építünk véges elem modellt. Győződjön meg a természetes konvekció és a belső hálózati modell egységességéről, és finomítsa a burkoló lyukakat és a levegő felületeit a számítási pontosság javítása érdekében. A geometriai modell alapján a véges elem modell 401 856 csomóponttal és 518 647 hálózattal rendelkezik. A pad-as transzformátor modell kulcsfontosságú beállításai:
Véges elem szoftverekkel a hőmérsékletmező modell mutatja, hogy a tekercsek a legmelegebbek a transzformátorban, utánuk a vasmag; a közeli levegő hőmérséklete is magas, és csökken a levegő emelkedése során, amíg a nyomáscsatorna környezeti hőmérsékletével egyezik. A működés során a meleg levegő kiterjesztése levegő gyűjtődését és ütközését okozza a környezeti és csatornalevegő között (folyamatos hőt és térfogat növekedése miatt). A levegő viszkozitása befolyásolja a csatornafolyást és a folyásmezőt. A meleg levegő gyorsítódik a talaj közelében, és lassul a távolság növekedésével; a folyás-felületi kapcsolat hőtartomány réteget formál, amely vastagsága miatt csökkenti a hőátadási együtthatókat, növeli a hőmérsékletet és a levegő viszkozitását, miközben csökkenti a folyássebességet. A meleg levegő módosítja a transzformátor feletti hőmérsékletet, a hőmérséklet arányos a hősugárzással.
3. A pad-as transzformátorok hővezetési tervezése
3.1 Modell elemzése
A pad-as transzformátorok biztonságos keretekben vannak elhelyezve. A keret belső részének sima levegőáramlásának biztosítása és a transzformátor hővezetési teljesítményének maximalizálása érdekében axiális folyamú ventilátorokat kell beállítani a berendezés belső részéből a meleg levegő kivenetére. Ugyanakkor hőcserélőket kell telepíteni a keret külső részére, hogy hőcserét hozzanak létre. A hőcserének révén a transzformátor belső részében a levegő folyamatos cirkulációját lehet elősegíteni.
A pad-as transzformátorok működése során a hő főleg a tekercsek és a vasmag által termelődik. Ezért a tervezésnek a két komponens levegőáramlásának állapotaira kell összpontosítania, és a hővezetési modell felépítéséhez a releváns elemeket integrálnia kell.
3.2 Modellparaméterek meghatározása
A pad-as transzformátorok esetében a belső levegő paramétereinek és a hőmérsékleti teljesítményi paramétereinek különbsége relatíve kicsi. A szilíciumvaslapok kiválasztásakor prioritást kell élvezniük a hőálló teljesítményük miatt. Ugyanakkor a rézdrótok és az izoláló rezin numerikus arányának elemzése segít meghatározni a hőteljesítményi paramétereket.
3.3 Állapot beállítása
A pad-as transzformátor levegő be- és kimenetén a nyomás átlagosan egy atmoszféri nyomás. A hőcserélő teljesítményével kombinálva a hideg levegő hőmérséklete a bejövő feltételként szolgál a véges elem modell felépítéséhez, és a szimmetria síkját és a levegő be- és kimeneti irányát definiálja.
3.4 Eredményelemzés
A modell felépítése és a peremfeltételek beállítása után számításokat végeznek. Az elemzés azt mutatja, hogy a pad-as transzformátor levegő kimenete a legmelegebb pont, ahol a hőmérséklet 394,5 K (ami megfelel 120,5°C forró pont hőmérsékletnek). A vasmag legmelegebb pontja messze van a levegő kimenettől, és a kiszámított forró pont hőmérséklete 110°C. Továbbá a levegő be- és kimenetéhez közeli helyek rossz hővezetési teljesítménnyel bírnak.
3.5 Be- és kimenő levegő elemzése
Levegőáram-sebesség változásának szimulálása: Ha a meleg, magasfeszültségi teker közel van a levegő kimenethez, és a kimenet derékszögű szerkezetű, akkor ez befolyásolja a levegő nyomását, és a burkoló belső részének levegőjét ritkítja, ami kedvezőtlen a hővezetésre.
Ez alapján optimalizálják a levegő kimenetet: A levegő kimenetet körülbelül 30 cm-rel felfelé helyezik, a magasság változatlan marad, és egyidejűleg csökkentik a levegő bejövő szélességét (főleg 10 cm-rel), így a burkoló teljes hossza 20 cm-rel növekszik. A számítások alapján ebben az esetben a teker forró pont hőmérséklete és átlaghőmérséklete jelentősen csökken. A levegőáram mező sebesség eloszlásának elemzése alapján a teker levegőáram 120°-os szöget zár be, amikor a levegő kimenetre kerül, ami azt jelzi, hogy a levegőáram sima.
3.6 Összefoglalás
A pad-as transzformátorok kulcsszerepet játszanak a villamosenergia elosztási rendszerben. Ha a működés során termelt nagy mennyiségű hőt nem tudják időben kivezetni, ez hibákhoz és a rendszer stabilitásának fenyegetéséhez vezethet. A tervezőknek mélyrehatóan kell elemezniük a pad-as transzformátorok hővezetési problémáit, kombinálni a hőmérsékletmező változásait, és tudományos módszerek, például a véges elem módszer használatával építeni hővezetési modelleket, optimalizálni a berendezés hővezetési rendszerét, és javítani a teljes hővezetési hatékonyságot.
