Termiskt ledningsdesign för plattmonterade transformatorer

Under faktisk drift står utplacerade transformatorer inför typiska värme-relaterade problem:

• Avbrott vid hög temperatur/hög belastning: Sannolikt att avbrytas under förhållanden med hållbar hög temperatur och hög belastning.

• Fläkts- och termostatfel: Långsiktig användning av fläkt orsakar fel, skadar termostater och blockerar avförsel av varm luft, vilket stör drift.

• Dålig placering av fläkt: Montering av fläkt på kabinettens topp tvingar strömavbrott vid underhåll/ersättning; denna layout fängslar också värme, vilket ökar inomhusvärmen till brännrisknivåer.

För att optimera värmeavledningen använder detta dokument finit elementanalys för att bygga en 3D-transformatormodell. Genom att kartlägga temperaturfältets fördelning identifieras överhettade heta punkter, och kylsystemets design förfinas.

1. Grunderna i Temperaturfält

Ett temperaturfält beskriver rumsliga och tidsmässiga temperaturvariationer, där värmeuppbyggning, överföring och distribution är stramt kopplade. För utplacerade transformatorer uppstår värme i kärnor, vindningar osv. Driftförhållanden och -tider ändrar värmemönster, och flermedieinteraktioner (kärnor, vindningar, isolering) skapar ojämna temperaturfördelningar.

Värme överförs genom konduktion (dominerande, drivande värme från vindningar/kärnor genom isolerande harz till omgivande luft) och konvektion. Konduktionsintensitet korrelerar med temperaturgradienter—värme rör sig från heta komponenter till svalare harz, och sedan dissiperas till yttre luft. Värmeströmsberäkningar följer:

I formeln representerar q värmeströmdensiteten; ∂t/∂x är temperaturgradienten, som återspeglar den hastighet med vilken temperaturen ändras med avstånd; n är värmekonverteringskoefficienten. När det finns temperaturskillnader vid olika positioner cirkulerar huvudsakligen värme för att balansera temperaturen, och denna tillstånd av temperaturbalans är värmekonvektion. Under drift av en utplacerad transformator kommer värmen genererad av olika delar i kontakt med luften och överförs mellan dem, vilket leder till förändringar i temperaturen hos omgivande gas. Under denna process uppnås värmeöverföring genom värmekonvektion, vilket kan uttryckas genom följande formel:

I formeln är h konvektionsvärmekoefficienten, t_f representerar fluidelementets temperatur, och t_w representerar objektets yttemperatur. När ett objekts temperatur är högre än absolut noll genereras strålande värme, vanligtvis kallad termisk strålning. Vid oförändrade andra faktorer ändras mängden strålning mellan objekt när temperaturen stiger (med temperaturen som bibehåller en kontinuerlig uppåtgående trend). Under drift av en utplacerad transformator kommer utrustningen själv inte i direkt kontakt med termisk strålning; när transformatorns temperatur stabiliserats uppnår dess termiska strålning funktionen värmeavledning genom termisk strålning, och denna process kan uttryckas genom följande formel:

I formeln betyder S strålningssurfacen, T är objektets termodynamiska temperatur, och σ är strålningens konstant. När man utformar värmeavledningssystemet för utplacerade transformatorer används främst metoden finit elementanalys (FEA) för att etablera termiska jämvikts ekvationer. Genom beräkningar kan temperaturen vid varje nod i objektet fastställas. Detta är särskilt användbart för att mäta temperaturpunkter som är svåra att erhålla i praktiken, identifiera optimala heta platser, och sedan genomföra kopplingsanalys. De centrala principerna för att dekomponera temperaturfältet med FEA är följande:

• Diskretisera det tredimensionella fysiska området;

• Använd funktioner för att beskriva temperaturvariationerna vid alla noder inom elementet;

• Konstruera elementekvationer;

• Sammanfoga elementen och applicera externa excitationer vid noderna;

• Lös ekvationerna genom att beakta gränsvillkoren för temperaturfältet;

• Beräkna temperaturökningen vid varje nod;

• Derivera elementets temperaturökning baserat på temperaturfälts ekvationer.

