패드형 변압기의 열 관리 설계
실제 작동 중에 패드 마운트 변압기는 일반적인 열 관련 문제에 직면합니다:
열 방출을 최적화하기 위해 본 논문은 유한 요소 분석을 사용하여 3D 변압기 모델을 구축합니다. 온도장 분포를 매핑하여 과열 핫스팟을 식별하고 냉각 시스템 설계를 개선합니다.
1. 온도장 기초
온도장은 공간-시간적 온도 변화를 설명하며, 열 발생, 전달 및 분포가 긴밀하게 연관되어 있습니다. 패드 마운트 변압기의 경우 열은 코어, 와인딩 등에서 발생합니다. 작동 조건 및 시간이 열 패턴을 변경하고, 다중 매질 간 상호작용(코어, 와인딩, 절연재)은 불균일한 온도 분포를 생성합니다.
열은 전도(주요, 와인딩/코어에서 절연 수지로, 그리고 주변 공기로 열을 전달)와 대류를 통해 전달됩니다. 전도 강도는 온도 경사와 관련이 있으며, 더 뜨거운 부품에서 더 차가운 수지로 열이 이동하고, 그 다음에는 외부 공기로 방출됩니다. 열 유속 계산은 다음과 같습니다:
공식에서: q는 열 유속 밀도를 나타내며, λ는 열전도율을 나타냅니다. ∂t/∂x는 거리에 따른 온도 변화율을 나타내는 온도 경사를 반영합니다. n은 열 전환 계수입니다. 서로 다른 위치에서 온도 차이가 있을 때, 열은 주로 온도 균형을 이루기 위해 순환하며, 이러한 온도 균형 상태는 열 대류입니다. 패드 마운트 변압기 작동 중, 다양한 부위에서 발생하는 열이 공기와 접촉하여 서로 사이에서 전달되면서 주변 가스의 온도가 변합니다. 이 과정에서 열 전달은 열 대류를 통해 이루어지며, 다음과 같은 공식으로 표현할 수 있습니다:
공식에서, h는 대류 열 전달 계수이며, tf는 유체 온도를, tw는 물체 표면 온도를 나타냅니다. 물체의 온도가 절대 영도보다 높으면, 방사열이 발생하며, 보통 열 방사라고 합니다. 다른 요인이 동일하다면, 물체 간의 방사열 발생량은 온도가 상승함에 따라 (온도가 계속 상승하는 추세로) 증가합니다. 패드 마운트 변압기 작동 중, 장비 자체는 직접적으로 열 방사와 접촉하지 않지만, 변압기의 온도가 안정되면 열 방사 기능을 통해 열 방사를 통해 열을 방출하며, 이 과정은 다음과 같은 공식으로 표현할 수 있습니다:
공식에서, S는 방사 면적을, T는 물체의 열역학적 온도를, σ는 방사 상수를 나타냅니다. 패드 마운트 변압기의 열 방출 시스템을 설계할 때, 유한 요소 분석(FEA) 방법을 주로 사용하여 열 평형 방정식을 설정합니다. 계산을 통해 물체 각 노드의 온도를 결정할 수 있습니다. 이는 실제로 얻기 어려운 온도 점을 측정하고, 최적의 핫스팟 위치를 식별한 후 결합 분석을 수행하는 데 특히 유용합니다. FEA를 사용하여 온도장을 분해하는 핵심 원칙은 다음과 같습니다:
삼차원 물리 도메인을 이산화합니다;
요소 내의 임의 노드에서의 온도 변화를 함수로 설명합니다;
요소 방정식을 구성합니다;
요소를 조립하고 노드에서 외부 자극을 적용합니다;
온도장 경계 조건을 고려하여 방정식을 풉니다;
각 노드의 온도 상승을 계산합니다;
온도장 방정식을 기반으로 요소의 온도 상승을 도출합니다.
2 패드 마운트 변압기의 모델링과 온도장 시뮬레이션
2.1 유한 요소 모델링
표 1은 본 논문에서 선택된 패드 마운트 변압기의 관련 파라미터를 나열합니다. 이러한 파라미터를 기반으로 유한 요소 모델을 구축합니다. 그 후, 패드 마운트 변압기의 고압 와인딩, 저압 와인딩, 코어에 대한 단순화된 모델을 설정합니다.
