Termisk forvaltning design for bunnmonterte transformatorer
Under virkelig drift står padmonterte transformatorer overfor typiske varme-relaterte problemer:
For å optimalisere varmeanvisling, bruker denne artikkelen endeelementanalyse for å bygge en 3D-transformatormodell. Ved å kartlegge temperaturfeltfordeling, identifiseres overhetingens hetspotter, og kjølesystemdesignet blir forbedret.
1. Grunnleggende om temperaturfelt
Et temperaturfelt beskriver romlig-tidlig temperaturvariasjon, med varmegenerasjon, overføring og distribusjon tett knyttet sammen. For padmonterte transformatorer, oppstår varme i kjerner, vindinger osv. Driftsforhold/varigheter endrer varmemønstre, og flermediuminteraksjoner (kjerner, vindinger, isolering) skaper ujevne temperaturfordelinger.
Varmen overføres via konduksjon (dominerende, driver varme fra vindinger/kjerner gjennom isolerende harz til omgivende luft) og konveksjon. Konduksjonsintensiteten korrelerer med temperaturgradienter—varme flytter seg fra varme komponenter til kjølere harz, deretter dissiperes til eksterne luft. Varmefluxberegninger følger:
I formelen representerer q varmefluxtettlelsen; λ representerer termisk ledningskoeffisient; ∂t/∂x er temperaturgradienten, som reflekterer hastigheten for temperaturendring med avstand; n er varmekonverteringskoeffisienten. Når det er temperaturforskjeller på ulike posisjoner, sirkulerer hovedsakelig varme for å balansere temperaturen, og dette temperaturens balansekjede kalles konveksjon. Under drift av en padmontert transformator vil varmen generert av de forskjellige delene komme i kontakt med luft og overføre mellom dem, som fører til endringer i temperaturen til den omkringliggende gassen. I denne prosessen oppnås varmeoverføring gjennom konveksjon, noe som kan uttrykkes med følgende formel:
I formelen er h konvektiv varmeoverføringskoeffisienten, tf representerer væsketemperaturen, og tw representerer temperaturen på objektets overflate. Når et objekts temperatur er høyere enn absolutt null, genereres strålevarme, ofte kalt termisk stråling. Med andre faktorer ubestandig, vil mengden stråling generert mellom objekter endre seg når temperaturen stiger (med temperaturen som beholder en kontinuerlig oppovergående tendens). Under drift av en padmontert transformator kommer utstyret selv ikke i direkte kontakt med termisk stråling; når temperaturen stabiliserer seg, vil dens termiske strålingsfunksjon oppnå varmeanvisling gjennom termisk stråling, og denne prosessen kan uttrykkes med følgende formel:
I formelen betyr S strålingsflaten, T er termodynamisk temperatur til objektet, og σ er strålingskonstanten. Når man designer kjølesystemet for padmonterte transformatorer, benyttes hovedsakelig metoden for endeelementanalyse (FEA) for å etablere termiske likevektsligninger. Gjennom beregninger kan temperaturen på hver node i objektet bestemmes. Dette er spesielt nyttig for å måle temperaturepunkter som er vanskelige å få tak i praksis, identifisere optimale hetspottposisjoner, og deretter utføre koblingsanalyse. De grunnleggende prinsippene for å dekomponere temperaturfeltet ved hjelp av FEA er som følger:
Diskretiser tre-dimensjonalt fysisk domene;
Bruk funksjoner for å beskrive temperaturvariasjonene på enhver node innen elementet;
Bygg elementligninger;
Sammenknytt elementer og anvend eksterne stimuli på nodene;
Løs ligningene med hensyn til temperaturfeltets grensebetingelser;
Beregn temperaturøkningen på hver node;
Deriver elementtemperaturøkningen basert på temperaturfeltligningene.
