Progettazione della gestione termica per trasformatori a caditoia
Durante l'effettivo funzionamento, i trasformatori a pad affrontano problemi tipici legati al calore:
Per ottimizzare la dissipazione del calore, questo documento utilizza l'analisi agli elementi finiti per costruire un modello 3D del trasformatore. Mappando la distribuzione dei campi di temperatura, identifica i punti caldi e affina la progettazione del sistema di raffreddamento.
1. Nozioni di base sul campo di temperatura
Un campo di temperatura descrive le variazioni spaziali e temporali della temperatura, con la generazione, il trasferimento e la distribuzione del calore strettamente correlati. Per i trasformatori a pad, il calore si origina nei nuclei, nelle bobine, ecc. Le condizioni operative/durata alterano i modelli di calore, e le interazioni multi-media (nuclei, bobine, isolamento) creano distribuzioni di temperatura non uniformi.
Il calore si trasferisce tramite conduzione (preponderante, guidando il calore dalle bobine/nuclei attraverso la resina isolante all'aria ambiente) e convezione. L'intensità della conduzione è correlata ai gradienti di temperatura - il calore si muove dai componenti caldi alla resina più fredda, poi si dissipa nell'aria esterna. I calcoli del flusso di calore seguono:
Nella formula: q rappresenta la densità del flusso di calore;λ rappresenta la conducibilità termica; ∂t/∂x è il gradiente di temperatura, riflettendo il tasso di cambiamento della temperatura con la distanza; n è il coefficiente di conversione del calore. Quando ci sono differenze di temperatura in posizioni diverse, il calore circola principalmente per bilanciare la temperatura, e questo stato di equilibrio termico è la convezione. Durante l'operazione di un trasformatore a pad, il calore generato da varie parti entrerà in contatto con l'aria e si trasferirà tra loro, causando cambiamenti nella temperatura del gas circostante. Durante questo processo, il trasferimento di calore viene ottenuto attraverso la convezione, che può essere espressa dalla seguente formula:
Nella formula, h è il coefficiente di trasferimento di calore convettivo, tf rappresenta la temperatura del fluido, e tw rappresenta la temperatura della superficie degli oggetti. Quando la temperatura di un oggetto è superiore allo zero assoluto, viene generato calore radiante, comunemente chiamato radiazione termica. Con altri fattori rimanenti invariati, la quantità di radiazione generata tra gli oggetti cambierà al crescere della temperatura (mantenendo una tendenza continua al rialzo). Durante l'operazione di un trasformatore a pad, l'equipaggiamento stesso non entra in contatto diretto con la radiazione termica; quando la temperatura del trasformatore si stabilizza, la sua funzione di radiazione termica raggiungerà la dissipazione del calore attraverso la radiazione termica, e questo processo può essere espresso dalla seguente formula:
Nella formula, S indica l'area della superficie radiante, T è la temperatura termodinamica dell'oggetto, e σ è la costante di radiazione. Nella progettazione del sistema di dissipazione del calore per i trasformatori a pad, si impiega principalmente il metodo dell'analisi agli elementi finiti (FEA) per stabilire equazioni di equilibrio termico. Attraverso i calcoli, si può determinare la temperatura in ogni nodo dell'oggetto. Questo è particolarmente utile per misurare i punti di temperatura difficili da ottenere nella pratica, identificare le posizioni ottimali dei punti caldi e quindi svolgere l'analisi di accoppiamento. I principi fondamentali della decomposizione del campo di temperatura utilizzando FEA sono i seguenti:
Discretizzare il dominio fisico tridimensionale;
Utilizzare funzioni per descrivere le variazioni di temperatura in qualsiasi nodo all'interno dell'elemento;
Costruire le equazioni degli elementi;
Assemblare gli elementi e applicare le sollecitazioni esterne ai nodi;
Risolvere le equazioni considerando le condizioni al contorno del campo di temperatura;
Calcolare l'aumento di temperatura in ogni nodo;
Derivare l'aumento di temperatura dell'elemento in base alle equazioni del campo di temperatura.
2 Modellazione e simulazione del campo di temperatura dei trasformatori a pad
2.1 Modellazione agli elementi finiti
La tabella 1 elenca i parametri rilevanti del trasformatore a pad selezionato in questo documento. Si costruisce un modello agli elementi finiti basato su questi parametri. Successivamente, si stabiliscono modelli semplificati per l'avvolgimento ad alta tensione, l'avvolgimento a bassa tensione e il nucleo di ferro del trasformatore a pad.
