Desain Manajemen Termal untuk Trafo Pad-Mounted

Selama operasi sebenarnya, transformator pad-mount menghadapi masalah panas yang umum:

• Perjalanan suhu tinggi/beban tinggi: Cenderung terjadi trip pada kondisi suhu tinggi dan beban tinggi yang berkelanjutan.

• Kegagalan kipas & termostat: Penggunaan kipas jangka panjang menyebabkan kerusakan, merusak termostat dan memblokir pembuangan udara panas, mengganggu operasi.

• Penempatan kipas yang buruk: Menempatkan kipas di bagian atas kabinet memaksa pemeliharaan/penggantian dengan matikan daya; layout ini juga menahan panas, meningkatkan suhu ruangan hingga level bahaya luka bakar.

Untuk mengoptimalkan disipasi panas, makalah ini menggunakan analisis elemen hingga untuk membangun model transformator 3D. Dengan memetakan distribusi medan suhu, titik-titik panas yang overheating dapat diidentifikasi dan desain sistem pendingin diperbaiki.

1. Dasar-dasar Medan Suhu

Medan suhu menggambarkan variasi suhu spasial-temporal, dengan pembangkitan, transfer, dan distribusi panas saling terkait erat. Untuk transformator pad-mount, panas berasal dari inti, gulungan, dll. Kondisi operasi/durasi mengubah pola panas, dan interaksi multi-media (inti, gulungan, isolasi) menciptakan distribusi suhu yang tidak merata.

Transfer panas melalui konduksi (dominan, mendorong panas dari gulungan/inti melalui resin isolasi ke udara lingkungan) dan konveksi. Intensitas konduksi berkorelasi dengan gradien suhu—panas bergerak dari komponen panas ke resin yang lebih dingin, kemudian disipasikan ke udara eksternal. Perhitungan fluks panas sebagai berikut:

Dalam rumus: q mewakili densitas fluks panas;λ mewakili konduktivitas termal; ∂t/∂x adalah gradien suhu, mencerminkan laju perubahan suhu dengan jarak; n adalah koefisien konversi panas. Ketika ada perbedaan suhu di posisi yang berbeda, panas utamanya beredar untuk menyeimbangkan suhu, dan keadaan keseimbangan suhu ini adalah konveksi panas. Selama operasi transformator pad-mount, panas yang dihasilkan oleh berbagai bagian akan bersentuhan dengan udara dan ditransfer antara mereka, menyebabkan perubahan suhu gas sekitar. Selama proses ini, transfer panas dicapai melalui konveksi panas, yang dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

Dalam rumus, h adalah koefisien transfer panas konveksi, t_f mewakili suhu fluida, dan t_w mewakili suhu permukaan objek. Ketika suhu objek lebih tinggi dari nol mutlak, radiasi panas akan dihasilkan, biasanya disebut radiasi termal. Dengan faktor lain tetap, jumlah radiasi yang dihasilkan antara objek akan berubah seiring kenaikan suhu (dengan suhu terus naik). Selama operasi transformator pad-mount, peralatan itu sendiri tidak bersentuhan langsung dengan radiasi termal; ketika suhu transformator stabil, fungsinya dalam radiasi termal akan mencapai disipasi panas melalui radiasi termal, dan proses ini dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

Dalam rumus, S menggambarkan luas permukaan radiasi, T adalah suhu termodinamika objek, dan σ adalah konstanta radiasi. Dalam merancang sistem disipasi panas untuk transformator pad-mount, metode analisis elemen hingga (FEA) digunakan secara utama untuk menetapkan persamaan keseimbangan termal. Melalui perhitungan, suhu di setiap node objek dapat ditentukan. Ini sangat berguna untuk mengukur titik suhu yang sulit diperoleh dalam praktik, mengidentifikasi lokasi hotspot optimal, dan kemudian melakukan analisis keterkaitan. Prinsip-prinsip inti dekomposisi medan suhu menggunakan FEA adalah sebagai berikut:

• Diskritisasi domain fisik tiga dimensi;

• Gunakan fungsi untuk menggambarkan variasi suhu di setiap node dalam elemen;

• Buat persamaan elemen;

• Rakit elemen dan terapkan eksitasi eksternal di node;

• Selesaikan persamaan dengan mempertimbangkan kondisi batas medan suhu;

• Hitung kenaikan suhu di setiap node;

• Turunkan kenaikan suhu elemen berdasarkan persamaan medan suhu.

