Dizajn upravljanja toplinom za transformere montirane na podnožju
Tokom stvarne operacije, transformatori u kutijama suočavaju se sa tipičnim problemima vezanim za toplotu:
Da bi se optimizirao otpornost topline, ovaj rad koristi metodu konačnih elemenata da bude izgrađen 3D model transformatora. Mapiranjem distribucija toplinske polje identifikuje se zone pregrejanja i poboljšava dizajn hlađeće sistema.
1. Osnove toplinske polje
Toplinsko polje opisuje prostorno-vremenske varijacije temperature, s usko povezanom generacijom, prijenosom i distribucijom toplote. Za transformatore u kutijama, toplina proizlazi iz jezgri, vitanica itd. Radne uvjeti i trajanje promjenjuju modele toplinske emisije, a višesredinske interakcije (jezgro, vitanice, izolacija) stvaraju neuniformnu distribuciju temperature.
Prijenos toplote putem provodnosti (dominantan, goni toplinu od vitanica/jezgra kroz izolativnu smolu do okružnog zraka) i konvekcije. Intenzitet provodnosti korelira s gradijentima temperature – toplina se kreće od tople komponente ka hladnijoj smoli, zatim se disipira u vanjski zrak. Izračuni toplinskog fluksa slijede:
U formuli: q predstavlja gustoću toplinskog fluksa;λ predstavlja toplinski provodnik; ∂t/∂x jeste gradijent temperature, koji odražava stopu promjene temperature s udaljenošću; n jeste koeficijent pretvorbe toplote. Kada postoje razlike temperature na različitim pozicijama, toplina uglavnom cirkulira kako bi se balansirala temperatura, a ovo stanje ravnoteže temperature jeste konvekcija topline. Tijekom rada transformatora u kutiji, toplina generisana različitim dijelovima dolazi u kontakt s zrakom i prenosi se između njih, uzrokujući promjene temperature okružnog plina. Tijekom ovog procesa, prijenos topline ostvaren je putem konvekcije topline, što se može izraziti sljedećom formulom:
U formuli, h jest koeficijent konvektivnog toplinskog prijenosa, tf predstavlja temperaturu fluida, a tw predstavlja temperaturu površine objekta. Kada je temperatura objekta veća od apsolutne nule, generiše se radijantna toplina, obično nazvana toplinska radijacija. Sa drugim faktorima nepromjenjenim, količina generisanog zračenja između objekata će se promijeniti s porastom temperature (s temperaturom koja održava kontinuirani rast). Tijekom rada transformatora u kutiji, oprema sama po sebi ne dolazi u direktni kontakt s toplinskom radijacijom; kada se temperatura transformatora stabilizira, njegova funkcija toplinske radijacije ostvarit će hlađenje putem toplinske radijacije, a taj proces se može izraziti sljedećom formulom:
U formuli, S označava površinu radijanca, T jest termodinamička temperatura objekta, a σ je konstanta radijanca. Pri dizajniranju hlađećeg sustava za transformatore u kutijama, glavno se koristi metoda konačnih elemenata (FEA) za izgradnju jednadžbi toplinske ravnoteže. Putem izračuna može se utvrditi temperatura svakog čvora objekta. To je posebno korisno za mjerenje točaka temperature koje su teško dostupne u praksi, identifikaciju optimalnih lokacija pregrejanja, a zatim analizu spajanja. Osnovni principi dekompozicije toplinske polje pomoću FEA su sljedeći:
Diskretizacija trodimenzionalnog fizičkog domena;
Korištenje funkcija za opisivanje varijacija temperature na bilo kojem čvoru unutar elementa;
Izgradnja jednadžbi elementa;
Montiranje elemenata i primjena vanjskih pobude na čvorovima;
Rješavanje jednadžbi uzimajući u obzir granicne uvjete toplinske polje;
Izračun porasta temperature na svakom čvoru;
Izvod porasta temperature elementa temeljen na jednadžbama toplinske polje.
