Thermisch beheerontwerp voor aangebrachte transformatoren
Tijdens de werkelijke bedrijfsvoering staan pad-geplaatste transformatoren te maken voor typische hittegerelateerde problemen:
Om de warmteafvoer te optimaliseren, maakt dit document gebruik van eindige-elementanalyse om een 3D-transformatormodel op te bouwen. Door de temperatuurveldverdelingen in kaart te brengen, worden oververhitte hotspots geïdentificeerd en wordt het koelsysteemontwerp verfijnd.
1. Basisprincipes van het Temperatuurveld
Een temperatuurveld beschrijft ruimtelijke-temporele temperatuurvariaties, waarbij warmteopwekking, -overdracht en -verspreiding nauw met elkaar verbonden zijn. Voor pad-geplaatste transformatoren ontstaat warmte in kernen, windingen, etc. Bedrijfsomstandigheden en -duur beïnvloeden de warmtemodellen, en multi-mediainteracties (kernen, windingen, isolatie) creëren ongelijke temperatuurverdelingen.
Warmte wordt overgedragen via geleiding (dominerend, drijft warmte van windingen/kernen door isolerende hars naar de omringende lucht) en convektie. De intensiteit van de geleiding is gerelateerd aan temperatuurgradiënten - warmte beweegt van warme componenten naar koelere hars, en dan afkoelt in de externe lucht. Warmtestroomberekeningen volgen:
In de formule: q vertegenwoordigt de warmtestroomdichtheid; λ vertegenwoordigt de thermische geleidbaarheid; ∂t/∂x is de temperatuurgradiënt, die de snelheid van temperatuurverandering met afstand weerspiegelt; n is de warmteconversiecoëfficiënt. Wanneer er temperatuurverschillen zijn op verschillende posities, circuleert de warmte voornamelijk om de temperatuur te balanceren, en deze staat van temperatuurbalans is convectieve warmteoverdracht. Tijdens de werking van een pad-geplaatste transformator komt de warmte die door de verschillende delen wordt opgewekt in contact met lucht en wordt er tussen hen overgedragen, waardoor de temperatuur van de omringende gas verandert. Tijdens dit proces wordt warmteoverdracht bereikt door convectieve warmteoverdracht, wat kan worden uitgedrukt door de volgende formule:
In de formule, h is de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt, tf stelt de vloeistof temperatuur voor, en tw stelt de temperatuur van het oppervlak van het object voor. Wanneer de temperatuur van een object hoger is dan absolute nul, wordt stralende warmte geproduceerd, meestal genoemd als thermische straling. Bij onveranderde andere factoren zal de hoeveelheid straling tussen objecten veranderen naarmate de temperatuur stijgt (met de temperatuur een continue stijgende trend). Tijdens de werking van een pad-geplaatste transformator komt de apparatuur zelf niet in direct contact met thermische straling; wanneer de temperatuur van de transformator stabiliseert, zal de functie van thermische straling warmteafvoer door thermische straling bereiken, en dit proces kan worden uitgedrukt door de volgende formule:
In de formule, S geeft de stralingsoppervlakte aan, T is de thermodynamische temperatuur van het object, en σ is de stralingsconstante. Bij het ontwerpen van het warmteafvoersysteem voor pad-geplaatste transformatoren wordt voornamelijk de methode van eindige-elementanalyse (FEA) gebruikt om thermische evenwichtsvergelijkingen op te stellen. Door berekeningen te doen, kan de temperatuur op elk knooppunt van het object worden bepaald. Dit is bijzonder nuttig voor het meten van temperatuurpunten die in de praktijk moeilijk te verkrijgen zijn, het identificeren van optimale hotspotlocaties, en vervolgens het uitvoeren van gekoppelde analyses. De kernprincipes van het opdelen van het temperatuurveld met behulp van FEA zijn als volgt:
Discretiseer het driedimensionale fysieke domein;
Gebruik functies om de temperatuurvariaties op elk knooppunt binnen het element te beschrijven;
Construeer elementvergelijkingen;
Assembleer de elementen en pas externe opwekkingen toe op de knooppunten;
Los de vergelijkingen op met inachtneming van de randvoorwaarden van het temperatuurveld;
Bereken de temperatuurstijging op elk knooppunt;
Leid de temperatuurstijging van het element af op basis van de temperatuurveldvergelijkingen.
2 Modellering en Temperatuurveldsimulatie van Pad-geplaatste Transformatoren
2.1 Eindige Elementenmodellering
Tabel 1 vermeldt de relevante parameters van de pad-geplaatste transformator die in dit document is geselecteerd. Op basis van deze parameters wordt een eindige-elementenmodel opgebouwd. Vervolgens worden vereenvoudigde modellen opgesteld voor de hoogspanningswinding, laagspanningswinding en ijzerkern van de pad-geplaatste transformator.
