Toplinsko upravljanje pri oblikovanju transformatorjev na podprtišču

Med vseživljenjskim delovanjem se transformatorji v okvirih soočajo z tipičnimi problemi, povezanimi s toploto:

• Izklopi zaradi visokih temperatur in obremenitve: Pronešeni so k izklopom pri trajnih pogojih visokih temperatur in obremenitve.

• Nedelovanje ventilatorjev in termostatov: Dolgoročno uporaba ventilatorjev povzroča napake, poškoduje termostati in preprečuje izpuščanje vročega zraka, kar moti delovanje.

• Slab položaj ventilatorjev: Namestitev ventilatorjev na vrhu okvirja zahteva izklopnost za vzdrževanje/zamenjavo; ta postavitev tudi zapira toploto, kar poveča notranje temperature do rizika za oparila.

Za optimizacijo razprševanja toplote ta članek uporablja metodo končnih elementov za gradnjo 3D modela transformatorja. Z preslikavo porazdelitve temperaturnih polj identificira presegne točke in izboljša dizajn hladilnega sistema.

1. Osnove temperaturnega polja

Temperaturno polje opisuje prostorsko-časovne variacije temperature, z generiranjem, prenašanjem in porazdelitvijo toplote tesno povezane. Za transformatorje v okvirju toplota izhaja iz jezrg, ovitkov itd. Delovni pogoji in trajanje sprememb toplote, večsredstvene interakcije (jezrg, ovitkov, izolacije) ustvarijo neenakomerno porazdelitev temperature.

Toplota se prenaša preko vodnosti (dominanta, ki poganja toploto od ovitkov/jezrg skozi izolirni smolek v okoljski zrak) in konvekcije. Intenziteta vodnosti korreliira s temperaturnimi gradienti – toplota se premika od vročih komponent do hladnejše smole, nato se razprši v zunanji zrak. Izračun toplotnega toka sledi:

V formuli: q predstavlja gostoto toplotnega toka; λ predstavlja vodnost toplote; ∂t/∂x je temperaturni gradient, ki odraža hitrost spremembe temperature z razdaljo; n je koeficient pretvorbe toplote. Ko obstajajo temperaturne razlike na različnih mestih, se toplota glavnostno cirkulira, da doseže ravnotežje temperature, in to stanje ravnotežja temperature je konvekcija. Med delovanjem transformatorja v okvirju se toplota, ki jo generirajo različni deli, stika z zrakom in med njimi prenaša, kar povzroča spremembe temperature okoljskega plina. V tem procesu se prenos toplote doseže preko konvekcije, kar lahko izrazimo z naslednjo formulo:

V formuli, h je koeficient konvektivnega prenosa toplote, t_f predstavlja temperaturo tekočine, t_w pa temperaturo površine predmeta. Ko je temperatura predmeta višja od absolutne ničle, se ustvari toplota, običajno imenovana termalna radiacija. Če ostali faktorji ostanejo nespremenjeni, se količina radiacije, ki se ustvari med predmeti, spreminja s povečevanjem temperature (temperatura ohranja zvezno navzgor usmerjen trend). Med delovanjem transformatorja v okvirju samo oprema ne pride v neposredni kontakt z termalno radiacijo; ko se temperatura transformatorja stabilizira, bo njegova funkcija termalne radiacije dosegle hladilno učinko preko termalne radiacije, in ta proces lahko izrazimo z naslednjo formulo:

V formuli, S označuje površino radiacije, T je termodinamska temperatura predmeta, σ pa je konstanta radiacije. Pri oblikovanju hladilnega sistema za transformatorje v okvirju se glavnostno uporablja metoda končnih elementov (FEA) za vzpostavitev enačb termalnega ravnotežja. Skozi izračune se določi temperatura na vsaki vozlišču predmeta. To je zlasti uporabno za merjenje temperaturnih točk, ki so v praksi težko dostopne, identifikacijo optimalnih lokacij presegne točk in nato izvajanje skupnega analiza. Ključni principi razgradnje temperaturnega polja z FEA so naslednji:

• Diskretizacija trije-dimenzionalnega fizikalnega področja;

• Uporaba funkcij za opis variacij temperature na poljubnem vozlišču znotraj elementa;

• Gradnja enačb elementov;

• Sestavljanje elementov in uporaba zunanje pobude na vozliščih;

• Reševanje enačb s upoštevanjem mejnih pogojev temperaturnega polja;

• Izračun povišanja temperature na vsakem vozlišču;

• Izpeljava povišanja temperature elementa na osnovi enačb temperaturnega polja.