2 Modeliranje i simulacija toplinske polje transformatora u kutijama
2.1 Modeliranje konačnim elementima
Tablica 1 navede relevantne parametre transformatora u kutiji odabrane u ovom radu. Na temelju ovih parametara izgrađen je model konačnih elemenata. Zatim se postavljaju pojednostavljeni modeli za visokonaponsko vitanje, niskonaponsko vitanje i željeznu jezgru transformatora u kutiji.
Tijekom izgradnje modela, budući da su spojevi visokonaponskih terminala izlaza relativno čvrsti, oni se ne uzimaju u obzir u inicijalnoj fazi dizajna. Za pojednostavljenje, jezgra se modelira kao monolitska struktura, s ignoriranjem međuslojevnih razmaka (ovi razmaci su obradjeni pomoću svojstava masivne silicijske čelike kako bi se uzela u obzir provodljivost materijala). 3D simulacijski model transformatora prikazan je na slici 1.
Za analizu učinka prirodnih konvekcija na hlađenje, dodan je vanjski domen zraka (s dimenzijama od 5000mm×5000mm×3000mm) u simulacijsko okruženje, omogućujući realistično modeliranje uzoraka protoka zraka oko transformatora.
2.2 Oklopni model transformatora u kutiji
Vitanja i jezgra modelirana su kao izvore toplote, s njihovim stopama generiranja toplote izračunatim na temelju parametara dizajna transformatora. Domen zraka konfiguriran je s izlazima tlaka na vrhu i ulazima raspoređenim duž dna i strana, održavajući okružnu temperaturu postavljenu na 300K. Tijekom simulacija, parametri prirodnih konvekcija dobiveni su odabirom odgovarajućeg modela turbulenca na osnovu Rayleighovog broja.
Geometrija oklopa (Slika 2) pojednostavljena je zbog njegove složene kompozitne strukture. Perforirane ploče na krošnji zanemarene su, tretirajući ceo krov kao kontinuirani domen zraka. Porozni mediji postavljeni su ispod eave-a kako bi se simuliralo otporno na protok. Domen zraka oko dnu nosača oklopa smatra se povezan. Dodan je dodatni sloj zraka visine 155mm ispod oklopa kako bi se uzela u obzir uticaja temelja na hlađenje.
U izgrađenom modelu, unaprijed postavljeni otvori na dnu, otvori na vrhu i otvori gore-dole svi pripadaju poroznim medijima, s debljinom od 10 mm (poput žuto-zelenog bloka na Slici 3), tako simulirajući mreštu ploču. Specifikacija dna otvora je 1450 × 1200 mm², a specifikacija otvora gore-dole je 550 × 500 mm². U modelu su takođe postavljeni tri otvora i epoksidna ploča, a otvori se određuju da budu u otvorenom ili zatvorenom stanju prema stvarnoj situaciji. Općenito, ako se usvoji podna vrsta, otvor na vrhu, epoksidna ploča i Otvor 1 su u otvorenom stanju; ako se usvoji vrsta sa dnu otvorom, otvor na vrhu, otvor na dnu i Otvori 1/2/3 su svi u otvorenom stanju.
2.3 Analiza distribucije toplinske polje
Sljedeće, model konačnih elemenata izgrađen je mreštanjem geometrijskog modela. Osigurati jedinstvenost prirodnih konvekcija i internih mreštnih modela, i fino mreštanje kod otvora oklopa i sučelja zraka kako bi se poboljšala tačnost izračuna. Na osnovu geometrijskog modela, model konačnih elemenata ima 401.856 čvorova i 518.647 mreža. Ključna podešenja za model transformatora u kutiji:
Korištenjem softvera za konačne elemente, model toplinske polje pokazuje: Vitanja imaju najveću temperaturu u transformatoru, zatim jezgra; susjedni zrak također ima visoku temperaturu, smanjuje se tokom penjanja zraka dok ne odgovara okružnoj temperaturi na izlazu tlaka. Tijekom rada, ekspanzija topljenog zraka uzrokuje akumulaciju zraka i sudare između okružnog i kanalnog zraka (zbog neprekidnog zagrijavanja i povećanja volumena). Viskoznost zraka utječe na protok u kanalu i na polje protoka. Topli zrak ubrzava blizu tla i usporava dalje; kontakt protoka zraka-s površinom formira termalnu granicnu sloj, koji, zbog svoje debljine, smanjuje koeficijente prenosa toplote, povećavajući temperaturu i viskoznost zraka, a smanjujući brzinu protoka. Topli zrak mijenja temperaturu iznad transformatora, s temperaturom proporcionalnom toplinskoj radijaciji.