2 Pemodelan dan Simulasi Medan Suhu Transformator Pad-Mount
2.1 Pemodelan Elemen Hingga

Tabel 1 mencantumkan parameter relevan dari transformator pad-mount yang dipilih dalam makalah ini. Model elemen hingga dibangun berdasarkan parameter ini. Kemudian, model sederhana dibuat untuk gulungan tegangan tinggi, gulungan tegangan rendah, dan inti besi transformator pad-mount.

Selama pembangunan model, karena koneksi las terminal outlet gulungan tegangan tinggi relatif kuat, mereka tidak dipertimbangkan dalam fase desain awal. Untuk penyederhanaan, inti besi dimodelkan sebagai struktur monolit, dengan celah antar-lapisan diabaikan (celah-celah ini ditangani melalui sifat baja silikon massal untuk mengakomodasi konduktivitas material). Model simulasi 3D transformator ditunjukkan pada Gambar 1.

Untuk menganalisis efek konveksi alami pada disipasi panas, domain udara eksternal (dengan dimensi 5000mm×5000mm×3000mm) ditambahkan ke lingkungan simulasi, memungkinkan pemodelan realistis pola aliran udara di sekitar transformator.

2.2 Model Enklosur Transformator Pad-Mount

Gulungan dan inti besi dimodelkan sebagai sumber panas, dengan laju pembangkitan panas mereka dihitung berdasarkan parameter desain transformator. Domain udara dikonfigurasikan dengan outlet tekanan di bagian atas dan inlet yang tersebar di bagian bawah dan samping, menjaga suhu lingkungan tetap pada 300K. Selama simulasi, parameter konveksi alami diperoleh dengan memilih model turbulensi yang sesuai berdasarkan angka Rayleigh.

Geometri enklosur (Gambar 2) disederhanakan karena struktur kompositnya yang kompleks. Panel berlubang atap diabaikan, menganggap seluruh atap sebagai domain udara kontinu. Media poros ditempatkan di outlet udara di bawah eaves untuk mensimulasikan resistansi aliran. Domain udara di sekitar balok penyangga bawah enklosur dianggap saling terhubung. Lapisan udara tambahan setinggi 155mm ditambahkan di bawah enklosur untuk memperhitungkan dampak fondasi pada disipasi panas.

Dalam model yang dibangun, lubang bawah, lubang atas, dan lubang atas-bawah yang telah ditetapkan semua termasuk media poros, dengan ketebalan 10 mm (seperti blok kuning-hijau pada Gambar 3), sehingga mensimulasikan pelat mesh. Spesifikasi lubang bawah adalah 1450 × 1200 mm², dan spesifikasi lubang atas-bawah adalah 550 × 500 mm². Tiga bukaan dan pelat epoxy juga ditetapkan dalam model, dan bukaan tersebut ditentukan dalam keadaan terbuka atau tertutup sesuai situasi aktual. Secara umum, jika jenis floor-mounted dipilih, lubang atas, pelat epoxy, dan Bukaan 1 dalam keadaan terbuka; jika jenis bottom-holed dipilih, lubang atas, lubang bawah, dan Bukaan 1/2/3 semua dalam keadaan terbuka.

2.3 Analisis Distribusi Medan Suhu

Selanjutnya, model elemen hingga dibangun dengan mengisi model geometris. Pastikan kesatuan konveksi alami dan model mesh internal, dan haluskan pengisian mesh di lubang enklosur dan antarmuka udara untuk meningkatkan akurasi perhitungan. Berdasarkan model geometris, model elemen hingga memiliki 401.856 node dan 518.647 mesh. Pengaturan kunci untuk model transformator pad-mount:

• Antarmuka fluida-struktur: Antarmuka udara, keadaan no-slip untuk konservasi panas.

• Permukaan adiabatik: Atas atap, sisi balok penyangga bawah, dan udara eksternal.

• Permukaan konduktor panas: Sisi enklosur (pelat baja 1mm tebal), semua dinding enklosur (pelat baja 2mm tebal), dengan lubang atas terbuka dan lubang bawah tertutup.

