Reka Bentuk Pengurusan Habak untuk Penjerabak Pad-Mounted

Semasa operasi sebenar, transformator pad-mount menghadapi masalah berkaitan haba yang biasa:

• Lompatan suhu tinggi/beban tinggi: Cenderung untuk lompatan di bawah keadaan suhu tinggi dan beban tinggi yang berterusan.

• Kerosakan kipas & termostat: Penggunaan kipas jangka panjang menyebabkan kerosakan, merosakkan termostat dan menghalang pelepasan udara panas, mengganggu operasi.

• Penempatan kipas yang buruk: Menempatkan kipas di atas peti memaksa pemeliharaan/gantian dengan perlu mematikan kuasa; susunan ini juga menjebak haba, meningkatkan suhu dalaman hingga tahap risiko lecet.

Untuk mengoptimumkan pelepasan haba, kertas kerja ini menggunakan analisis unsur terhingga untuk membina model transformator 3D. Dengan memetakan taburan medan suhu, ia mengenal pasti titik-titik panas yang terlalu panas dan memperbaiki reka bentuk sistem penyejukan.

1. Asas Medan Suhu

Medan suhu menerangkan variasi suhu ruang-masa, dengan penghasilan, pemindahan, dan taburan haba yang erat dikaitkan. Untuk transformator pad-mount, haba berasal dari inti, lilitan, dll. Keadaan operasi/durasi mengubah corak haba, dan interaksi multi-medium (inti, lilitan, isolasi) mencipta taburan suhu yang tidak sekata.

Pemindahan haba melalui konduksi (dominan, mendorong haba dari lilitan/inti melalui resin insulasi ke udara sekitar) dan konveksi. Intensiti konduksi berkaitan dengan gradien suhu—haba bergerak dari komponen yang panas ke resin yang lebih sejuk, kemudian dilepaskan ke udara luar. Kiraan aliran haba adalah seperti berikut:

Dalam formula: q mewakili ketumpatan aliran haba;λ mewakili konduktiviti termal; ∂t/∂x adalah gradien suhu, mencerminkan kadar perubahan suhu dengan jarak; n adalah pekali penukaran haba. Apabila terdapat perbezaan suhu di posisi yang berbeza, haba utamanya beredar untuk menyeimbangkan suhu, dan keadaan keseimbangan suhu ini adalah konveksi haba. Semasa operasi transformator pad-mount, haba yang dihasilkan oleh bahagian-bahagian yang berbeza akan bertemu dengan udara dan dipindahkan antara mereka, menyebabkan perubahan suhu gas sekitar. Proses ini dicapai melalui konveksi haba, yang boleh dinyatakan dengan formula berikut:

Dalam formula, h adalah pekali pemindahan haba konveksi, t_f mewakili suhu fluida, dan t_w mewakili suhu permukaan objek. Apabila suhu objek lebih tinggi daripada sifar mutlak, haba radiasi akan dihasilkan, biasanya disebut sebagai radiasi termal. Dengan faktor lain tetap, jumlah radiasi yang dihasilkan antara objek akan berubah seiring dengan peningkatan suhu (dengan suhu yang terus meningkat). Semasa operasi transformator pad-mount, peralatan itu sendiri tidak bersentuhan langsung dengan radiasi termal; apabila suhu transformator stabil, fungsi radiasi termalnya akan mencapai pelepasan haba melalui radiasi termal, dan proses ini boleh dinyatakan dengan formula berikut:

Dalam formula, S mewakili luas permukaan radiasi, T adalah suhu termodinamik objek, dan σ adalah pemalar radiasi. Dalam reka bentuk sistem pelepasan haba untuk transformator pad-mount, kaedah analisis unsur terhingga (FEA) digunakan secara utama untuk menubuhkan persamaan keseimbangan termal. Melalui kiraan, suhu setiap nod objek dapat ditentukan. Ini sangat berguna untuk mengukur titik suhu yang sukar diperoleh dalam amalan, mengenal pasti lokasi titik panas yang optimum, dan kemudian melakukan analisis koppelan. Prinsip utama dekomposisi medan suhu menggunakan FEA adalah seperti berikut:

• Diskretisasi domain fizikal tiga dimensi;

• Gunakan fungsi untuk menerangkan variasi suhu pada nod manapun dalam elemen;

• Bina persamaan elemen;

• Perakam elemen dan terapkan rangsangan luaran pada nod;

• Selesaikan persamaan dengan mempertimbangkan syarat batas medan suhu;

• Kira peningkatan suhu pada setiap nod;

• Turunkan peningkatan suhu elemen berdasarkan persamaan medan suhu.