2 Modellering og simulering av temperaturfelt for padmonterte transformatorer
2.1 Endeelementmodellering
Tabell 1 viser relevante parametre for den padmonterte transformator som er valgt i denne artikkelen. En endeelementmodell blir konstruert basert på disse parameterne. Deretter etableres forenklet modeller for høyspændingsvinding, lavspændingsvinding og jernkjerne i padmonterte transformatorer.
Under modellering, da forbindelsene til høyspændingsvindingsutgangsterminaler er relativt faste, tas de ikke med i den initielle designfasen. For forenkling modelleres jernkjernen som en monolitisk struktur, med interlamellar gap ignoreres (disse gapene behandles ved hjelp av egenskapene til bulk silisjern for å regne med materialledningsevne). Den 3D-simuleringsmodellen for transformatoren er vist i figur 1.
For å analysere effekter av naturlig konveksjon på varmeanvisling, legges et eksternt luftområde (med dimensjoner 5000mm×5000mm×3000mm) til simuleringsmiljøet, noe som muliggjør realistisk modellering av luftstrømningsmønstre rundt transformatoren.
2.2 Beholdningsmodell for padmonterte transformatorer
Vindinger og jernkjernen modelleres som varmekilder, med deres varmegenerasjonsrater beregnet basert på transformatordesignparametre. Luftområdet konfigureres med trykkutganger øverst og innganger fordelt langs bunnen og sidene, med en omgivende temperatur satt til 300K. Under simuleringene, deriveres naturlig konveksjonsparametre ved å velge et passende turbulensmodell basert på Rayleigh-tallet.
Beholdningsgeometrien (figur 2) forenkles på grunn av sin komplekse sammensatte struktur. Tagets perforerte paneler ignoreres, og hele taget behandles som et kontinuerlig luftområde. Porøse medier plasseres ved luftutganger under tagkanter for å simulere strømningstilstand. Luftområdet rundt beholdningens bunnstøtter regnes som forbundet. Et ekstra 155 mm-høyt luftlag legges under beholdningen for å ta hensyn til fundamentets innvirkning på varmeanvisling.
I den etablerte modellen, hører forhåndsinnstilte bunnehull, topphull og øvre-nedre hull alle til porøse medier, med en tykkelse på 10 mm (som den gul-grønne blokken i figur 3), for å simulere rutenettplaten. Spesifikasjonen for bunnehullet er 1450 × 1200 mm², og spesifikasjonen for øvre-nedre hull er 550 × 500 mm². Tre åpninger og en epoxyplate er også satt i modellen, og åpningenes status (åpen eller lukket) bestemmes ifra den faktiske situasjon. Generelt, hvis gulvmontert type blir valgt, er topphullet, epoxyplaten og Åpning 1 i åpen tilstand; hvis bunnhulletype blir valgt, er topphullet, bunnhullet, og Åpning 1/2/3 alle i åpen tilstand.
2.3 Analyse av temperaturfeltdistribusjon
Neste, bygges en endeelementmodell ved å nettverk geometrimodellen. Sikre enhetlighet av naturlig konveksjon og interne nettverksmodeller, og forfint nettverking ved beholdningshull og luftgrensesflater for å forbedre beregningsnøyaktigheten. Basert på geometrimodellen, har endeelementmodellen 401,856 noder og 518,647 nettverk. Nøkkelinnstillinger for padmonterte transformatormodellen:
Ved hjelp av endeelementprogramvare, viser temperaturfeltmodellen at vindinger har høyest temperatur i transformator, fulgt av jernkjernen; nærmer lufttemperaturen også høy, synker under luftstigning til å matche omgivende temperatur ved trykkutgangen. Under drift, varmluftutvidelse fører til luftakkumulering og kollisjon mellom omgivende og røringsluft (på grunn av kontinuerlig varming og volumøkning). Luftviskositet påvirker røringsstrømning og strømningsfeltet. Varmluft akselererer nær bakken og senkes unna; luftstrømning-overflatekontakt former en termisk grenseskikt, som, på grunn av sin tykkelse, reduserer varmeoverføringskoeffisienter, øker temperatur og luftviskositet mens strømningshastighet reduseres. Varmluft endrer temperaturen over transformator, proporsjonell med termisk stråling.
