干式变压器柜体系统热仿真-part1铁芯模型探讨

干式变压器柜体系统热仿真_part1铁芯模型探讨干式变压器的仿真分析目录1说明(1)2变压器柜热分析(2)2.1边界条件(2)2.2热功耗(3)2.3速度(4)2.3.1入口百叶窗(4)2.3.2自带风扇(4)2.3.3出口风机(5)2.3.4中截面速度(6)2.4温度分布(7)2.4.1中截面温度(8)2.4.2线圈温度(9)2.4.3温控仪(10)3小结(11)第1页第1页1说明变压器柜的分析较为复杂，在分析报告V1.0中，由于网格的需要，将变压器铁芯部分截断处理，并各自分配热功耗，得到的温度分布出现断层，与实际不符；另外，去除变压器自带风扇对整个温度分布又有什么影响？本章节就这一些问题进行展开，对铁芯进行连续建模，分情况1、2讨论，见右图。（需要说明的是，修改后的模型已经比较接近真实模型，将中间柱的绕组细化后的分析后续加入。）图1.1情况1（铁芯连续+自带风扇）图1.2情况2（铁芯连续+无自带风扇）2变压器柜热分析2.1边界条件环境温度：40℃大气压：1atm冷却方式：强迫风冷+辐射DKH风机2个×0.91kW，图2.2自带风机6个×0.12kW；20Pa，2600CMH开孔状况：柜底百叶窗6个，开孔率80%风机罩开孔85%(图中未画出)顶部周围，开孔100%图2.1百叶窗和风机位置图2.2DKH风机工作曲线百叶窗DKH风机380V第2页第3页2.2热功耗准确性的影响因素：热功耗和材质的正确设置。变压器的损耗分为铁耗和铜耗，铁耗与涡流、磁滞有关系，而铜耗(线圈)的热量又因电流密度和导线尺寸的不同。基于以下几方面建立热功耗模型：z总热功耗P=48kW（3%热损失），铁损和铜损各P/2，则初级线圈和次级线圈分别为P/4z铁损按长度平分：硅钢片分为上、下两层方柱，各占P/9.08(P/9.21)，中间三柱，每柱占P/10.72(P/10.607)z初级线圈热量均分到各柱上，每柱P/12z同理，次级线圈每柱P/12，图中所示又可分为上、中、下3层，每层功耗P/36图2.3变压器图示（1．上硅钢片2.右硅钢片3.初级线圈4.上次级线圈）134第4页2.3速度2.3.1入口百叶窗情况012最大m/s3.03.032.42平均m/s2.252.062.08平均CMS2.412.202.232.3.2自带风扇情况12最大m/s5.805.75-平均m/s3.713.28-工作点Pa13.514.5-图2.4左：百叶窗入口右：自带风扇（情况0）第5页2.3.3出口风机出口风机的速度分布如图2.5所示。情况012风机1工作点(1.326CMS,282Pa)(1.202CMS,338Pa)(1.211CMS,334Pa)风机2工作点(1.318CMS,286Pa)(1.202CMS,338Pa)(1.213CMS,333Pa)出口平均℃56.556.756.6出口温升℃16.516.716.6由此可知：出口温度和风扇的工作点有密切的关系，系统阻力越小，风量越大，出口温升越小。情况0、1的比较：由于铁芯的连接，系统风阻增加，风量有所减小。情况1、2的比较：由于排除自带风扇，风扇空间为空，系统阻力减小，风量略有增加。图2.5左：出口风速右：出口温度（情况0）第6页2.3.4中截面速度中截面速度分布如图2.6所示。从图中可知，由于中间绝缘板的阻挡，风基本上都从圆形的风道里经过。设计的重点是挡板，特别是情况2如果没有挡板或者挡板周围的缝隙过大，则有大部分风从缝隙中流过，则有效的冷却风减少。图2.6中截面速度分布（左：情况0上：情况1，下：情况2）2.4温度分布实际的绕组如图2.7所示，绕组是由铜丝和绝缘材料组成并绕成卷，比如对图2.3的上层次级线圈来说，它又是由18层内径为426mm，厚度为31mm，高为5mm的圆环组成，层与层之间的距离为15mm。按照2.2设置的热功率并有考虑绝缘材料，而且多考虑了层与层之间的导热，为了消除层层之间的导热这一因素，在计算温度场时，建立了中间立柱线圈的局部详细模型，图2.8其中，将原本是一体的初级线圈分成了上下两层，上层和下层长度之比为1:3，因此两者的功耗之比为1:3，分别为P/48，P/16。另外，将上层又分成了17个高为5mm的环组成，经计算，每环热功率P/816。图2.7图2.8中柱绕组（1次级线圈下2初级线圈上）12第7页第8页2.4.1中截面温度大致的趋势如图2.9所示。图中的温度趋势显示：中间立柱的温度要高于两边，这个可能与DKH风机在顶部的位置有关系。另外，由情况1、2可知：不要自带风扇的温度反而要比有风扇的情况低，个人认为有两方面的因素考虑：A、建模因素：建立的模型中绕组部分是以整体环的形式，相当于加强了风道的效用，而风道的作用就是引导风从其中通过，这样相当于加强了散热效果；B、DKH风机工作点因素：情况2剔除了自带风扇，使得总体阻力减小，整体进风量增多，有利于散热。（更详细的验证需要资源配置完成后进行）图2.9中截面温度分布（上：情况0，下左：情况1，下右：情况2）第9页2.4.2线圈温度初级线圈的温度分布如图2.10所示，上、中两图反映了单个线圈的温度分布趋势：临近左右柱的位置温度高，这个是和左右柱对中间柱的辐射换热有关；下图反映了顶部线圈的温度略低，可能是因为顶部距离DKH风机较近，而且周围空间较大，散热好。同时，中间某些层也出现了温度较低的情况，初步认为是局部扰流所致。图2.10初级线圈温度（情况0）第10页如图2.11，次级线圈温度分布和初级线圈有同样的趋势，考虑铜线过热时，应当关注线圈处于柱子与柱子之间的位置。2.4.3温控仪温控器测温点位于风道内，每个风道内一个，目的是监控风道内的温度，下图是中间柱监测点的温度，为51.3℃，位置距离风道顶部L=122mm。（注：不同位置，温度略有不同）图2.11次级线圈温度图2.12风道温度测点3小结变压器的热分析是一个逐步精细化的过程