Проектирование системы терморегулирования для трансформаторов в корпусе на опоре
В процессе реальной эксплуатации блочные трансформаторы сталкиваются с типичными проблемами, связанными с перегревом:
Для оптимизации теплоотвода в данной статье используется метод конечных элементов для построения трехмерной модели трансформатора. С помощью карт распределения температурного поля выявляются зоны перегрева, что позволяет усовершенствовать дизайн системы охлаждения.
1. Основы температурного поля
Температурное поле описывает пространственно-временные изменения температуры, где генерация, передача и распределение тепла тесно связаны. Для блочных трансформаторов тепло возникает в сердечнике, обмотках и т.д. Условия работы и продолжительность эксплуатации изменяют паттерны теплового потока, а многокомпонентные взаимодействия (сердечник, обмотки, изоляция) создают неравномерное распределение температуры.
Тепло передается через теплопроводность (основной механизм, который передает тепло от обмоток/сердечника через изолирующую смолу к окружающему воздуху) и конвекцию. Интенсивность теплопроводности коррелирует с градиентом температур — тепло перемещается от горячих компонентов к более холодной смоле, затем рассеивается во внешний воздух. Расчеты теплового потока следующие:
В формуле: q представляет плотность теплового потока; λ представляет теплопроводность; ∂t/∂x — это градиент температуры, отражающий скорость изменения температуры с расстоянием; n — коэффициент преобразования тепла. Когда есть различия температур в разных местах, тепло в основном циркулирует, чтобы уравновесить температуру, и это состояние температурного равновесия называется тепловой конвекцией. В процессе работы блочного трансформатора, тепло, генерируемое различными частями, контактирует с воздухом и передается между ними, вызывая изменения температуры окружающего газа. В этом процессе передача тепла осуществляется через тепловую конвекцию, которая может быть выражена следующей формулой:
В формуле, h — это коэффициент теплопередачи конвекции, tf представляет температуру жидкости, а tw — температуру поверхности объекта. Когда температура объекта выше абсолютного нуля, происходит радиационное тепло, обычно называемое тепловым излучением. При прочих неизменных факторах количество излучаемого тепла между объектами изменяется с ростом температуры (при непрерывном увеличении температуры). В процессе работы блочного трансформатора оборудование само по себе не контактирует напрямую с тепловым излучением; когда температура трансформатора стабилизируется, его функция теплового излучения обеспечивает рассеивание тепла через тепловое излучение, и этот процесс можно выразить следующей формулой:
В формуле, S обозначает площадь излучающей поверхности, T — термодинамическая температура объекта, σ — постоянная излучения. При проектировании системы охлаждения блочных трансформаторов в основном применяется метод конечных элементов (КЭМ) для установления уравнений теплового баланса. Через расчеты можно определить температуру в каждой узловой точке объекта. Это особенно полезно для измерения температурных точек, которые трудно получить на практике, определения оптимальных зон перегрева и последующего анализа связи. Основные принципы декомпозиции температурного поля с использованием КЭМ следующие:
Дискретизация трехмерной физической области;
Использование функций для описания изменений температуры в любой узловой точке внутри элемента;
Построение уравнений элементов;
Сборка элементов и применение внешних воздействий на узловых точках;
Решение уравнений с учетом граничных условий температурного поля;
Расчет подъема температуры в каждой узловой точке;
Вычисление подъема температуры элемента на основе уравнений температурного поля.
2 Моделирование и симуляция температурного поля блочных трансформаторов
2.1 Моделирование конечными элементами
Таблица 1 содержит соответствующие параметры выбранного в данной работе блочного трансформатора. На основе этих параметров строится модель конечных элементов. Затем создаются упрощенные модели для высоковольтной обмотки, низковольтной обмотки и железного сердечника блочного трансформатора.
В процессе построения модели, поскольку сварные соединения выводов высоковольтной обмотки достаточно прочны, они не учитываются на начальном этапе проектирования. Для упрощения железный сердечник моделируется как монолитная структура, игнорируя межламельные зазоры (эти зазоры учитываются с помощью свойств объемного электротехнического железа для учета проводимости материала). Трехмерная модель симуляции трансформатора показана на рисунке 1.
Для анализа влияния естественной конвекции на теплоотвод добавляется внешняя воздушная область (с размерами 5000 мм × 5000 мм × 3000 мм) в среду симуляции, что позволяет реально моделировать потоки воздуха вокруг трансформатора.
2.2 Модель корпуса блочного трансформатора
Обмотки и железный сердечник моделируются как источники тепла, их тепловыделение рассчитывается на основе параметров конструкции трансформатора. Воздушная область настраивается с выходами давления сверху и входами, распределенными по нижней и боковым сторонам, поддерживая температуру окружающей среды, установленную на 300K. В ходе симуляций параметры естественной конвекции определяются путем выбора подходящей модели турбулентности на основе числа Рэлея.
Геометрия корпуса (рисунок 2) упрощается из-за его сложной композитной структуры. Перфорированные панели крыши игнорируются, вся крыша рассматривается как непрерывная воздушная область. Пористые материалы размещаются под карнизами для моделирования сопротивления потоку. Воздушная область вокруг нижних опорных балок корпуса считается взаимосвязанной. Дополнительно добавляется 155-миллиметровый слой воздуха под корпусом для учета влияния основания на теплоотвод.