2 Modeliranje in simulacija temperaturnega polja transformatorjev v okvirju
2.1 Modeliranje s končnimi elementi

Tabela 1 navaja relevantne parametre transformatorja v okvirju, izbranega v tem članku. Na podlagi teh parametrov je zgrajen model s končnimi elementi. Nato so uvedeni poenostavljeni modeli za visokonaponski ovitek, nizkonaponski ovitek in železni jezrg transformatorja v okvirju.

Med gradnjo modela, ker so varne vezave izstopnih terminalov visokonaponskega ovitka relativno trdne, se v prvotni fazi načrtovanja ne upošteva. Za poenostavitev je jezrga modelirana kot celovit struktura, z meščanjem med plastmi prezrtim (to se obravnava z lastnostmi masivnega silikata železa, da se upošteva prevodnost materiala). 3D simulacijski model transformatorja je prikazan na Sliki 1.

Za analizo učinka naravne konvekcije na hladilnost je dodano zunanje zračno področje (s dimenzijami 5000mm×5000mm×3000mm) v simulacijsko okolje, kar omogoča realistično modeliranje vzorcev tokov zraka okoli transformatorja.

2.2 Oklepaj modela transformatorja v okvirju

Ovitek in jezrga so modelirani kot viri toplote, s hitrostjo generiranja toplote, izračunano na podlagi parametrov oblikovanja transformatorja. Zračno področje je konfigurirano z tlacišči na vrhu in vhodi, porazdeljeni vzdolž dna in stranic, z vzdrževalno temperaturo nastavljeno na 300K. Med simulacijami se parametri naravne konvekcije izpeljejo z izbiro primernega modela turbulencije glede na Rayleighovo število.

Geometrija oklepaja (Slika 2) je poenostavljena zaradi kompleksne složene strukture. Perforirane plošče strehe so prezrti, toda celotna streha je obravnavana kot zvezno zračno področje. Porozna medija so postavljena pod evesi za simulacijo odpornosti pretoka. Zračno področje okoli podpornih nosilcev dna je obravnavano kot povezano. Dodaten 155 mm visoki zračni sloj je dodan pod oklepajem, da bi se upošteval vpliv temelja na hladilnost.

V ustanovljenem modelu so predvideni dnevni luknje, vrhnji luknje in zgornji-spodnji luknje, ki spadajo v porozna medija, z debelino 10 mm (kot rumeno-zeleni blok na Sliki 3), tako simulirajo mrežno ploščo. Specifikacija dnevnega luknja je 1450 × 1200 mm², specifikacija zgornjega-spodnjega luknja pa 550 × 500 mm². V modelu so tudi postavljene tri otroke in epoksidna plošča, in otroke se določi, ali so odprti ali zaprti glede na dejansko situacijo. Splošno, če je uporabljena podobna vrsta, so vrhni luknji, epoksidna plošča in Odpri 1 v odprtem stanju; če je uporabljena vrsta s dnevnimi luknjami, so vrhni luknji, dnevni luknji in Odpri 1/2/3 vsem odprti.

2.3 Analiza porazdelitve temperaturnega polja

Naprej se zgradil model s končnimi elementi z mreženjem geometrijskega modela. Zagotovite enotnost naravne konvekcije in notranjih mrežnih modelov, in izboljšajte mreženje pri luknjah oklepaja in zračnih vmesnikih, da izboljšate točnost izračuna. Na podlagi geometrijskega modela ima model s končnimi elementi 401.856 vozlišč in 518.647 mrež. Ključne nastavitve za model transformatorja v okvirju:

• Vmesnik tekocina-struktura: Zračni vmesnik, brez klizanja za ohranitev toplote.

• Adiabatne površine: Vrh strehe, stranice podpornih nosilcev dna in zunanji zrak.

• Prevodne površine: Stranice oklepaja (1 mm debela jeklena plošča), vse stene oklepaja (2 mm debela jeklena plošča), z odprtimi vrhnimi luknjami in zaprtimi spodnjimi luknjami.

