Projeto de Gestão Térmica para Transformadores a Posto
Durante a operação real, os transformadores de base enfrentam problemas típicos relacionados ao calor:
Para otimizar a dissipação de calor, este artigo usa análise por elementos finitos para construir um modelo 3D de transformador. Mapeando as distribuições de campo de temperatura, identifica pontos quentes de superaquecimento e refina o design do sistema de resfriamento.
1. Fundamentos do Campo de Temperatura
Um campo de temperatura descreve variações espaciais e temporais de temperatura, com geração, transferência e distribuição de calor estreitamente acopladas. Para transformadores de base, o calor origina-se nos núcleos, enrolamentos, etc. As condições/durações de operação alteram os padrões de calor, e as interações multimídia (núcleos, enrolamentos, isolamento) criam distribuições de temperatura desiguais.
O calor é transferido via condução (predominante, impulsionando o calor dos enrolamentos/núcleos através da resina isolante até o ar ambiente) e convecção. A intensidade da condução está correlacionada com gradientes de temperatura—o calor se move de componentes quentes para a resina mais fria, então se dissipa no ar externo. Os cálculos de fluxo de calor seguem:
Na fórmula: q representa a densidade de fluxo de calor; λ representa a condutividade térmica; ∂t/∂x é o gradiente de temperatura, refletindo a taxa de mudança de temperatura com a distância; n é o coeficiente de conversão de calor. Quando existem diferenças de temperatura em diferentes posições, o calor circula principalmente para equilibrar a temperatura, e esse estado de equilíbrio térmico é a convecção. Durante a operação de um transformador de base, o calor gerado por várias partes entrará em contato com o ar e se transferirá entre eles, causando mudanças na temperatura do gás circundante. Durante esse processo, a transferência de calor é alcançada através da convecção, que pode ser expressa pela seguinte fórmula:
Na fórmula, h é o coeficiente de transferência de calor convectivo, tf representa a temperatura do fluido, e tw representa a temperatura da superfície do objeto. Quando a temperatura de um objeto é superior ao zero absoluto, é gerado calor radiante, geralmente chamado de radiação térmica. Com outros fatores permanecendo inalterados, a quantidade de radiação gerada entre objetos mudará à medida que a temperatura aumenta (com a temperatura mantendo uma tendência contínua de aumento). Durante a operação de um transformador de base, o equipamento em si não entra em contato direto com a radiação térmica; quando a temperatura do transformador se estabiliza, sua função de radiação térmica alcançará a dissipação de calor através da radiação térmica, e esse processo pode ser expresso pela seguinte fórmula:
Na fórmula, S denota a área de superfície de radiação, T é a temperatura termodinâmica do objeto, e σ é a constante de radiação. Ao projetar o sistema de dissipação de calor para transformadores de base, o método de análise por elementos finitos (AEF) é primariamente empregado para estabelecer equações de equilíbrio térmico. Através de cálculos, a temperatura em cada nó do objeto pode ser determinada. Isso é particularmente útil para medir pontos de temperatura que são difíceis de obter na prática, identificar localizações ótimas de pontos quentes e, em seguida, realizar análise de acoplamento. Os princípios centrais de decomposição do campo de temperatura usando AEF são os seguintes:
Discretize o domínio físico tridimensional;
Use funções para descrever as variações de temperatura em qualquer nó dentro do elemento;
Construa equações de elemento;
Monte os elementos e aplique excitações externas nos nós;
Resolva as equações considerando as condições de contorno do campo de temperatura;
Calcule o aumento de temperatura em cada nó;
Derive o aumento de temperatura do elemento com base nas equações do campo de temperatura.
2 Modelagem e Simulação do Campo de Temperatura de Transformadores de Base
2.1 Modelagem por Elementos Finitos
A Tabela 1 lista os parâmetros relevantes do transformador de base selecionado neste artigo. Um modelo por elementos finitos é construído com base nesses parâmetros. Subsequentemente, modelos simplificados são estabelecidos para o enrolamento de alta tensão, o enrolamento de baixa tensão e o núcleo de ferro do transformador de base.