Menggunakan perangkat lunak elemen hingga, model medan suhu menunjukkan: Gulungan memiliki suhu tertinggi di transformator, diikuti oleh inti besi; suhu udara sekitarnya juga tinggi, menurun saat udara naik hingga mencocokkan suhu lingkungan di outlet tekanan. Selama operasi, ekspansi udara panas menyebabkan akumulasi udara dan tabrakan antara udara lingkungan dan udara saluran (karena pemanasan berkelanjutan dan peningkatan volume). Viskositas udara mempengaruhi aliran saluran dan lapangan aliran. Udara panas berakselerasi dekat tanah dan melambat menjauh; kontak aliran udara-permukaan membentuk lapisan batas termal, yang, karena ketebalannya, mengurangi koefisien transfer panas, meningkatkan suhu dan viskositas udara sambil mengurangi kecepatan aliran. Udara panas mengubah suhu di atas transformator, dengan suhu proporsional terhadap radiasi termal.

3 Desain Disipasi Panas Transformator Pad-Mount
3.1 Analisis Model

Transformator pad-mount ditempatkan di dalam enklosur dengan tingkat keamanan tinggi. Untuk memastikan sirkulasi udara lancar di dalam enklosur dan memberikan performa disipasi panas transformator secara maksimal, kipas aliran aksial perlu dikonfigurasi untuk mengeluarkan udara panas dari interior peralatan. Sementara itu, heatsink dipasang di luar enklosur untuk mencapai pertukaran panas. Melalui pertukaran panas, sirkulasi udara berkelanjutan di dalam transformator dapat dipromosikan.

Selama operasi transformator pad-mount, panas utamanya dihasilkan oleh gulungan dan inti besi. Oleh karena itu, desain perlu fokus pada keadaan aliran udara kedua komponen ini dan mengintegrasikan elemen-elemen relevan untuk membangun model disipasi panas.

3.2 Penentuan Parameter Model

Untuk transformator pad-mount, perbedaan antara parameter udara indoor dan parameter kinerja suhu relatif kecil. Saat memilih lembaran baja silikon, kinerja tahan panasnya harus menjadi prioritas. Sementara itu, rasio numerik antara kawat tembaga dan resin isolasi dianalisis untuk menentukan parameter kinerja termal.

3.3 Penyetelan Kondisi

Tekanan rata-rata di inlet dan outlet udara transformator pad-mount adalah satu atmosfer. Dikombinasikan dengan kinerja heatsink, suhu udara dingin diambil sebagai kondisi inlet untuk membangun model elemen hingga, dan bidang simetri dan arah inlet-outlet udara ditentukan.

3.4 Analisis Hasil

Setelah model dibangun dan kondisi batas ditetapkan, perhitungan dilakukan. Analisis menunjukkan bahwa outlet udara transformator pad-mount adalah titik terpanas, dengan suhu mencapai 394,5K (berkorespondensi dengan suhu titik panas 120,5℃). Titik panas inti besi jauh dari outlet udara, dan suhu titik panas yang dihitung adalah 110℃. Selain itu, posisi dekat inlet dan outlet udara memiliki kinerja disipasi panas yang buruk.

3.5 Analisis Inlet dan Outlet Udara

Simulasikan perubahan kecepatan aliran udara: Jika gulungan tegangan tinggi panas dibangun dekat outlet udara dan outlet udara memiliki struktur sudut siku, hal ini akan mempengaruhi tekanan udara, membuat udara di dalam enklosur tipis dan tidak menguntungkan untuk disipasi panas.

Berdasarkan hal ini, optimalkan desain outlet udara: Geser outlet udara ke atas sekitar 30cm, tetapkan ketinggian yang sama, dan kurangi lebar inlet udara (utamanya dikurangi 10cm), sehingga panjang keseluruhan enklosur bertambah 20cm. Setelah perhitungan, dalam skema ini, suhu titik panas dan suhu rata-rata gulungan berkurang signifikan. Menganalisis distribusi kecepatan lapangan aliran udara, aliran udara gulungan menunjukkan sudut 120° saat dipindahkan ke outlet udara, menunjukkan bahwa aliran udara lancar.

3.6 Kesimpulan

Transformator pad-mount memainkan peran penting dalam sistem distribusi tenaga. Jika panas besar yang dihasilkan selama operasi tidak dapat didispersikan dengan tepat waktu, hal ini mungkin menyebabkan kegagalan dan mengancam stabilitas sistem. Desainer perlu menganalisis masalah disipasi panas transformator pad-mount secara mendalam, menggabungkan dengan perubahan medan suhu, menggunakan metode ilmiah seperti metode elemen hingga untuk membangun model disipasi panas, mengoptimalkan sistem disipasi panas peralatan, dan meningkatkan efisiensi disipasi panas secara keseluruhan.