Durante la costruzione del modello, poiché le connessioni saldate dei terminali di uscita dell'avvolgimento ad alta tensione sono relativamente solide, non vengono prese in considerazione nella fase iniziale di progettazione. Per semplificazione, il nucleo di ferro viene modellato come una struttura monolitica, ignorando le fessure interlamellari (queste fessure sono trattate mediante le proprietà dell'acciaio silicio massiccio per tenere conto della conduttività del materiale). Il modello di simulazione 3D del trasformatore è mostrato nella Figura 1.
Per analizzare gli effetti della convezione naturale sulla dissipazione del calore, viene aggiunto un dominio d'aria esterno (con dimensioni di 5000mm×5000mm×3000mm) all'ambiente di simulazione, consentendo una modellazione realistica dei modelli di flusso d'aria intorno al trasformatore.
2.2 Modello di contenitore del trasformatore a pad
Gli avvolgimenti e il nucleo di ferro vengono modellati come fonti di calore, con i loro tassi di generazione di calore calcolati in base ai parametri di progettazione del trasformatore. Il dominio d'aria è configurato con uscite di pressione in cima e ingressi distribuiti lungo il fondo e i lati, mantenendo una temperatura ambiente impostata a 300K. Durante le simulazioni, i parametri di convezione naturale vengono derivati scegliendo un modello di turbolenza appropriato in base al numero di Rayleigh.
La geometria del contenitore (Figura 2) viene semplificata a causa della sua complessa struttura composita. I pannelli forati del tetto vengono ignorati, trattando l'intero tetto come un dominio d'aria continuo. Vengono posizionati mezzi porosi sotto i cornicioni per simulare la resistenza al flusso. Il dominio d'aria intorno ai supporti inferiori del contenitore viene considerato interconnesso. Viene aggiunto un ulteriore strato d'aria alto 155 mm sotto il contenitore per tenere conto dell'impatto della fondazione sulla dissipazione del calore.
Nel modello stabilito, i fori inferiori preimpostati, i fori superiori e i fori superiori-inferiori appartengono tutti a mezzi porosi, con uno spessore di 10 mm (come il blocco giallo-verde nella Figura 3), simulando così la piastra a maglia. La specifica del foro inferiore è 1450 × 1200 mm², e la specifica dei fori superiori-inferiori è 550 × 500 mm². Nel modello sono stati anche predisposti tre aperture e una piastra di epossidica, e le aperture sono determinate aperte o chiuse in base alla situazione reale. In genere, se si adotta il tipo a pavimento, il foro superiore, la piastra di epossidica e l'Apertura 1 sono in uno stato aperto; se si adotta il tipo a foro inferiore, il foro superiore, il foro inferiore e le Aperture 1/2/3 sono tutte in uno stato aperto.
2.3 Analisi della distribuzione del campo di temperatura
Successivamente, si costruisce un modello agli elementi finiti meshando il modello geometrico. Assicurare l'unità della convezione naturale e dei modelli di mesh interni, e raffinare la mesh nei fori del contenitore e nelle interfacce d'aria per migliorare l'accuratezza del calcolo. Basandosi sul modello geometrico, il modello agli elementi finiti ha 401.856 nodi e 518.647 mesh. Impostazioni chiave per il modello del trasformatore a pad:
Utilizzando software agli elementi finiti, il modello del campo di temperatura mostra: Gli avvolgimenti hanno la temperatura più alta nel trasformatore, seguiti dal nucleo di ferro; la temperatura dell'aria adiacente è altresì elevata, diminuendo durante l'ascesa dell'aria fino a corrispondere alla temperatura ambiente all'uscita di pressione. Durante l'operazione, l'espansione dell'aria calda provoca l'accumulo e le collisioni tra l'aria ambiente e quella del condotto (a causa del riscaldamento continuo e dell'aumento del volume). La viscosità dell'aria influenza il flusso del condotto e il campo di flusso. L'aria calda accelera vicino al terreno e rallenta allontanandosi; il contatto tra il flusso d'aria e la superficie forma uno strato limite termico, che, a causa della sua spessore, riduce i coefficienti di trasferimento di calore, aumentando la temperatura e la viscosità dell'aria mentre diminuisce la velocità del flusso. L'aria calda altera la temperatura sopra il trasformatore, con la temperatura proporzionale alla radiazione termica.