2 Modellering och Temperaturfältssimulering av Utplacerade Transformatorer
2.1 Finit Elementmodellering

Tabell 1 listar de relevanta parametrarna för den utplacerade transformator som valts i detta dokument. En finit elementmodell konstrueras baserat på dessa parametrar. Därefter etableras förenklade modeller för den högspänningsvindning, lågspänningsvindning och järnkärnan i den utplacerade transformatorn.

Under modellbyggandet tas de lödade anslutningarna av högspänningsvindningens utloppsterminer inte med i den inledande designfasen eftersom de är relativt fasta. För förenkling modelleras järnkärnan som en enhetlig struktur, med gaps mellan lager ignorerade (dessa gaps hanteras genom egenskaperna hos massiv siliciostål för att ta hänsyn till materialkonduktiviteten). Den 3D-simuleringsmodellen av transformatorn visas i figur 1.

För att analysera effekterna av naturlig konvektion på värmeavledning läggs ett externt luftområde (med dimensioner 5000mm×5000mm×3000mm) till i simuleringsmiljön, vilket möjliggör realistisk modellering av luftflödesmönster runt transformatorn.

2.2 Omfattningsmodell av Utplacerad Transformator

Vindningarna och järnkärnan modelleras som värmebruk, med deras värmeuppgiftsrater beräknade baserat på transformatorns designparametrar. Luftområdet konfigureras med tryckutlopp på toppen och inlopp fördelade längs botten och sidorna, med en omgivande temperatur inställd på 300K. Under simuleringar härleds naturliga konvektionsparametrar genom att välja en lämplig turbulensmodell baserat på Rayleigh-numret.

Omfattningsgeometrin (Figur 2) förenklas på grund av dess komplexa kompositstruktur. Takets perforerade paneler ignoreras, och hela taket behandlas som ett kontinuerligt luftområde. Porösa medier placeras vid luftutlopp under takkanten för att simulera flödesmotstånd. Luftområdet runt omfattnings bottpelare betraktas som sammanhängande. Ett ytterligare 155 mm högt luftlager läggs till under omfattningen för att ta hänsyn till fundamentets inverkan på värmeavledning.

I den etablerade modellen tillhör förinställda nedre hål, övre hål och övre-nedre hål alla porösa medier, med en tjocklek på 10 mm (som den gula-gröna blocket i Figur 3), för att simulera nätplattan. Specificationen för nedre hål är 1450 × 1200 mm², och specificationen för övre-nedre hål är 550 × 500 mm². Tre öppningar och en epoxidplatta är också inställda i modellen, och öppningarnas status bestäms enligt den faktiska situationen. Generellt sett, om golvmontage används, är övre hål, epoxidplatta och Öppning 1 i öppet tillstånd; om nedre-hålstyp används, är övre hål, nedre hål och Öppningar 1/2/3 alla i öppet tillstånd.

2.3 Analys av Temperaturfältsfördelning

Nästa steg är att bygga en finit elementmodell genom att nätverka den geometriska modellen. Se till att naturlig konvektion och interna nätverksmodeller är enhetliga, och förfinar nätverkning vid omfattningshål och luftgränssnitt för att förbättra beräkningsprecision. Baserat på den geometriska modellen har den finita elementmodellen 401,856 noder och 518,647 nät. Viktiga inställningar för modellen av utplacerad transformator:

• Flytande-strukturgränssnitt: Luftgränssnitt, ingen glidningstillstånd för värmebevaring.

• Adiabata ytor: Topp av taket, sidor av bottens stödpelare, och extern luft.

• Värmeledande ytor: Omgivnings sidor (1mm-tjock stålplåt), alla omfattnings väggar (2mm-tjock stålplåt), med övre hål öppna och nedre hål stängda.

