Thiết kế Quản lý Nhiệt cho Máy biến áp được lắp trên bệ
Trong quá trình hoạt động thực tế, các biến áp gắn trên đế phải đối mặt với các vấn đề liên quan đến nhiệt typic:
Để tối ưu hóa việc tản nhiệt, bài viết này sử dụng phân tích phần tử hữu hạn để xây dựng mô hình biến áp 3D. Bằng cách lập bản đồ phân phối trường nhiệt, nó xác định các điểm nóng quá nhiệt và cải thiện thiết kế hệ thống làm mát.
1. Cơ bản về Trường Nhiệt
Một trường nhiệt mô tả sự thay đổi nhiệt độ theo không gian-thời gian, với sự sinh nhiệt, truyền nhiệt và phân phối nhiệt được kết nối chặt chẽ. Đối với biến áp gắn trên đế, nhiệt bắt nguồn từ lõi, cuộn dây, v.v. Điều kiện và thời gian hoạt động thay đổi mẫu nhiệt, và tương tác đa phương tiện (lõi, cuộn dây, vật liệu cách điện) tạo ra sự phân phối nhiệt không đồng đều.
Nhiệt được truyền qua dẫn nhiệt (chủ yếu, đẩy nhiệt từ cuộn dây/lõi thông qua nhựa cách điện đến không khí xung quanh) và đối lưu. Mức độ dẫn nhiệt tương quan với gradient nhiệt—nhiệt di chuyển từ các thành phần nóng sang nhựa cách điện lạnh hơn, sau đó tỏa ra không khí bên ngoài. Công thức tính lưu lượng nhiệt như sau:
Trong công thức: q đại diện cho mật độ lưu lượng nhiệt; λ đại diện cho độ dẫn nhiệt; ∂t/∂x là gradient nhiệt, phản ánh tốc độ thay đổi nhiệt độ theo khoảng cách; n là hệ số chuyển đổi nhiệt. Khi có sự khác biệt nhiệt độ ở các vị trí khác nhau, nhiệt chủ yếu tuần hoàn để cân bằng nhiệt độ, và trạng thái cân bằng nhiệt độ này là đối lưu nhiệt. Trong quá trình hoạt động của biến áp gắn trên đế, nhiệt sinh ra từ các bộ phận sẽ tiếp xúc với không khí và truyền giữa chúng, gây thay đổi nhiệt độ của khí xung quanh. Trong quá trình này, truyền nhiệt được thực hiện thông qua đối lưu nhiệt, có thể được biểu thị bằng công thức sau:
Trong công thức, h là hệ số truyền nhiệt đối lưu, tf đại diện cho nhiệt độ chất lỏng, và tw đại diện cho nhiệt độ bề mặt của vật. Khi nhiệt độ của một vật cao hơn tuyệt đối zero, bức xạ nhiệt sẽ được sinh ra, thường gọi là bức xạ nhiệt. Với các yếu tố khác không thay đổi, lượng bức xạ sinh ra giữa các vật sẽ thay đổi khi nhiệt độ tăng (với nhiệt độ duy trì xu hướng tăng liên tục). Trong quá trình hoạt động của biến áp gắn trên đế, thiết bị không tiếp xúc trực tiếp với bức xạ nhiệt; khi nhiệt độ của biến áp ổn định, chức năng bức xạ nhiệt của nó sẽ đạt được tản nhiệt thông qua bức xạ nhiệt, và quá trình này có thể được biểu thị bằng công thức sau:
Trong công thức, S là diện tích bề mặt bức xạ, T là nhiệt độ nhiệt động học của vật, và σ là hằng số bức xạ. Khi thiết kế hệ thống tản nhiệt cho biến áp gắn trên đế, phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) được sử dụng chính để thiết lập các phương trình cân bằng nhiệt. Qua các phép tính, nhiệt độ tại mỗi nút của vật có thể được xác định. Điều này đặc biệt hữu ích để đo các điểm nhiệt độ khó lấy trong thực tế, xác định vị trí điểm nóng tối ưu, và sau đó tiến hành phân tích ghép đôi. Các nguyên tắc cơ bản của việc phân rã trường nhiệt sử dụng FEA như sau:
Phân chia miền vật lý ba chiều;
Sử dụng hàm để mô tả sự thay đổi nhiệt độ tại bất kỳ nút nào trong phần tử;
Xây dựng phương trình phần tử;
Tổng hợp các phần tử và áp dụng kích thích ngoại vi tại các nút;
Giải các phương trình bằng cách xem xét điều kiện biên của trường nhiệt;
Tính toán sự tăng nhiệt tại mỗi nút;
Đạo xuất sự tăng nhiệt của phần tử dựa trên các phương trình trường nhiệt.