3 Dizajn hlađenja transformatora u kutiji
3.1 Analiza modela
Transformatori u kutijama su raspoređeni unutar oklopa s visokim stepenom sigurnosti. Da bi se osigurala gladka cirkulacija zraka unutar oklopa i potpuno iskoristila performanse hlađenja transformatora, potrebno je konfigurirati osnosne ventilatore kako bi se topljeni zrak ispuštali iz unutrašnjosti opreme. U isto vrijeme, hlađivači su instalirani van oklopa kako bi se ostvario razmjena toplote. Preko razmjene toplote, može se promicati kontinuirana cirkulacija zraka unutar transformatora.
Tijekom rada transformatora u kutiji, toplina se uglavnom generiše od vitanja i jezgra. Stoga, dizajn treba fokusirati na stanje protoka zraka ova dva komponenta i integrirati relevantne elemente za izgradnju modela hlađenja.
3.2 Određivanje parametara modela
Za transformatore u kutiji, razlike između parametara zraka unutra i parametara performansi temperature su relativno male. Prilikom odabira silicijskih čelika, treba davati prednost njihovim performansama otpornosti na toplinu. U isto vrijeme, numeričko odnose bakrenih žica i izolativne smole analiziraju se kako bi se odredili parametri toplinske performanse.
3.3 Postavljanje uvjeta
Prosječni tlak na ulazu i izlazu zraka transformatora u kutiji je jedna atmosferski tlak. U kombinaciji s performansama hlađivača, temperatura hladnog zraka uzima se kao ulazni uvjet za izgradnju modela konačnih elemenata, a definirana su simetrična ravnina i smjer ulaza-izlaza zraka.
3.4 Analiza rezultata
Nakon izgradnje modela i postavljanja granicnih uvjeta, vršeni su izračuni. Analiza pokazuje da je izlaz zraka transformatora u kutiji najtoplija točka, s temperaturom od 394,5K (odgovara temperaturi točke pregrejanja od 120,5℃). Najtoplija točka jezgra udaljena je od izlaza zraka, a izračunata temperatura točke pregrejanja iznosi 110℃. Također, položaji blizu ulaza i izlaza zraka imaju lošu performansu hlađenja.
3.5 Analiza ulaza i izlaza zraka
Simulirana je promjena brzine protoka zraka: Ako je visokonaponsko vitanje postavljeno blizu izlaza zraka i ako izlaz zraka ima pravougaonu strukturu, to će utjecati na tlak zraka, čineći zrak unutar kutije tankim i nepovoljnim za hlađenje.
Na temelju toga, optimiziran je dizajn izlaza zraka: Izlaz zraka pomaknut je prema gore oko 30cm, zadržavajući visinu nepromjenjenu, a istodobno smanjena je širina ulaza zraka (glavno smanjena za 10cm), tako da se ukupna duljina oklopa poveća za 20cm. Nakon izračuna, pod ovim shemom, temperatura točke pregrejanja i prosječna temperatura vitanja znatno se sniže. Analizirajući distribuciju brzine polja protoka zraka, protok zraka vitanja pokazuje kut od 120° kada se prenosi na izlaz zraka, što upućuje na gladak protok zraka.
3.6 Zaključak
Transformatori u kutijama igraju ključnu ulogu u sistemu raspodele električne energije. Ako velika količina topline generisana tijekom rada ne može biti pravočasno disipirana, to može dovesti do neispravnosti i prijetiti stabilnosti sistema. Dizajneri moraju duboko analizirati probleme hlađenja transformatora u kutiji, kombinirati s promjenama toplinske polje, koristiti znanstvene metode poput metode konačnih elemenata za izgradnju modela hlađenja, optimizirati sistem hlađenja opreme i poboljšati ukupnu efikasnost hlađenja.