Durante a construção do modelo, como as conexões soldadas dos terminais de saída do enrolamento de alta tensão são relativamente firmes, elas não são levadas em conta na fase inicial de design. Para simplificação, o núcleo de ferro é modelado como uma estrutura monolítica, com lacunas interlaminares ignoradas (essas lacunas são abordadas por meio das propriedades do aço silício maciço para levar em conta a condutividade do material). O modelo de simulação 3D do transformador é mostrado na Figura 1.
Para analisar os efeitos da convecção natural na dissipação de calor, um domínio de ar externo (com dimensões de 5000mm×5000mm×3000mm) é adicionado ao ambiente de simulação, permitindo a modelagem realista dos padrões de fluxo de ar ao redor do transformador.
2.2 Modelo de Encapsulamento do Transformador de Base
Os enrolamentos e o núcleo de ferro são modelados como fontes de calor, com suas taxas de geração de calor calculadas com base nos parâmetros de design do transformador. O domínio de ar é configurado com saídas de pressão no topo e entradas distribuídas ao longo da parte inferior e laterais, mantendo a temperatura ambiente definida em 300K. Durante as simulações, os parâmetros de convecção natural são derivados selecionando um modelo de turbulência apropriado com base no número de Rayleigh.
A geometria do encapsulamento (Figura 2) é simplificada devido à sua estrutura composta complexa. Os painéis perfurados do teto são negligenciados, tratando todo o teto como um domínio de ar contínuo. Meios porosos são colocados nas saídas de ar sob as beirais para simular a resistência ao fluxo. O domínio de ar ao redor das vigas de suporte inferiores do encapsulamento é considerado interconectado. Uma camada adicional de ar de 155mm de altura é adicionada sob o encapsulamento para levar em conta o impacto da fundação na dissipação de calor.
No modelo estabelecido, os orifícios pré-definidos na parte inferior, no topo e nos orifícios superiores-inferiores pertencem a meios porosos, com uma espessura de 10 mm (como o bloco amarelo-verde na Figura 3), assim simulando a placa de malha. A especificação do orifício inferior é 1450 × 1200 mm², e a especificação dos orifícios superiores-inferiores é 550 × 500 mm². Três aberturas e uma placa de epóxi também são definidas no modelo, e as aberturas são determinadas como abertas ou fechadas de acordo com a situação real. Geralmente, se o tipo de piso for adotado, o orifício superior, a placa de epóxi e a Abertura 1 estarão em estado aberto; se o tipo com orifício inferior for adotado, o orifício superior, o orifício inferior e as Aberturas 1/2/3 estarão todas em estado aberto.
2.3 Análise da Distribuição do Campo de Temperatura
Em seguida, um modelo por elementos finitos é construído pelo mapeamento do modelo geométrico. Garanta a unidade da convecção natural e dos modelos de malha interna, e refine o mapeamento nos orifícios do encapsulamento e nas interfaces de ar para melhorar a precisão do cálculo. Com base no modelo geométrico, o modelo por elementos finitos tem 401.856 nós e 518.647 malhas. Configurações-chave para o modelo de transformador de base:
Usando software de elementos finitos, o modelo do campo de temperatura mostra: os enrolamentos têm a temperatura mais alta no transformador, seguidos pelo núcleo de ferro; a temperatura do ar adjacente também é alta, diminuindo durante a ascensão do ar até corresponder à temperatura ambiente na saída de pressão. Durante a operação, a expansão do ar quente causa acumulação de ar e colisões entre o ar ambiente e o ar do ducto (devido ao aquecimento contínuo e ao aumento de volume). A viscosidade do ar afeta o fluxo do ducto e o campo de fluxo. O ar quente acelera perto do solo e desacelera à medida que se afasta; o contato do fluxo de ar com a superfície forma uma camada limite térmica, que, devido à sua espessura, reduz os coeficientes de transferência de calor, aumentando a temperatura e a viscosidade do ar enquanto diminui a velocidade do fluxo. O ar quente altera a temperatura acima do transformador, com a temperatura proporcional à radiação térmica.