모델 구축 중, 고압 와인딩 출구 단자가 용접 연결로 견고하기 때문에 초기 설계 단계에서는 고려되지 않습니다. 단순화를 위해 코어는 일체형 구조로 모델링되고, 램간 간격은 무시됩니다(이 간격은 벌크 실리콘강의 특성을 통해 재료 전도율을 고려하여 처리됩니다). 변압기의 3D 시뮬레이션 모델은 도 1에 표시됩니다.
자연 대류가 열 방출에 미치는 영향을 분석하기 위해, 시뮬레이션 환경에 외부 공기 도메인(5000mm×5000mm×3000mm 크기)을 추가하여 변압기 주변의 공기 흐름 패턴을 현실적으로 모델링합니다.
2.2 패드 마운트 변압기의 케이스 모델
와인딩과 코어는 열원으로 모델링되며, 그들의 열 발생률은 변압기 설계 파라미터를 기반으로 계산됩니다. 공기 도메인은 상단에 압력 배출구, 하단과 측면에 분포된 배입구를 설정하며, 주변 온도는 300K로 설정됩니다. 시뮬레이션 중, 자연 대류 파라미터는 Rayleigh 수에 따라 적절한 난류 모델을 선택하여 도출됩니다.
케이스의 기하학적 구조(도 2)는 복잡한 복합 구조로 인해 단순화됩니다. 지붕의 천공 패널은 무시되며, 전체 지붕을 연속적인 공기 도메인으로 취급합니다. 처마 아래의 공기 배출구에는 흐름 저항을 시뮬레이션하기 위해 다공성 매체가 배치됩니다. 케이스 하단 지지빔 주변의 공기 도메인은 상호 연결됩니다. 케이스 아래에 155mm 높이의 공기층을 추가하여 기초가 열 방출에 미치는 영향을 고려합니다.
설정된 모델에서, 사전 설정된 하단 구멍, 상단 구멍, 상하 구멍 모두 다공성 매체에 속하며, 두께는 10mm(예: 도 3의 노란색-녹색 블록)로, 메쉬 플레이트를 시뮬레이션합니다. 하단 구멍의 규격은 1450 × 1200 mm²이고, 상하 구멍의 규격은 550 × 500 mm²입니다. 모델에는 세 개의 개구부와 에폭시 플레이트도 설정되어 있으며, 실제 상황에 따라 개구부는 열린 상태 또는 닫힌 상태로 결정됩니다. 일반적으로 바닥 설치형을 채택할 경우, 상단 구멍, 에폭시 플레이트, 개구부 1은 열린 상태입니다. 만약 하단 구멍형을 채택할 경우, 상단 구멍, 하단 구멍, 개구부 1/2/3 모두 열린 상태입니다.
2.3 온도장 분포 분석
다음으로, 기하학적 모델을 메시화하여 유한 요소 모델을 구축합니다. 자연 대류와 내부 메시 모델의 일치를 확보하고, 케이스 구멍과 공기 인터페이스에서 메시를 세분화하여 계산 정확도를 향상시킵니다. 기하학적 모델을 기반으로, 유한 요소 모델은 401,856개의 노드와 518,647개의 메시를 갖습니다. 패드 마운트 변압기 모델의 주요 설정은 다음과 같습니다:
유한 요소 소프트웨어를 사용하여 온도장 모델을 살펴보면, 변압기에서 와인딩이 가장 높은 온도를 가지며, 다음으로 코어의 온도가 높습니다. 인접한 공기의 온도도 높으며, 공기가 상승하면서 주변 온도와 일치할 때까지 감소합니다. 작동 중, 뜨거운 공기의 팽창으로 인해 공기 축적이 발생하며, 주변 공기와 덕트 공기 사이의 충돌이 발생합니다(지속적인 가열과 부피 증가로 인해). 공기 점성이 덕트 흐름과 유동장에 영향을 미칩니다. 뜨거운 공기는 지면 근처에서 가속되며, 멀어질수록 느려집니다. 공기-표면 접촉은 열 경계층을 형성하며, 이 경계층의 두께로 인해 열 전달 계수가 감소하고 온도와 공기 점성이 증가하며, 유속이 감소합니다. 뜨거운 공기는 변압기 위의 온도를 변경하며, 온도는 열 방사와 비례합니다.