3 Progettazione della dissipazione del calore dei trasformatori a pad
3.1 Analisi del modello
I trasformatori a pad sono disposti all'interno di contenitori con un elevato livello di sicurezza. Per garantire una circolazione d'aria regolare all'interno del contenitore e sfruttare appieno la prestazione di dissipazione del calore del trasformatore, è necessario configurare ventilatori a flusso assiale per smaltire l'aria calda dall'interno dell'equipaggiamento. Nel frattempo, si installano dissipatori di calore all'esterno del contenitore per realizzare lo scambio di calore. Attraverso lo scambio di calore, si può promuovere la circolazione continua dell'aria all'interno del trasformatore.
Durante l'operazione dei trasformatori a pad, il calore è principalmente generato dagli avvolgimenti e dai nuclei di ferro. Pertanto, la progettazione deve concentrarsi sugli stati di flusso d'aria di questi due componenti e integrare gli elementi rilevanti per costruire il modello di dissipazione del calore.
3.2 Determinazione dei parametri del modello
Per i trasformatori a pad, le differenze tra i parametri d'aria interna e i parametri di prestazione termica sono relativamente piccole. Quando si selezionano le lamine di acciaio silicio, si deve dare priorità alle loro prestazioni di resistenza al calore. Nel frattempo, si analizza il rapporto numerico tra i fili di rame e la resina isolante per determinare i parametri termici.
3.3 Impostazione delle condizioni
La pressione media all'ingresso e all'uscita dell'aria del trasformatore a pad è di un atmosfera. Combinata con la prestazione del dissipatore di calore, la temperatura dell'aria fredda viene presa come condizione d'ingresso per stabilire un modello agli elementi finiti, e si definisce il piano di simmetria e la direzione d'ingresso-uscita dell'aria.
3.4 Analisi dei risultati
Dopo aver stabilito il modello e impostato le condizioni al contorno, si effettuano i calcoli. L'analisi mostra che l'uscita d'aria del trasformatore a pad è il punto più caldo, con una temperatura che raggiunge 394.5K (corrispondente a una temperatura di punto caldo di 120.5℃). Il punto più caldo del nucleo di ferro è lontano dall'uscita d'aria, e la temperatura di punto caldo calcolata è 110℃. Inoltre, le posizioni vicine all'ingresso e all'uscita d'aria presentano una scarsa prestazione di dissipazione del calore.
3.5 Analisi dell'ingresso e dell'uscita d'aria
Si simula la variazione della velocità del flusso d'aria: Se l'avvolgimento ad alta tensione caldo è costruito vicino all'uscita d'aria e l'uscita d'aria ha una struttura ad angolo retto, influenzerà la pressione d'aria, rendendo l'aria all'interno dell'involucro rarefatta e sfavorevole alla dissipazione del calore.
Basandosi su ciò, si ottimizza la progettazione dell'uscita d'aria: Si sposta l'uscita d'aria verso l'alto di circa 30 cm, mantenendo l'altezza invariata, e si riduce contemporaneamente la larghezza dell'ingresso d'aria (principalmente ridotta di 10 cm), in modo che la lunghezza complessiva del contenitore aumenti di 20 cm. Dopo il calcolo, in questo schema, la temperatura di punto caldo e la temperatura media dell'avvolgimento diminuiscono significativamente. Analizzando la distribuzione della velocità del campo di flusso d'aria, il flusso d'aria dell'avvolgimento presenta un angolo di 120° quando viene trasferito all'uscita d'aria, indicando che il flusso d'aria è regolare.
3.6 Riepilogo
I trasformatori a pad svolgono un ruolo cruciale nel sistema di distribuzione elettrica. Se la grande quantità di calore generata durante l'operazione non può essere dissipata in tempo, è probabile che causi guasti e minacci la stabilità del sistema. I progettisti devono analizzare approfonditamente i problemi di dissipazione del calore dei trasformatori a pad, combinare con le variazioni del campo di temperatura, utilizzare metodi scientifici come l'analisi agli elementi finiti per costruire modelli di dissipazione del calore, ottimizzare il sistema di dissipazione del calore dell'equipaggiamento e migliorare l'efficienza complessiva di dissipazione del calore.