Tijdens het modelbouwproces, aangezien de gelaste verbindingen van de uitgangsterminals van de hoogspanningswinding relatief stevig zijn, worden ze niet in rekening gebracht in de initiële ontwerpfase. Voor vereenvoudiging wordt de ijzerkern gemodelleerd als een massieve structuur, met interlaminaire spleten genegeerd (deze spleten worden aangepakt door middel van de eigenschappen van bulk siliciumstaal om de materiaalgeleidbaarheid te verrekenen). Het 3D-simulatiemodel van de transformator is weergegeven in Figuur 1.
Om de effecten van natuurlijke convektie op de warmteafvoer te analyseren, wordt een externe luchtdomein (met afmetingen van 5000mm×5000mm×3000mm) toegevoegd aan de simulatieomgeving, waardoor realistische modellering van de luchtpatroon rond de transformator mogelijk is.
2.2 Behuizingmodel van Pad-geplaatste Transformator
De windingen en ijzerkern worden gemodelleerd als warmtebronnen, met hun warmteproductiepercentages berekend op basis van de transformatorontwerpparameters. Het luchtdomein is geconfigureerd met drukuitlaten aan de bovenkant en inlaten verdeeld langs de onderkant en zijkanten, met een omgevingstemperatuur ingesteld op 300K. Tijdens de simulaties worden natuurlijke convektieparameters afgeleid door een passend turbulentiemodel te selecteren op basis van het Rayleigh-getal.
De geometrie van de behuizing (Figuur 2) is vereenvoudigd vanwege haar complexe composietstructuur. De perforaties in het dak worden genegeerd, waardoor het hele dak wordt behandeld als een continu luchtdomein. Poreuze media worden geplaatst bij de luchtafvoer onder de dakranden om stroomweerstand te simuleren. Het luchtdomein rond de onderste ondersteuningsbalken van de behuizing wordt als verbonden beschouwd. Een extra luchtlagen van 155 mm hoog wordt toegevoegd onder de behuizing om rekening te houden met de invloed van de fundering op de warmteafvoer.
In het opgestelde model behoren de vooraf ingestelde onderste gaten, bovenste gaten en boven-onder gaten allemaal tot poreuze media, met een dikte van 10 mm (zoals de geelgroene blok in Figuur 3), waardoor de rasterplaat wordt gesimuleerd. De specificatie van het onderste gat is 1450 × 1200 mm², en de specificatie van de boven-onder gaten is 550 × 500 mm². Drie openingen en een epoxyplaat worden ook in het model gezet, en de openingen worden bepaald om in een open of gesloten toestand te zijn, afhankelijk van de werkelijke situatie. In het algemeen, als de vloer-geplaatste type wordt aangenomen, zijn de bovenste gaten, de epoxyplaat en Opening 1 in een open toestand; als de onderste-gaten type wordt aangenomen, zijn de bovenste gaten, de onderste gaten en Openingen 1/2/3 allemaal in een open toestand.
2.3 Analyse van de Verdeling van het Temperatuurveld
Vervolgens wordt een eindige-elementenmodel opgebouwd door het geometrische model te raffineren. Zorg ervoor dat de natuurlijke convektie en de interne netwerkmodellen één zijn, en raffineer het netwerk bij de behuizinggaten en luchtknoppen om de berekeningsnauwkeurigheid te verbeteren. Op basis van het geometrische model heeft het eindige-elementenmodel 401.856 knooppunten en 518.647 netwerken. Belangrijke instellingen voor het pad-geplaatste transformatormodel:
Met behulp van eindige-elementensoftware toont het temperatuurveldmodel: Windingen hebben de hoogste temperatuur in de transformator, gevolgd door de ijzerkern; de nabijgelegen luchttemperatuur is ook hoog, neemt af tijdens de luchtstijging tot deze overeenkomt met de omgevingstemperatuur bij de drukuitlaat. Tijdens de bedrijfsvoering veroorzaken de expansie van hete lucht ophoping en botsingen tussen omgeving- en leidinglucht (door continue verhitting en volumeverhoging). De viscositeit van de lucht beïnvloedt de leidingstroom en het stromingsveld. Hete lucht versnelt dicht bij de grond en vertraagt weg; de stroom-oppervlakcontact vormt een thermische grenslaag, die, vanwege zijn dikte, de warmteoverdrachtscoëfficiënten vermindert, de temperatuur en luchtviscositeit verhoogt terwijl de stroomsnelheid afneemt. Hete lucht verandert de temperatuur boven de transformator, met de temperatuur evenredig aan de thermische straling.