2. Mô phỏng và Mô hình hóa Trường Nhiệt của Biến áp Gắn trên Đế
2.1 Mô hình Phần tử Hữu hạn
Bảng 1 liệt kê các thông số liên quan của biến áp gắn trên đế được chọn trong bài viết này. Một mô hình phần tử hữu hạn được xây dựng dựa trên các thông số này. Sau đó, các mô hình đơn giản được thiết lập cho cuộn dây điện áp cao, cuộn dây điện áp thấp và lõi sắt của biến áp gắn trên đế.
Trong quá trình xây dựng mô hình, do các mối nối hàn của đầu ra cuộn dây điện áp cao tương đối chắc chắn, chúng không được xem xét trong giai đoạn thiết kế ban đầu. Để đơn giản, lõi sắt được mô hình hóa như một cấu trúc nguyên khối, bỏ qua các khe giữa lớp (điều này được giải quyết bằng cách sử dụng các thuộc tính của thép silíc tổng thể để tính toán khả năng dẫn điện của vật liệu). Mô hình mô phỏng 3D của biến áp được hiển thị trong Hình 1.
Để phân tích tác động của đối lưu tự nhiên lên việc tản nhiệt, một miền không khí bên ngoài (có kích thước 5000mm×5000mm×3000mm) được thêm vào môi trường mô phỏng, cho phép mô phỏng thực tế các mô hình luồng không khí xung quanh biến áp.
2.2 Mô hình Vỏ Bọc của Biến áp Gắn trên Đế
Cuộn dây và lõi sắt được mô hình hóa như nguồn nhiệt, với tỷ lệ sinh nhiệt được tính toán dựa trên các thông số thiết kế biến áp. Miền không khí được cấu hình với các lỗ thoát áp ở phía trên và các lỗ hút phân bố dọc theo đáy và các cạnh, duy trì nhiệt độ môi trường xung quanh được đặt ở 300K. Trong các mô phỏng, các thông số đối lưu tự nhiên được rút ra bằng cách chọn mô hình nhiễu loạn phù hợp dựa trên số Rayleigh.
Hình học vỏ bọc (Hình 2) được đơn giản hóa do cấu trúc phức hợp. Các tấm lỗ trên mái được bỏ qua, coi toàn bộ mái là một miền không khí liên tục. Các phương tiện xốp được đặt ở các lỗ thoát không khí dưới mái hiên để mô phỏng sức cản dòng chảy. Miền không khí xung quanh các thanh đỡ dưới cùng của vỏ bọc được coi là liên kết. Một lớp không khí bổ sung cao 155mm được thêm dưới vỏ bọc để tính đến tác động của nền móng lên việc tản nhiệt.
Trong mô hình đã thiết lập, các lỗ dưới, lỗ trên, và lỗ trên-dưới đều thuộc về phương tiện xốp, với độ dày 10 mm (như khối vàng-xanh lá cây trong Hình 3), do đó mô phỏng tấm lưới. Kích thước lỗ dưới là 1450 × 1200 mm², và kích thước lỗ trên-dưới là 550 × 500 mm². Ba lỗ mở và một tấm epoxy cũng được đặt trong mô hình, và các lỗ mở được xác định là mở hoặc đóng theo tình huống thực tế. Nói chung, nếu loại đặt trên sàn được sử dụng, lỗ trên, tấm epoxy, và Lỗ 1 ở trạng thái mở; nếu loại có lỗ dưới được sử dụng, lỗ trên, lỗ dưới, và Lỗ 1/2/3 đều ở trạng thái mở.
2.3 Phân tích Phân phối Trường Nhiệt
Tiếp theo, một mô hình phần tử hữu hạn được xây dựng bằng cách lưới hóa mô hình hình học. Đảm bảo sự thống nhất của đối lưu tự nhiên và mô hình lưới nội bộ, và tinh chỉnh lưới tại các lỗ vỏ bọc và giao diện không khí để cải thiện độ chính xác tính toán. Dựa trên mô hình hình học, mô hình phần tử hữu hạn có 401,856 nút và 518,647 lưới. Cài đặt chính cho mô hình biến áp gắn trên đế:
Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn, mô hình trường nhiệt cho thấy: Cuộn dây có nhiệt độ cao nhất trong biến áp, tiếp theo là lõi sắt; nhiệt độ không khí gần đó cũng cao, giảm khi không khí lên cao cho đến khi khớp với nhiệt độ môi trường tại lỗ thoát áp. Trong quá trình hoạt động, sự nở của không khí nóng gây ra sự tích tụ và va chạm giữa không khí xung quanh và không khí trong ống (do sự gia nhiệt và tăng thể tích liên tục). Độ nhớt của không khí ảnh hưởng đến dòng chảy trong ống và trường dòng chảy. Không khí nóng tăng tốc gần mặt đất và chậm đi xa; sự tiếp xúc giữa dòng chảy và bề mặt tạo ra một lớp biên nhiệt, do độ dày của nó, giảm hệ số truyền nhiệt, tăng nhiệt độ và độ nhớt của không khí trong khi giảm tốc độ dòng chảy. Không khí nóng thay đổi nhiệt độ trên biến áp, với nhiệt độ tỷ lệ thuận với bức xạ nhiệt.