3 Projeto de Dissipação de Calor de Transformadores de Base
3.1 Análise do Modelo
Transformadores de base são dispostos dentro de encapsulamentos com alto nível de segurança. Para garantir a circulação suave de ar dentro do encapsulamento e aproveitar ao máximo o desempenho de dissipação de calor do transformador, ventiladores de fluxo axial precisam ser configurados para descarregar o ar quente do interior do equipamento. Ao mesmo tempo, dissipadores de calor são instalados fora do encapsulamento para realizar a troca de calor. Através da troca de calor, a circulação contínua de ar dentro do transformador pode ser promovida.
Durante a operação de transformadores de base, o calor é principalmente gerado pelos enrolamentos e núcleos de ferro. Portanto, o projeto precisa se concentrar nos estados de fluxo de ar desses dois componentes e integrar os elementos relevantes para construir o modelo de dissipação de calor.
3.2 Determinação dos Parâmetros do Modelo
Para transformadores de base, as diferenças entre os parâmetros de ar interno e os parâmetros de desempenho de temperatura são relativamente pequenas. Ao selecionar folhas de aço silício, deve-se priorizar seu desempenho de resistência ao calor. Ao mesmo tempo, a proporção numérica de fios de cobre para resina isolante é analisada para determinar os parâmetros de desempenho térmico.
3.3 Definição de Condições
A pressão média na entrada e saída de ar do transformador de base é de uma atmosfera. Combinada com o desempenho do dissipador de calor, a temperatura do ar frio é tomada como condição de entrada para estabelecer um modelo por elementos finitos, e o plano de simetria e a direção de entrada e saída de ar são definidos.
3.4 Análise dos Resultados
Após a construção do modelo e a definição das condições de contorno, os cálculos são realizados. A análise mostra que a saída de ar do transformador de base é o ponto mais quente, com uma temperatura atingindo 394,5K (correspondente a uma temperatura de ponto quente de 120,5°C). O ponto mais quente do núcleo de ferro está distante da saída de ar, e a temperatura de ponto quente calculada é 110°C. Além disso, as posições próximas às entradas e saídas de ar têm desempenho de dissipação de calor ruim.
3.5 Análise de Entrada e Saída de Ar
Simule a mudança da velocidade do fluxo de ar: Se o enrolamento de alta tensão quente for construído próximo à saída de ar e a saída de ar tiver uma estrutura em ângulo reto, isso afetará a pressão do ar, tornando o ar dentro do encapsulamento fino e desfavorável para a dissipação de calor.
Com base nisso, otimize o design da saída de ar: mova a saída de ar para cima cerca de 30cm, mantendo a altura inalterada, e simultaneamente reduza a largura da entrada de ar (principalmente reduza em 10cm), de modo que o comprimento total do encapsulamento aumente em 20cm. Após o cálculo, sob esse esquema, a temperatura de ponto quente e a temperatura média do enrolamento diminuem significativamente. Analisando a distribuição de velocidade do campo de fluxo de ar, o fluxo de ar do enrolamento mostra um ângulo de 120° quando transferido para a saída de ar, indicando que o fluxo de ar é suave.
3.6 Resumo
Transformadores de base desempenham um papel crucial no sistema de distribuição de energia. Se a grande quantidade de calor gerada durante a operação não for dissipada de maneira oportuna, é provável que cause falhas e ameace a estabilidade do sistema. Os designers precisam analisar profundamente os problemas de dissipação de calor dos transformadores de base, combinar com as mudanças do campo de temperatura, usar métodos científicos como o método de elementos finitos para construir modelos de dissipação de calor, otimizar o sistema de dissipação de calor do equipamento e melhorar a eficiência geral de dissipação de calor.