2 Pemodelan dan Simulasi Medan Suhu Transformator Pad-Mount
2.1 Pemodelan Unsur Terhingga

Jadual 1 menyenaraikan parameter relevan transformator pad-mount yang dipilih dalam kertas kerja ini. Model unsur terhingga dibina berdasarkan parameter ini. Setelah itu, model ringkas dibuat untuk lilitan tekanan tinggi, lilitan tekanan rendah, dan inti besi transformator pad-mount.

Semasa pembinaan model, kerana sambungan las terminal lilitan tekanan tinggi relatif kukuh, mereka tidak diambil kira pada fasa reka bentuk awal. Untuk penyederhanaan, inti besi dimodelkan sebagai struktur monolitik, dengan jurang antara lapisan diabaikan (jurang-jurang ini ditangani melalui sifat baja silikon besar untuk mengakuntansi konduktiviti bahan). Model simulasi 3D transformator ditunjukkan dalam Gambaraj 1.

Untuk menganalisis kesan konveksi semula jadi terhadap pelepasan haba, domain udara luar (dengan dimensi 5000mm×5000mm×3000mm) ditambah kepada persekitaran simulasi, membolehkan pemodelan realistik corak aliran udara di sekitar transformator.

2.2 Model Enklosur Transformator Pad-Mount

Lilitan dan inti besi dimodelkan sebagai sumber haba, dengan kadar penghasilan haba mereka dikira berdasarkan parameter reka bentuk transformator. Domain udara dikonfigurasikan dengan lubang tekanan di bahagian atas dan lubang masuk yang tersebar di bahagian bawah dan sisi, dengan suhu ambien ditetapkan pada 300K. Semasa simulasi, parameter konveksi semula jadi diperoleh dengan memilih model turbulensi yang sesuai berdasarkan nombor Rayleigh.

Geometri enklosur (Gambaraj 2) disederhanakan kerana struktur kompositnya yang kompleks. Panel berlubang atap diabaikan, menganggap seluruh atap sebagai domain udara berterusan. Media porus diletakkan di bawah lubang udara di bawah eves untuk mensimulasikan rintangan aliran. Domain udara di sekitar balok sokongan bawah enklosur dianggap saling terhubung. Lapisan udara tambahan setinggi 155mm ditambah di bawah enklosur untuk mengambil kira impak asas terhadap pelepasan haba.

Dalam model yang ditetapkan, lubang bawah, lubang atas, dan lubang atas-bawah semua termasuk media porus, dengan ketebalan 10 mm (seperti blok kuning-hijau dalam Gambaraj 3), sehingga mensimulasikan plat berlubang. Spesifikasi lubang bawah adalah 1450 × 1200 mm², dan spesifikasi lubang atas-bawah adalah 550 × 500 mm². Tiga bukaan dan plat epoxy juga ditetapkan dalam model, dan bukaan tersebut ditentukan dalam keadaan terbuka atau tertutup mengikut situasi sebenarnya. Secara umum, jika jenis floor-mounted digunakan, lubang atas, plat epoxy, dan Bukaan 1 dalam keadaan terbuka; jika jenis lubang bawah digunakan, lubang atas, lubang bawah, dan Bukaan 1/2/3 semuanya dalam keadaan terbuka.

2.3 Analisis Taburan Medan Suhu

Setelah itu, model unsur terhingga dibina dengan membagi model geometri. Pastikan kesatuan konveksi semula jadi dan model mesh dalaman, dan haluskan pembagian mesh di lubang enklosur dan antara muka udara untuk meningkatkan kejituan kiraan. Berdasarkan model geometri, model unsur terhingga mempunyai 401,856 nod dan 518,647 mesh. Tetapan penting untuk model transformator pad-mount:

• Antara muka fluida-struktur: Antara muka udara, keadaan tanpa slip untuk pemeliharaan haba.

• Permukaan adiabatik: Atas atap, sisi balok sokongan bawah, dan udara luar.

• Permukaan penghantar haba: Sisi enklosur (plat besi 1mm tebal), semua dinding enklosur (plat besi 2mm tebal), dengan lubang atas terbuka dan lubang bawah tertutup.

