Пад-жарық түрінде орнатылған трансформаторлар үшін термалдық басқару дизайны

На практике трансформаторы в боксах сталкиваются с типичными проблемами, связанными с перегревом:

• Высокотемпературные/высоконагрузочные отключения: склонны к отключению при длительных условиях высокой температуры и высокой нагрузки.

• Неисправности вентиляторов и термостатов: длительное использование вентиляторов приводит к их неисправностям, повреждению термостатов и блокировке выхода горячего воздуха, что нарушает работу.

• Неправильное расположение вентиляторов: установка вентиляторов на верхней части корпуса требует отключения питания для обслуживания/замены; такая компоновка также удерживает тепло, повышая внутреннюю температуру до опасного уровня ожогов.

Для оптимизации рассеивания тепла в этой статье используется метод конечных элементов для построения 3D-модели трансформатора. С помощью картографирования распределения температурных полей выявляются зоны перегрева, что позволяет усовершенствовать систему охлаждения.

1. Основы температурного поля

Температурное поле описывает пространственно-временные изменения температуры, где генерация, передача и распределение тепла тесно связаны. Для трансформаторов в боксах источником тепла являются сердечники, обмотки и т.д. Условия эксплуатации и продолжительность работы изменяют паттерны нагрева, а взаимодействие различных сред (сердечников, обмоток, изоляции) создает неравномерное распределение температуры.

Передача тепла происходит через теплопроводность (основной способ, который перемещает тепло от обмоток/сердечников через изолирующий смолу к окружающему воздуху) и конвекцию. Интенсивность теплопроводности коррелирует с градиентом температуры — тепло движется от горячих компонентов к более холодной смоле, затем рассеивается во внешний воздух. Расчет теплового потока выполняется по следующей формуле:

В формуле: q представляет плотность теплового потока; λ представляет коэффициент теплопроводности; ∂t/∂x — это градиент температуры, отражающий скорость изменения температуры с расстоянием; n — коэффициент преобразования тепла. Когда имеются различия температур в разных местах, тепло циркулирует, чтобы уравновесить температуру, и это состояние температурного равновесия называется тепловой конвекцией. В процессе работы трансформатора в боксе, тепло, генерируемое различными частями, контактирует с воздухом и передается между ними, вызывая изменения температуры окружающего газа. В этом процессе передача тепла осуществляется через тепловую конвекцию, которая может быть выражена следующей формулой:

В формуле, h — коэффициент теплопередачи конвекции, t_f — температура жидкости, t_w — температура поверхности объекта. Когда температура объекта выше абсолютного нуля, возникает тепловое излучение, обычно называемое тепловым излучением. При неизменности других факторов количество излучаемого тепла между объектами изменяется с увеличением температуры (при непрерывном росте температуры). В процессе работы трансформатора в боксе оборудование само по себе не контактирует напрямую с тепловым излучением; когда температура трансформатора стабилизируется, его функция теплового излучения обеспечивает рассеивание тепла через тепловое излучение, и этот процесс можно выразить следующей формулой:

В формуле, S — площадь излучающей поверхности, T — термодинамическая температура объекта, σ — постоянная излучения. При проектировании системы охлаждения трансформаторов в боксах, в основном используется метод конечных элементов (FEA) для установления уравнений теплового равновесия. Через расчеты можно определить температуру каждого узла объекта. Это особенно полезно для измерения температурных точек, которые сложно получить на практике, определения оптимальных мест горячих точек, а затем проведения анализа связи. Основные принципы декомпозиции температурного поля с использованием FEA следующие:

• Дискретизация трехмерной физической области;

• Использование функций для описания вариаций температуры в любом узле внутри элемента;

• Построение уравнений элементов;

• Сборка элементов и применение внешних воздействий на узлах;

• Решение уравнений с учетом граничных условий температурного поля;

• Расчет повышения температуры в каждом узле;

• Вычисление повышения температуры элемента на основе уравнений температурного поля.

2 Моделирование и имитация температурного поля трансформаторов в боксах
2.1 Моделирование конечных элементов

Таблица 1 приводит соответствующие параметры трансформатора в боксе, выбранного в данной работе. На основе этих параметров строится модель конечных элементов. Затем создаются упрощенные модели для высоковольтной обмотки, низковольтной обмотки и железного сердечника трансформатора в боксе.

При построении модели, поскольку сварные соединения выводов высоковольтной обмотки достаточно прочные, они не учитываются на начальной стадии проектирования. Для упрощения, сердечник моделируется как монолитная структура, игнорируя межламельные зазоры (эти зазоры учитываются за счет свойств объемного электротехнического стали, чтобы учесть проводимость материала). 3D-симуляционная модель трансформатора показана на рисунке 1.

Для анализа влияния естественной конвекции на рассеивание тепла добавляется внешняя воздушная область (с размерами 5000 мм × 5000 мм × 3000 мм) в симуляционную среду, что позволяет реалистично моделировать потоки воздуха вокруг трансформатора.

2.2 Корпусная модель трансформатора в боксе

Обмотки и сердечник моделируются как источники тепла, их скорости генерации тепла рассчитываются на основе параметров проектирования трансформатора. Воздушная область настраивается с давлением на выходе в верхней части и входами, распределенными по нижней и боковым сторонам, поддерживая температуру окружающей среды, установленную на 300K. Во время симуляций, параметры естественной конвекции выводятся путем выбора подходящей модели турбулентности на основе числа Релея.

Геометрия корпуса (рисунок 2) упрощается из-за сложной композитной структуры. Перфорированные панели крыши игнорируются, и вся крыша рассматривается как непрерывная воздушная область. Пористые материалы размещаются под карнизами для моделирования сопротивления потоку. Воздушная область вокруг нижних опорных балок считается взаимосвязанной. Добавляется дополнительный 155-миллиметровый слой воздуха под корпусом для учета влияния фундамента на рассеивание тепла.

В созданной модели предварительно заданные нижние отверстия, верхние отверстия и верхние-нижние отверстия относятся к пористым материалам, с толщиной 10 мм (например, желто-зеленый блок на рисунке 3), таким образом, моделируя решетчатую пластину. Размер нижнего отверстия составляет 1450 × 1200 мм², а размер верхних-нижних отверстий составляет 550 × 500 мм². В модели также установлены три отверстия и эпоксидная плита, и состояние отверстий определяется как открытое или закрытое в зависимости от实际情况表明，这段文字已经是哈萨克语的翻译结果。请确认是否需要对其他部分进行翻译或有其他具体要求。如果有更多内容需要翻译，请提供相关文本。