Projekt zarządzania ciepłem dla transformatorów montowanych na podstawce
W trakcie rzeczywistej eksploatacji transformatorów skrzynkowych napotyka się typowe problemy związane z ciepłem:
Aby optymalizować odprowadzanie ciepła, ten artykuł wykorzystuje analizę elementów skończonych do budowy modelu 3D transformatora. Poprzez mapowanie rozkładu pola temperatur identyfikowane są obszary przeogrzania i udoskonalany jest projekt systemu chłodzenia.
1. Podstawy pola temperatur
Pole temperatur opisuje zmiany temperatury w przestrzeni i czasie, z ciepłem generowanym, przenoszonym i dystrybuowanym ściśle sprzężonym. W przypadku transformatorów skrzynkowych, ciepło pochodzi z rdzenia, zwinięć itp. Warunki pracy i czas ich trwania wpływają na wzorce ciepła, a interakcje wielośrodkowe (rdzeń, zwinięcia, izolacja) tworzą nierównomierny rozkład temperatury.
Ciepło przenosi się poprzez kondukcję (dominującą, która przeprowadza ciepło ze zwinięć/rdzenia przez izolacyjną żywicę do otaczającego powietrza) i konwekcję. Intensywność kondukcji koreluje z gradientami temperatury – ciepło przemieszcza się od gorących komponentów do chłodniejszej żywicy, a następnie dyspersuje do zewnętrznego powietrza. Obliczenia strumienia ciepła są następujące:
W formule: q reprezentuje gęstość strumienia ciepła; λ reprezentuje przewodność cieplną; ∂t/∂x to gradient temperatury, odbijający szybkość zmiany temperatury w zależności od odległości; n to współczynnik konwersji ciepła. Gdy występują różnice temperatur w różnych miejscach, ciepło przemieszcza się głównie, aby zrównoważyć temperaturę, a ten stan równowagi temperatury to konwekcja ciepła. W trakcie działania transformatora skrzynkowego, ciepło generowane przez różne części wejdzie w kontakt z powietrzem i będzie się między nimi przenosić, powodując zmiany temperatury otaczającego gazu. W tym procesie, przenoszenie ciepła odbywa się poprzez konwekcję ciepła, co można wyrazić następującą formułą:
W formule, h to współczynnik konwekcyjnej wymiany ciepła, tf reprezentuje temperaturę płynu, a tw reprezentuje temperaturę powierzchni obiektu. Gdy temperatura obiektu jest wyższa niż zero bezwzględne, powstaje promieniowanie ciepła, zwykle nazywane promieniowaniem termicznym. Przy niezmienionych innych czynnikach, ilość promieniowania między obiektami zmienia się wraz ze wzrostem temperatury (z temperaturą utrzymującą ciągły trend wzrostowy). W trakcie działania transformatora skrzynkowego, sam sprzęt nie ma bezpośredniego kontaktu z promieniowaniem ciepłym; gdy temperatura transformatora stabilizuje się, jego funkcja promieniowania ciepłego osiągnie odprowadzanie ciepła poprzez promieniowanie ciepła, a ten proces można wyrazić następującą formułą:
W formule, S oznacza powierzchnię promieniowania, T to termodynamiczna temperatura obiektu, a σ to stała promieniowania. W projekcie systemu odprowadzania ciepła dla transformatorów skrzynkowych, metoda analizy elementów skończonych (FEA) jest stosowana głównie do ustanawiania równań termicznej równowagi. Poprzez obliczenia można określić temperaturę w każdym węźle obiektu. Jest to szczególnie użyteczne do pomiaru punktów temperatury, które są trudne do uzyskania w praktyce, identyfikacji optymalnych lokalizacji obszarów przeogrzania, a następnie przeprowadzania analizy sprzężenia. Podstawowe zasady dekompozycji pola temperatury za pomocą FEA są następujące:
Dyskretyzacja trójwymiarowej fizycznej domeny;
Użycie funkcji do opisania zmian temperatury w dowolnym węźle w obrębie elementu;
Konstrukcja równań elementów;
Zbieranie elementów i zastosowanie pobudzeń zewnętrznych w węzłach;
Rozwiązanie równań z uwzględnieniem warunków brzegowych pola temperatur;
Obliczenie wzrostu temperatury w każdym węźle;
Wyprowadzenie wzrostu temperatury elementu na podstawie równań pola temperatur.