3 Varmeanvisningsdesign for padmonterte transformatorer
3.1 Modellanalyse
Padmonterte transformatorer er plassert inne i beholdninger med høy sikkerhetsnivå. For å sikre jevn luftstrømning innenfor beholdningen og gi full utnyttelse av transformatorers varmeanvisningskapasitet, må aksialflytventiler konfigureres for å avgi varmluft fra utstyrsinnsiden. Samtidig installeres kjølepinner utenfor beholdningen for å oppnå varmeutveksling. Gjennom varmeutveksling, kan den kontinuerlige sirkulasjonen av luft innenfor transformator fremmes.
Under drift av padmonterte transformatorer, genereres varme hovedsakelig av vindinger og jernkjerner. Derfor må designet fokusere på luftstrømningstilstandene for disse to komponentene og integrere de relevante elementene for å bygge varmeanvisningsmodellen.
3.2 Bestemmelse av modellparametre
For padmonterte transformatorer, er forskjellen mellom innendørs luftparametre og temperaturytekterparametre relativt liten. Når silisjernark er valgt, skal deres varmetilstand prioriteres. Samtidig analyseres tallforholdet mellom kobbertråd og isolerende harz for å bestemme de termiske ytekterparametrene.
3.3 Betingelsesinnstilling
Gjennomsnittstrykket ved luftinngang og -utgang til padmonterte transformatorer er ett atmosfæretrykk. Kombinert med kjølepinnens yteevne, tas temperaturen på kald luft som inngangsforhold for å etablere en endeelementmodell, og symmetriplan og luftinngang-utgangretning defineres.
3.4 Resultatanalyse
Etter å ha etablert modellen og satt grensebetingelsene, utføres beregninger. Analysen viser at luftutgangen til padmonterte transformatorer er hettest punktet, med en temperatur på 394,5K (som tilsvarer en hetspotstemperatur på 120,5°C). Hettest punktet på jernkjernen er langt fra luftutgangen, og den beregnede hetspotstemperaturen er 110°C. I tillegg har posisjonene nær luftinnganger og -utganger dårlig varmeanvisningsevne.
3.5 Inngang og utgang luftanalyse
Simuler endringen i luftstrømningshastighet: Hvis den varme høyspændingsvindingen er bygd nær luftutgangen og luftutgangen har en rettvinklet struktur, vil det påvirke lufttrykket, gjøre luften innenfor emballasjen tynn og ugunstig for varmeanvisning.
Basert på dette, optimiseres luftutgangsdesignet: Flytt luftutgangen opp ca. 30 cm, behold høyden uforandret, og samtidig reduser bredden på luftinngangen (hovedsakelig reduser med 10 cm), slik at total lengde på beholdningen øker med 20 cm. Etter beregning, under dette skjemaet, hetspottemperatur og gjennomsnittstemperatur av vindingen synker betydelig. Ved å analysere luftstrømningshastighetsfordelingen, viser vindingluftstrømningen en 120° vinkel når den overføres til luftutgangen, indikerer at luftstrømningen er jevn.
3.6 Oppsummering
Padmonterte transformatorer spiller en viktig rolle i strømforsyningsystemet. Hvis den store mengden varme som genereres under drift ikke kan avgis på tid, kan det sannsynligvis føre til feil og trusse systemets stabilitet. Designere må dype analyse av varmeanvisningsproblemer for padmonterte transformatorer, kombinere med endringene i temperaturfeltet, bruke vitenskapelige metoder som endeelementmetoden for å bygge varmeanvisningsmodeller, optimalisere utstyrets varmeanvisningssystem, og forbedre den totale varmeanvisningseffektiviteten.