3 Ontwerp van Warmteafvoer voor Pad-geplaatste Transformatoren
3.1 Modelanalyse
Pad-geplaatste transformatoren zijn geplaatst in behuizingen met een hoog veiligheidsniveau. Om een soepele luchtcirculatie binnen de behuizing te garanderen en de warmteafvoerprestaties van de transformator ten volle te benutten, moeten axiale ventilatoren worden geconfigureerd om hete lucht uit het binnenste van de apparatuur af te voeren. Tegelijkertijd worden koellichamen buiten de behuizing geïnstalleerd om warmteoverdracht te bereiken. Door warmteoverdracht te bewerkstelligen, kan de continue circulatie van lucht binnen de transformator worden bevorderd.
Tijdens de werking van pad-geplaatste transformatoren wordt warmte voornamelijk opgewekt door windingen en ijzerkernen. Daarom moet het ontwerp zich richten op de luchtstroomtoestanden van deze twee componenten en de relevante elementen integreren voor het bouwen van het warmteafvoermodel.
3.2 Bepaling van Modelparameters
Voor pad-geplaatste transformatoren zijn de verschillen tussen binnenshuisklimaatparameters en temperatuurprestatieparameters relatief klein. Bij het selecteren van siliciumstaalplaten moet de hittebestendigheidsprestaties worden prioriteergen. Tegelijkertijd wordt de numerieke verhouding van koperdraden tot isolerende hars geanalyseerd om de thermische prestatieparameters vast te stellen.
3.3 Instelling van Voorwaarden
De gemiddelde druk bij de luchtingang en -uitgang van de pad-geplaatste transformator is één atmosferische druk. In combinatie met de prestaties van de koeler wordt de temperatuur van koude lucht als ingangsconditie genomen om een eindige-elementenmodel op te stellen, en wordt het symmetrievlak en de richting van de luchtingang-uitgang gedefinieerd.
3.4 Resultatenanalyse
Na het opzetten van het model en het instellen van de randvoorwaarden worden berekeningen uitgevoerd. De analyse toont aan dat de luchtafvoer van de pad-geplaatste transformator het heetste punt is, met een temperatuur van 394,5K (overeenkomend met een hot-spot temperatuur van 120,5°C). Het heetste punt van de ijzerkern is ver verwijderd van de luchtafvoer, en de berekende hot-spot temperatuur is 110°C. Bovendien hebben de posities dicht bij de luchtingangen en -uitgangen slechte warmteafvoerprestaties.
3.5 Analyse van Luchtingang en -uitgang
Simuleer de verandering van de luchtsnelheid: Als de hete hoogspanningswinding dicht bij de luchtafvoer is gebouwd en de luchtafvoer een rechte hoekstructuur heeft, zal dit de luchtdruk beïnvloeden, waardoor de lucht binnen de behuizing dunner wordt en ongunstig is voor warmteafvoer.
Op basis hiervan wordt het luchtafvoerontwerp geoptimaliseerd: verplaats de luchtafvoer ongeveer 30 cm omhoog, houd de hoogte onveranderd, en verklein tegelijkertijd de breedte van de luchtingang (voornamelijk met 10 cm), zodat de totale lengte van de behuizing met 20 cm toeneemt. Na berekening, onder dit schema, nemen de hot-spot temperatuur en de gemiddelde temperatuur van de winding aanzienlijk af. De analyse van de luchtsnelheidsverdeling in het stromingsveld toont aan dat de windinglucht een hoek van 120° heeft wanneer deze naar de luchtafvoer wordt overgebracht, wat aangeeft dat de luchtcirculatie vloeiend is.
3.6 Samenvatting
Pad-geplaatste transformatoren spelen een cruciale rol in het elektriciteitsdistributiesysteem. Als de grote hoeveelheid warmte die tijdens de bedrijfsvoering wordt opgewekt niet op tijd kan worden afgevoerd, kunnen er storingen ontstaan en de stabiliteit van het systeem worden bedreigd. Ontwerpers moeten de warmteafvoerproblemen van pad-geplaatste transformatoren diepgaand analyseren, combineren met de veranderingen in het temperatuurveld, wetenschappelijke methoden zoals de eindige-elementenmethode gebruiken om warmteafvoermodellen op te bouwen, het warmteafvoersysteem van de apparatuur optimaliseren en de algehele warmteafvoerefficiëntie verbeteren.