2 Modelowanie i symulacja pola temperatur transformatorów skrzynkowych
2.1 Modelowanie elementów skończonych
Tabela 1 zawiera odpowiednie parametry transformatora skrzynkowego wybranego w tym artykule. Na podstawie tych parametrów budowany jest model elementów skończonych. Następnie, tworzone są uproszczone modele dla wysokonapiętnej zwinięcia, niskonapiętnej zwinięcia i rdzenia transformatora skrzynkowego.
Podczas budowy modelu, ponieważ spawane połączenia końcówek zwinięcia wysokonapiętnego są stosunkowo solidne, nie są one uwzględniane w początkowym etapie projektowania. W celu uproszczenia, rdzeń modelowany jest jako jednolita struktura, z pominięciem przerw między laminami (te przerwy są uwzględniane poprzez właściwości bulkowego żelaza krzemu, aby uwzględnić przewodność materiału). Trójwymiarowy model symulacyjny transformatora przedstawiony jest na Rysunku 1.
Aby przeanalizować efekty naturalnej konwekcji na odprowadzanie ciepła, dodano do środowiska symulacyjnego zewnętrzną domenę powietrza (o wymiarach 5000mm×5000mm×3000mm), umożliwiając realistyczne modelowanie wzorców przepływu powietrza wokół transformatora.
2.2 Model obudowy transformatora skrzynkowego
Zwinięcia i rdzeń modelowane są jako źródła ciepła, a ich stopy generowania ciepła są obliczane na podstawie parametrów projektowych transformatora. Domena powietrza jest skonfigurowana z wylocami ciśnieniowymi na górze i wejściami rozmieszczonymi wzdłuż dolnej i bocznych ścian, utrzymując temperaturę otoczenia ustawioną na 300K. W trakcie symulacji, parametry naturalnej konwekcji są wyznaczane poprzez wybór odpowiedniego modelu turbulencji na podstawie liczby Rayleigha.
Geometria obudowy (Rysunek 2) jest uproszczona ze względu na jej złożoną strukturę kompozytową. Perforowane panele dachu są pomijane, traktując cały dach jako ciągłą domenę powietrza. Środki porowate są umieszczone pod eavesami, aby symulować opór przepływu. Domena powietrza wokół dolnych belek nośnych jest uznawana za połączoną. Dodatkowa warstwa powietrza o wysokości 155 mm jest dodawana pod obudową, aby uwzględnić wpływ fundamentu na odprowadzanie ciepła.
W ustanowionym modelu, zaprogramowane otwory na dole, na górze i górne-dolne otwory należą do środków porowatych, o grubości 10 mm (takie jak zielono-żółta kostka na Rysunku 3), symulując płytę siatkową. Specyfikacja otworu na dole to 1450 × 1200 mm², a specyfikacja górno-dolnych otworów to 550 × 500 mm². W modelu ustawione są również trzy otwory i płyta epoksydowa, a otwory są określane jako otwarte lub zamknięte w zależności od rzeczywistej sytuacji. Ogólnie, jeśli zostanie wybrany typ montowany na podłodze, otwór górny, płyta epoksydowa i Otwór 1 są w stanie otwartym; jeśli zostanie wybrany typ z otworem na dole, otwór górny, otwór na dole i Otwory 1/2/3 są wszystkie w stanie otwartym.
2.3 Analiza rozkładu pola temperatur
Następnie, model elementów skończonych jest budowany przez siatkowanie modelu geometrycznego. Zapewnienie jedności naturalnej konwekcji i wewnętrznego modelu siatki, oraz zagęszczenie siatki w otworach obudowy i interfejsach powietrza, aby poprawić dokładność obliczeń. Na podstawie modelu geometrycznego, model elementów skończonych ma 401,856 węzłów i 518,647 siatek. Kluczowe ustawienia modelu transformatora skrzynkowego:
Używając oprogramowania elementów skończonych, model pola temperatur pokazuje: Zwinięcia mają najwyższą temperaturę w transformatorze, po nich rdzeń; temperatura powietrza w pobliżu jest również wysoka, malejąc podczas wzrostu powietrza, aż do dopasowania temperatury otoczenia na wylocie ciśnieniowym. W trakcie działania, rozszerzenie gorącego powietrza powoduje gromadzenie powietrza i kolizje między powietrzem otoczenia i powietrzem w przewodzie (ze względu na ciągłe ogrzewanie i zwiększenie objętości). Lepek powietrza wpływa na przepływ w przewodzie i pole przepływu. Gorące powietrze przyspiesza blisko ziemi i zwalnia z dala; kontakt przepływu powietrza z powierzchnią tworzy graniczny warstw cieplny, który, ze względu na swoją grubość, redukuje współczynniki przepływu ciepła, zwiększając temperaturę i lepek powietrza, a jednocześnie zmniejszając prędkość przepływu. Gorące powietrze zmienia temperaturę nad transformatorem, z temperaturą proporcjonalną do promieniowania ciepłego.