Z uporabo programske opreme za končne elemente kaže model temperaturnega polja: Ovitki imajo najvišjo temperaturo v transformatorju, sledi jezrga; sosedeči zrak je tudi topel, zmanjša se med dvigom zraka, dokler se ne ujemi s temperaturo okoljskega zraka na izstopnem tlacišču. Med delovanjem povzroča ekspanzija vročega zraka nakopičenje zraka in stike med okoljskim in kanalskim zrakom (zaradi zveznega segrevanja in povečevanja volumena). Globočina termalnega granicnega sloja, ki se oblikuje med stikom zraka in površine, zmanjša koeficiente prenosa toplote, poveča temperaturo in globočino zraka, hkrati pa zmanjša hitrost pretoka. Vroč zrak spremeni temperaturo nad transformatorjem, z temperaturo sorazmerno s termalno radiacijo.

3 Hladilno oblikovanje transformatorjev v okvirju
3.1 Analiza modela

Transformatorji v okvirju so razporejeni znotraj oklepajev z visoko stopnjo varnosti. Da bi zagotovili gladko cirkulacijo zraka znotraj oklepaja in izkoristili hladilno zmogljivost transformatorja, je potrebno konfigurirati aksovne ventilatorje, da izpuščajo vroč zrak iz notranjosti opreme. S tem pa so nameščeni hladilniki zunaj oklepaja, da dosežejo hladilno menjavo. Skozi hladilno menjavo se lahko spodbudi zvezna cirkulacija zraka znotraj transformatorja.

Med delovanjem transformatorjev v okvirju se toplota glavnostno generira v ovitkih in jezrgi. Zato mora oblikovanje posvetiti pozornost stanju pretoka zraka teh dveh komponent in integrirati relevantne elemente za gradnjo hladilnega modela.

3.2 Določitev parametrov modela

Za transformatorje v okvirju so razlike med notranjimi zračnimi parametri in temperaturnimi prestrokovnimi parametri relativno majhne. Ob izbiri silikata železa mora biti prednost data zrastnosti. S tem pa se analizira številska razmerja bakrenih žic in izolirne smole, da se določijo toplotni prestrokovni parametri.

3.3 Postavitev pogojev

Povprečni tlak na vhodu in izstopu zraka transformatorja v okvirju je en atmosferski tlak. Skupaj z zmogljivostjo hladilnika se temperatura hladnega zraka upošteva kot vhodni pogoji za vzpostavitev modela s končnimi elementi, in se definira simetrična ravnina in smer vhoda-izstopa zraka.

3.4 Analiza rezultatov

Po vzpostavitvi modela in postavljanju robnih pogojev se izvajajo izračuni. Analiza kaže, da je izstop zraka transformatorja v okvirju najtoplija točka, z temperaturo, ki doseže 394,5K (odgovarja temperaturi presegne točke 120,5°C). Najtoplija točka jezrga je oddaljena od izstopa zraka, in izračunana temperatura presegne točke je 110°C. Poleg tega imajo položaji blizu vhodov in izstopov zraka slabo hladilno zmogljivost.

3.5 Analiza vhoda in izstopa zraka

Simulacija spremembe hitrosti pretoka zraka: Če je vgrajen vroč visokonaponski ovitek blizu izstopa zraka in ima izstop zraka pravokotno strukturo, bo to vplivalo na tlak zraka, kar bo zmanjšalo gosto zraka znotraj oklepaja in bilo neugodno za hladilnost.

Na podlagi tega, izboljšajte dizajn izstopa zraka: Premaknite izstop zraka navzgor približno za 30 cm, ohranite višino nespremenjeno in hkrati zmanjšajte širino vhoda zraka (glavno zmanjšano za 10 cm), da se celotna dolžina oklepaja poveča za 20 cm. Po izračunu v tej shemi temeljito zmanjša temperatura presegne točke in povprečna temperatura ovitka. Analiza porazdelitve hitrosti pretoka zraka kaže, da ima pretok zraka ovitka kot 120°, ko se prenese na izstop zraka, kar kaže, da je pretok zraka gladok.

3.6 Povzetek

Transformatorji v okvirju igrajo ključno vlogo v sistemu distribucije električne energije. Če velika količina toplote, ki se generira med delovanjem, ne more biti pravočasno odstranjena, je verjetno, da bo to povzročilo napake in ogrozilo stabilnost sistema. Projektanti morajo globoko analizirati hladilne probleme transformatorjev v okvirju, združiti spremembe temperaturnega polja, uporabiti znanstvene metode, kot je metoda končnih elementov, za gradnjo hladilnih modelov, optimizirati hladilni sistem opreme in izboljšati celotno učinkovitost hladilnosti.