В созданной модели предварительно заданные нижние отверстия, верхние отверстия и верхне-нижние отверстия относятся к пористым материалам, с толщиной 10 мм (например, желто-зеленый блок на рисунке 3), что моделирует сетчатую пластину. Размер нижнего отверстия составляет 1450 × 1200 мм², а размер верхне-нижних отверстий — 550 × 500 мм². В модели также установлены три отверстия и эпоксидная пластина, и состояние отверстий определяется в зависимости от实际情况似乎被截断了。根据您的要求，我会继续完成翻译：
В модели также установлены три отверстия и эпоксидная пластина, и состояние отверстий определяется в зависимости от фактической ситуации. Обычно, если используется напольный тип, верхнее отверстие, эпоксидная пластина и отверстие 1 находятся в открытом состоянии; если используется тип с нижним отверстием, верхнее отверстие, нижнее отверстие и отверстия 1/2/3 все находятся в открытом состоянии. 2.3 Анализ распределения температурного поля Далее, построенная модель конечных элементов сеткой разбивается на геометрическую модель. Обеспечьте единство естественной конвекции и внутренних моделей сетки, и уточните сетку на отверстиях корпуса и воздушных интерфейсах для повышения точности расчетов. На основе геометрической модели, модель конечных элементов имеет 401,856 узлов и 518,647 ячеек. Ключевые настройки для модели блочного трансформатора: Используя программное обеспечение для конечных элементов, модель температурного поля показывает: обмотки имеют самую высокую температуру в трансформаторе, за ними следует сердечник; соседний воздух также имеет высокую температуру, которая уменьшается при подъеме воздуха, пока не достигнет температуры окружающей среды на выходе давления. В процессе работы расширение горячего воздуха вызывает его накопление и столкновения между окружающим и каналным воздухом (из-за непрерывного нагрева и увеличения объема). Вязкость воздуха влияет на поток в каналах и на поле потока. Горячий воздух ускоряется ближе к земле и замедляется дальше; контакт потока воздуха с поверхностью образует тепловой пограничный слой, который, из-за своей толщины, снижает коэффициенты теплопередачи, увеличивая температуру и вязкость воздуха, а также уменьшая скорость потока. Горячий воздух изменяет температуру над трансформатором, причем температура пропорциональна тепловому излучению. 3 Проектирование системы охлаждения блочных трансформаторов Блочные трансформаторы располагаются внутри корпусов с высоким уровнем безопасности. Чтобы обеспечить плавное движение воздуха внутри корпуса и полностью использовать теплоотдачу трансформатора, необходимо настроить осевые вентиляторы для удаления горячего воздуха из внутренней части оборудования. Одновременно с этим, наружные радиаторы устанавливаются вне корпуса для достижения теплового обмена. Благодаря тепловому обмену, обеспечивается непрерывное движение воздуха внутри трансформатора. В процессе работы блочных трансформаторов, тепло в основном генерируется обмотками и сердечником. Поэтому, проектирование должно сосредоточиться на состояниях потока воздуха этих двух компонентов и интегрировать соответствующие элементы для построения модели охлаждения. 3.2 Определение параметров модели Для блочных трансформаторов, различия между параметрами внутреннего воздуха и параметрами теплового режима относительно невелики. При выборе электротехнической стали следует учитывать ее теплостойкость. Также анализируется численное соотношение медных проводов к изолирующей смоле для определения теплотехнических параметров. 3.3 Установка условий Среднее давление на входе и выходе воздуха блочного трансформатора составляет одно атмосферное давление. В сочетании с характеристиками радиатора, температура холодного воздуха принимается как входное условие для создания модели конечных элементов, и определяется симметричная плоскость и направление входа-выхода воздуха. 3.4 Анализ результатов После построения модели и установки граничных условий, выполняются расчеты. Анализ показывает, что выход воздуха блочного трансформатора является самой горячей точкой, с температурой, достигающей 394.5K (что соответствует температуре горячей точки 120.5°C). Самая горячая точка сердечника находится далеко от выхода воздуха, и рассчитанная температура горячей точки составляет 110°C. Кроме того, места, близкие к входам и выходам воздуха, имеют плохую теплоотдачу. 3.5 Анализ входа и выхода воздуха Симулируется изменение скорости потока воздуха: если горячая высоковольтная обмотка установлена близко к выходу воздуха, и выход воздуха имеет прямоугольную структуру, это повлияет на давление воздуха, делая воздух внутри корпуса тонким и неблагоприятным для теплоотдачи. На основе этого, оптимизируется дизайн выхода воздуха: выход воздуха поднимается примерно на 30 см, высота остается неизменной, и одновременно уменьшается ширина входа воздуха (в основном уменьшается на 10 см), что увеличивает общую длину корпуса на 20 см. После расчетов, в рамках этой схемы, температура горячей точки и средняя температура обмотки значительно снижаются. Анализ распределения скорости потока воздуха показывает, что поток воздуха обмотки имеет угол 120° при переходе к выходу воздуха, что указывает на плавный поток воздуха. 3.6 Итог Блочные трансформаторы играют важную роль в системе распределения электроэнергии. Если большое количество тепла, генерируемого в процессе работы, не будет своевременно отведено, это может привести к отказам и угрожать стабильности системы. Проектировщикам необходимо глубоко анализировать проблемы теплоотдачи блочных трансформаторов, учитывать изменения температурного поля, использовать научные методы, такие как метод конечных элементов, для построения моделей теплоотдачи, оптимизировать систему теплоотвода оборудования и повышать общую эффективность теплоотдачи.
3.1 Анализ модели