3 패드 마운트 변압기의 열 방출 설계
3.1 모델 분석
패드 마운트 변압기는 높은 안전 수준의 케이스 내에 배치됩니다. 케이스 내에서 공기 순환이 원활하도록 하여 변압기의 열 방출 성능을 최대한 활용하기 위해서는 축류 팬을 구성하여 장비 내부의 뜨거운 공기를 배출해야 합니다. 동시에, 케이스 외부에 히트싱크를 설치하여 열 교환을 달성합니다. 열 교환을 통해 변압기 내부의 공기 순환을 지속적으로 촉진할 수 있습니다.
패드 마운트 변압기 작동 중, 열은 주로 와인딩과 코어에서 발생합니다. 따라서, 설계는 이 두 구성 요소의 공기 유동 상태에 초점을 맞추고, 관련 요소를 통합하여 열 방출 모델을 구축해야 합니다.
3.2 모델 파라미터 결정
패드 마운트 변압기의 경우, 실내 공기 파라미터와 온도 성능 파라미터 사이의 차이는 상대적으로 작습니다. 실리콘강 판을 선택할 때는 그들의 내열 성능을 우선적으로 고려해야 합니다. 또한, 구리선과 절연 수지의 수치 비율을 분석하여 열 성능 파라미터를 결정합니다.
3.3 조건 설정
패드 마운트 변압기의 공기 입구와 배출구의 평균 압력은 1기압입니다. 히트싱크의 성능과 함께, 냉각 공기의 온도를 입구 조건으로 설정하여 유한 요소 모델을 설정하고, 대칭 평면과 공기 입구-배출 방향을 정의합니다.
3.4 결과 분석
모델을 설정하고 경계 조건을 설정한 후, 계산을 수행합니다. 분석 결과, 패드 마운트 변압기의 공기 배출구가 가장 뜨거운 지점이며, 온도는 394.5K(핫스팟 온도 120.5℃)에 도달합니다. 코어의 가장 뜨거운 지점은 공기 배출구에서 멀리 떨어져 있으며, 계산된 핫스팟 온도는 110℃입니다. 또한, 공기 입구와 배출구 근처의 위치는 열 방출 성능이 좋지 않습니다.
3.5 입구와 배출구 공기 분석
공기 유속 변화를 시뮬레이션합니다: 뜨거운 고압 와인딩이 공기 배출구 근처에 내장되어 있고, 공기 배출구가 직각 구조인 경우, 공기 압력을 영향을 미쳐 캡슐 내부의 공기가 얇아지고 열 방출이 불리해집니다.
이에 따라, 공기 배출구 설계를 최적화합니다: 공기 배출구를 약 30cm 위로 이동하고, 높이는 유지하며, 동시에 공기 입구의 너비를 줄입니다(주로 10cm 줄임), 이로 인해 케이스의 전체 길이가 20cm 증가합니다. 계산 결과, 이 방안에서는 와인딩의 핫스팟 온도와 평균 온도가 크게 감소합니다. 공기 유동장의 유속 분포를 분석하면, 와인딩의 공기 유속이 공기 배출구로 이동할 때 120° 각도를 나타내며, 이는 공기 유속이 원활함을 나타냅니다.
3.6 요약
패드 마운트 변압기는 전력 배전 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 작동 중 발생하는 많은 양의 열이 시기에 맞게 방출되지 않으면, 장애가 발생하고 시스템의 안정성을 위협할 수 있습니다. 설계자는 패드 마운트 변압기의 열 방출 문제를 깊이 분석하고, 온도장의 변화와 결합하여 유한 요소법과 같은 과학적 방법을 사용하여 열 방출 모델을 구축하고, 장비의 열 방출 시스템을 최적화하여 전체 열 방출 효율을 향상시켜야 합니다.