3 Thiết kế Tản nhiệt cho Biến áp Gắn trên Đế
3.1 Phân tích Mô hình
Biến áp gắn trên đế được bố trí bên trong vỏ bọc có mức độ an toàn cao. Để đảm bảo luồng không khí trong vỏ bọc diễn ra mượt mà và phát huy hiệu suất tản nhiệt của biến áp, cần phải lắp đặt quạt lưu thông trục để thải không khí nóng từ bên trong thiết bị. Đồng thời, các tản nhiệt được lắp đặt bên ngoài vỏ bọc để thực hiện trao đổi nhiệt. Qua trao đổi nhiệt, luồng không khí liên tục bên trong biến áp có thể được thúc đẩy.
Trong quá trình hoạt động của biến áp gắn trên đế, nhiệt chủ yếu được sinh ra bởi cuộn dây và lõi sắt. Do đó, thiết kế cần tập trung vào trạng thái luồng không khí của hai thành phần này và tích hợp các yếu tố liên quan để xây dựng mô hình tản nhiệt.
3.2 Xác định Các Thông số Mô hình
Đối với biến áp gắn trên đế, sự khác biệt giữa các thông số không khí bên trong và thông số hiệu suất nhiệt độ tương đối nhỏ. Khi chọn các tấm thép silíc, nên ưu tiên khả năng chịu nhiệt của chúng. Đồng thời, tỷ lệ số lượng dây đồng so với nhựa cách điện được phân tích để xác định các thông số hiệu suất nhiệt.
3.3 Đặt Điều Kiện
Áp suất trung bình tại lỗ vào và lỗ ra không khí của biến áp gắn trên đế là một áp suất khí quyển. Kết hợp với hiệu suất của tản nhiệt, nhiệt độ của không khí lạnh được lấy làm điều kiện vào để xây dựng mô hình phần tử hữu hạn, và định nghĩa mặt phẳng đối xứng và hướng lỗ vào-lỗ ra không khí.
3.4 Phân tích Kết quả
Sau khi xây dựng mô hình và đặt điều kiện biên, các phép tính được thực hiện. Phân tích cho thấy lỗ ra không khí của biến áp gắn trên đế là điểm nóng nhất, với nhiệt độ đạt 394.5K (tương ứng với nhiệt độ điểm nóng 120.5℃). Điểm nóng nhất của lõi sắt nằm xa lỗ ra không khí, và nhiệt độ điểm nóng được tính là 110℃. Hơn nữa, các vị trí gần lỗ vào và lỗ ra không khí có hiệu suất tản nhiệt kém.
3.5 Phân tích Không khí vào và Ra
Mô phỏng sự thay đổi vận tốc dòng không khí: Nếu cuộn dây điện áp cao nóng được xây dựng gần lỗ ra không khí và lỗ ra không khí có cấu trúc góc vuông, nó sẽ ảnh hưởng đến áp lực không khí, làm cho không khí bên trong vỏ bọc mỏng và không thuận lợi cho việc tản nhiệt.
Dựa trên đó, tối ưu hóa thiết kế lỗ ra không khí: Di chuyển lỗ ra không khí lên khoảng 30cm, giữ chiều cao không đổi, và đồng thời giảm chiều rộng lỗ vào không khí (chủ yếu giảm 10cm), khiến chiều dài tổng thể của vỏ bọc tăng 20cm. Sau khi tính toán, theo phương án này, nhiệt độ điểm nóng và nhiệt độ trung bình của cuộn dây giảm đáng kể. Phân tích phân phối vận tốc trường dòng không khí, dòng không khí cuộn dây thể hiện góc 120° khi chuyển đến lỗ ra không khí, cho thấy dòng không khí diễn ra mượt mà.
3.6 Tổng kết
Biến áp gắn trên đế đóng vai trò quan trọng trong hệ thống phân phối điện. Nếu lượng nhiệt lớn sinh ra trong quá trình hoạt động không được tản kịp thời, rất có thể gây ra sự cố và đe dọa sự ổn định của hệ thống. Các nhà thiết kế cần phân tích sâu về các vấn đề tản nhiệt của biến áp gắn trên đế, kết hợp với sự thay đổi của trường nhiệt, sử dụng các phương pháp khoa học như phương pháp phần tử hữu hạn để xây dựng mô hình tản nhiệt, tối ưu hóa hệ thống tản nhiệt của thiết bị và cải thiện hiệu suất tản nhiệt tổng thể.