Med hjälp av finit elementprogramvaran visar temperaturfältmodellen: Vindningar har den högsta temperaturen i transformatorn, följt av järnkärnan; närliggande lufttemperatur är också hög, minskar under luftstigning tills den matchar omgivande temperatur vid tryckutloppet. Under drift orsakar expansion av varm luft luftackumulering och kollisioner mellan omgivande och rörbunden luft (på grund av kontinuerlig uppvärmning och volymökning). Luftviskositet påverkar rörelse i rören och flödesfältet. Varm luft accelererar nära marken och bromsar bort; luftflöde-ytkontakt bildar en termisk gränsskikt, vars tjocklek minskar värmeverksamhet, ökar temperatur och luftviskositet samtidigt som flödeshastigheten minskar. Varm luft ändrar temperaturen ovanför transformatorn, med temperatur proportionell mot termisk strålning.

3 Värmeavledningsdesign av Utplacerade Transformatorer
3.1 Modellanalys

Utplacerade transformatorer placeras inuti omfattnings med hög säkerhetsnivå. För att säkerställa smidig luftcirkulation inuti omfattnings och ge full utnyttjande av transformatorns värmeavledningsprestanda behöver axiella fläkter konfigureras för att avleda varm luft från utrustningens inre. Samtidigt installeras kylfläktar utanför omfattnings för att uppnå värmeverksamhet. Genom värmeverksamhet kan kontinuerlig cirkulation av luft inuti transformatorn främjas.

Under drift av utplacerade transformatorer genereras huvudsakligen värme av vindningar och järnkärnor. Därför behöver designen fokusera på luftflödesstatusen för dessa två komponenter och integrera de relevanta elementen för att bygga värmeavledningsmodellen.

3.2 Bestämning av Modellparametrar

För utplacerade transformatorer är skillnaderna mellan inomhusluftparametrar och temperaturprestandaparametrar relativt små. När siliciostålplåtar väljs ska deras värmebeständighetsprestanda prioriteras. Samtidigt analyseras numeriska förhållandet mellan koppartrådar och isolerande harz för att fastställa termiska prestandaparametrar.

3.3 Villkorssättning

Det genomsnittliga trycket vid luftinlopp och -utlopp för utplacerade transformatorer är ett atmosfärstryck. I kombination med kylfläkternas prestanda tas temperaturen på kall luft som inloppscondition för att etablera en finit elementmodell, och symmetriplanet och luftin- och utloppsriktningen definieras.

3.4 Resultatanalys

Efter att modellen har etablerats och gränsvillkor satts, genomförs beräkningar. Analysen visar att luftutloppet för utplacerade transformatorer är den hetaste punkten, med en temperatur som når 394,5K (vilket motsvarar en heta punktstemperatur på 120,5°C). Den hetaste punkten för järnkärnan ligger långt ifrån luftutloppet, och den beräknade heta punktstemperaturen är 110°C. Dessutom har positioner nära luftin- och utlopp dålig värmeavledningsprestanda.

3.5 In- och utlopps luftanalys

Simulera förändringen av luftflödeshastighet: Om den heta högspänningsvindningen är inbyggd nära luftutloppet och luftutloppet har en rätvinklig struktur, påverkas lufttrycket, vilket gör luften inuti omfattnings tunn och olämplig för värmeavledning.

Baserat på detta optimeras luftutloppsdesignen: Flytta luftutloppet uppåt cirka 30 cm, behåll höjden oförändrad, och samtidigt minska bredden på luftinlopp (huvudsakligen minskas med 10 cm), så att den totala längden på omfattnings ökar med 20 cm. Efter beräkning, under denna plan, minskar heta punkttemperaturen och medeltemperaturen för vindningen betydligt. Genom att analysera luftflödeshastighetsfördelningen visar vindnings luftflöde en 120°-vinkel när det överförs till luftutloppet, vilket indikerar att luftflödet är smidigt.

3.6 Sammanfattning

Utplacerade transformatorer spelar en viktig roll i elnätsdistributionssystem. Om den stora mängden värme som genereras under drift inte kan avledas på ett lämpligt sätt, riskerar det att orsaka fel och hota systemets stabilitet. Designers måste djupt analysera värmeavledningsproblem för utplacerade transformatorer, kombinera med förändringar i temperaturfältet, använda vetenskapliga metoder som finit elementmetod för att bygga värmeavledningsmodeller, optimera utrustningens värmeavledningssystem och förbättra den totala värmeavledningsprestandan.