Menggunakan perisian unsur terhingga, model medan suhu menunjukkan: Lilitan mempunyai suhu tertinggi dalam transformator, diikuti oleh inti besi; suhu udara berhampiran juga tinggi, menurun semasa naik udara sehingga sepadan dengan suhu ambien di lubang tekanan. Semasa operasi, ekspansi udara panas menyebabkan pengumpulan udara dan perlanggaran antara udara ambien dan udara saluran (kerana pemanasan berterusan dan peningkatan isi padu). Viskositas udara mempengaruhi aliran saluran dan medan aliran. Udara panas mempercepat dekat tanah dan melambat menjauh; hubungan aliran udara-permukaan membentuk lapisan sempadan termal, yang, kerana ketebalannya, mengurangkan pekali pemindahan haba, meningkatkan suhu dan viskositas udara sementara mengurangkan kelajuan aliran. Udara panas mengubah suhu di atas transformator, dengan suhu berkadar dengan radiasi termal.

3 Reka Bentuk Pelepasan Haba Transformator Pad-Mount
3.1 Analisis Model

Transformator pad-mount disusun di dalam enklosur dengan tahap keselamatan yang tinggi. Untuk memastikan peredaran udara yang lancar di dalam enklosur dan memberi peranan penuh kepada prestasi pelepasan haba transformator, kipas aliran aksial perlu dikonfigurasikan untuk melepaskan udara panas dari dalaman peralatan. Sementara itu, heat sink dipasang di luar enklosur untuk mencapai pertukaran haba. Melalui pertukaran haba, peredaran berterusan udara di dalam transformator dapat dipromosikan.

Semasa operasi transformator pad-mount, haba utamanya dihasilkan oleh lilitan dan inti besi. Oleh itu, reka bentuk perlu memfokuskan pada keadaan aliran udara kedua-dua komponen ini dan mengintegrasikan elemen-elemen yang berkaitan untuk membina model pelepasan haba.

3.2 Penentuan Parameter Model

Untuk transformator pad-mount, perbezaan antara parameter udara dalaman dan parameter prestasi suhu agak kecil. Apabila memilih lembaran baja silikon, prestasi tahanan habanya harus diprioritaskan. Sementara itu, nisbah numerik antara wayar tembaga dan resin insulasi dianalisis untuk menentukan parameter prestasi termal.

3.3 Penetapan Syarat

Tekanan purata di inlet dan outlet udara transformator pad-mount adalah satu atmosfera. Bergabung dengan prestasi heat sink, suhu udara sejuk diambil sebagai syarat inlet untuk menubuhkan model unsur terhingga, dan satah simetri dan arah inlet-outlet udara ditentukan.

3.4 Analisis Hasil

Selepas menetapkan model dan syarat batas, kiraan dilakukan. Analisis menunjukkan bahwa outlet udara transformator pad-mount adalah titik terpanas, dengan suhu mencapai 394.5K (bersamaan dengan suhu titik panas 120.5℃). Titik terpanas inti besi jauh dari outlet udara, dan suhu titik panas yang dikira adalah 110℃. Selain itu, posisi yang berhampiran dengan inlet dan outlet udara mempunyai prestasi pelepasan haba yang kurang baik.

3.5 Analisis Inlet dan Outlet Udara

Simulasikan perubahan kelajuan aliran udara: Jika lilitan tekanan tinggi yang panas dibina berhampiran dengan outlet udara dan outlet udara mempunyai struktur sudut tepat, ia akan mempengaruhi tekanan udara, membuat udara di dalam enkapsulasi menjadi tipis dan tidak menguntungkan untuk pelepasan haba.

Berdasarkan ini, optimalisasikan reka bentuk outlet udara: Pindahkan outlet udara ke atas sekitar 30cm, tinggi tetap, dan serentak kurangi lebar inlet udara (utamanya dikurangi 10cm), sehingga panjang keseluruhan enklosur bertambah 20cm. Setelah kiraan, di bawah skema ini, suhu titik panas dan suhu purata lilitan menurun secara signifikan. Menganalisis taburan kelajuan medan aliran udara, aliran udara lilitan menunjukkan sudut 120° apabila dipindahkan ke outlet udara, menunjukkan aliran udara yang lancar.

3.6 Ringkasan

Transformator pad-mount memainkan peranan penting dalam sistem pengagihan elektrik. Jika jumlah haba yang dihasilkan semasa operasi tidak dapat dilepaskan dengan segera, ia mungkin menyebabkan kegagalan dan mengancam kestabilan sistem. Pereka perlu menganalisis masalah pelepasan haba transformator pad-mount dengan mendalam, menggabungkan perubahan medan suhu, menggunakan kaedah saintifik seperti kaedah unsur terhingga untuk membina model pelepasan haba, mengoptimumkan sistem pelepasan haba peralatan, dan meningkatkan efisiensi pelepasan haba secara keseluruhan.