3 Projekt odprowadzania ciepła transformatorów skrzynkowych
3.1 Analiza modelu
Transformatory skrzynkowe są umieszczane w obudowach o wysokim poziomie bezpieczeństwa. Aby zapewnić płynny przepływ powietrza w obudowie i pełny potencjał odprowadzania ciepła przez transformator, należy skonfigurować wentylatory osiowe, aby odprowadzać gorące powietrze z wnętrza urządzenia. Jednocześnie, instalowane są zasobniki ciepła poza obudową, aby osiągnąć wymianę ciepła. Dzięki wymianie ciepła, można promować ciągłą cyrkulację powietrza wewnątrz transformatora.
W trakcie działania transformatorów skrzynkowych, ciepło jest generowane głównie przez zwinięcia i rdzeń. Dlatego projekt musi skupić się na stanach przepływu powietrza tych dwóch komponentów i zintegrować odpowiednie elementy do budowy modelu odprowadzania ciepła.
3.2 Określenie parametrów modelu
Dla transformatorów skrzynkowych, różnice między parametrami powietrza wewnątrz pomieszczenia a parametrami wydajności temperatury są stosunkowo małe. Przy wyborze blach żelaznych, powinna być priorytetem ich wytrzymałość na ciepło. Ponadto, analizowany jest numeryczny stosunek drutów miedzianych do żywicy izolacyjnej, aby określić parametry wydajności cieplnej.
3.3 Ustawienie warunków
Średnie ciśnienie na wejściu i wyjściu powietrza transformatora skrzynkowego wynosi jedno atmosferowe ciśnienie. W połączeniu z wydajnością zasobnika ciepła, temperatura zimnego powietrza jest uznawana za warunek wejściowy do ustanowienia modelu elementów skończonych, a płaszczyzna symetrii i kierunek wejścia-wyjścia powietrza są zdefiniowane.
3.4 Analiza wyników
Po ustanowieniu modelu i ustawieniu warunków brzegowych, przeprowadzane są obliczenia. Analiza pokazuje, że najgorętszym punktem w transformatorze skrzynkowym jest wydatek powietrza, z temperaturą dochodzącą do 394,5K (co odpowiada temperaturze gorącego punktu 120,5°C). Najgorętszy punkt rdzenia znajduje się daleko od wydatku powietrza, a obliczona temperatura gorącego punktu wynosi 110°C. Ponadto, pozycje blisko wejść i wyjść powietrza mają słabe wydajności odprowadzania ciepła.
3.5 Analiza wejścia i wyjścia powietrza
Symulacja zmiany prędkości przepływu powietrza: Jeśli gorące zwinięcie wysokonapiętne jest wbudowane w pobliże wydatku powietrza, a wydatek powietrza ma strukturę pod kątem prostym, wpłynie to na ciśnienie powietrza, sprawiając, że powietrze wewnątrz obudowy stanie się cienkie i niekorzystne dla odprowadzania ciepła.
Na tej podstawie, zoptymalizuj projekt wydatku powietrza: Przesuń wydatek powietrza w górę o około 30 cm, zachowując wysokość, i jednocześnie zmniejsz szerokość wejścia powietrza (głównie o 10 cm), tak, aby całkowita długość obudowy zwiększyła się o 20 cm. Po obliczeniach, w ramach tego schematu, temperatura gorącego punktu i średnia temperatura zwinięcia znacznie spadają. Analizując rozkład prędkości pola przepływu powietrza, przepływ powietrza w zwinięciu tworzy kąt 120°, gdy jest przenoszony do wydatku powietrza, co wskazuje, że przepływ powietrza jest płynny.
3.6 Podsumowanie
Transformatory skrzynkowe odgrywają kluczową rolę w systemie dystrybucji energii. Jeśli duża ilość ciepła generowana w trakcie działania nie może być w odpowiednim czasie odprowadzana, może to prowadzić do awarii i zagrożenia stabilnością systemu. Projektanci muszą głęboko analizować problemy odprowadzania ciepła w transformatorach skrzynkowych, łączyć zmiany pola temperatur, wykorzystywać naukowe metody, takie jak metoda elementów skończonych, do budowy modeli odprowadzania ciepła, optymalizować system odprowadzania ciepła urządzenia i poprawiać ogólną wydajność odprowadzania ciepła.
