小功率干式變壓器溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

段家敏

摘 要： 運(yùn)用FloEFD仿真軟件，對(duì)已創(chuàng)建的變壓器數(shù)值模型進(jìn)行溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬并將其結(jié)果和實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果、結(jié)論加以對(duì)比分析，以對(duì)用數(shù)值模擬的方式替代實(shí)驗(yàn)的可行性作一初步的探討。

關(guān)鍵詞： 小功率干式變壓器；溫度場(chǎng)；數(shù)值模型

1 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，電氣設(shè)備制造業(yè)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的電氣設(shè)備被開(kāi)發(fā)制造出來(lái)被應(yīng)用于日常生產(chǎn)生活的方方面面。作為功率變換器件的小功率變壓器，因而也獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在全世界都倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保、安全高效的設(shè)計(jì)理念的環(huán)境下，小功率變壓器的設(shè)計(jì)，尤其是其熱設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，就成了新的亟待解決的課題。本文對(duì)運(yùn)用嵌入CAD的工程流體動(dòng)力學(xué)/傳熱仿真軟件—FloEFD，對(duì)已創(chuàng)建的變壓器數(shù)值模型進(jìn)行溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬并將其結(jié)果和實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果、結(jié)論加以對(duì)比，以對(duì)用數(shù)值模擬的方式替代實(shí)驗(yàn)的可行性作一初步的探討。

2 小功率干式變壓器的結(jié)構(gòu)熱分析

2.1 變壓器生熱傳熱分析

小功率干式變壓器由鐵芯、繞組、絕緣包封和結(jié)構(gòu)件組成。運(yùn)行過(guò)程中，鐵芯主要由于磁滯損耗和渦流損耗而發(fā)熱，繞組則主要由于電流的熱效應(yīng)而發(fā)熱，即鐵損和銅損是變壓器的熱源。熱量在變壓器各部分之間通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞，并通過(guò)各外露壁面對(duì)流和輻射散發(fā)出去。

小功率干式變壓器初次級(jí)繞組由漆包銅線、絕緣紙、絕緣薄膜、浸漬絕緣漆等材料組成，且多層交疊。如果根據(jù)各自物性分別建立模型則存在太多邊界，且薄壁過(guò)多，不利于計(jì)算。根據(jù)繞組特點(diǎn)，將漆包銅線、絕緣薄膜、浸漬絕緣漆等交疊的部分，構(gòu)建整體導(dǎo)熱系數(shù)[1]。且考慮到小功率干式變壓器繞組體積小，基于測(cè)試數(shù)據(jù)的初次級(jí)繞組溫差不大，故將初次級(jí)繞組作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行模擬。

2.2結(jié)構(gòu)模型

FloEFD為嵌入CAD的工程流體動(dòng)力學(xué)/傳熱仿真軟件，所以可直接將已建好的三維數(shù)值模型用于模擬，必要時(shí)可對(duì)部分零部件或整個(gè)模型適當(dāng)簡(jiǎn)化。

小功率干式變壓器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件少、體積小等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此可以直接將已建好的三維模型用于模擬。沿用直接整體建模而不考慮疊裝等影響的鐵芯和直接整體建模而不分初次級(jí)及不考慮繞組線繞制和各處絕緣影響的繞組。若有整流器、散熱器等均可直接沿用。

3 溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬

3.1 器身結(jié)構(gòu)

小功率干式變壓器器身由鐵芯、繞組兩部分組成。

3.2 材料物性

小功率干式變壓器各組成部分及環(huán)境流體的物性設(shè)定如下：

1）結(jié)構(gòu)件

鋼，各向同性，比熱460J/（kg*K），熱導(dǎo)率16W/（m*K），熔點(diǎn)溫度1773.15K.

表面不參與輻射計(jì)算。

2）鐵芯

鐵，各向同性，比熱、熱導(dǎo)率等按預(yù)設(shè)屬性表，熔點(diǎn)溫度1336.6K.

輻射表面設(shè)置為光滑氧化鐵，輻射屬性按預(yù)設(shè)屬性表。

3）繞組

銅，各向同性，比熱、熱導(dǎo)率等按預(yù)設(shè)屬性表，熔點(diǎn)溫度1356.2K.

輻射表面設(shè)置為啞黃銅，發(fā)射系數(shù)0.22。

4）絕緣包封

RF4，各向同性，比熱880J/（kg*K），熱導(dǎo)率0.3W/（m*K），等按屬性表，熔點(diǎn)溫度519.15K.

表面不參與輻射計(jì)算。

5）環(huán)境流體

空氣，比熱、熱導(dǎo)率等按預(yù)設(shè)屬性表。

3.3 網(wǎng)格劃分

由于FloEFD軟件具有自動(dòng)/自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、自動(dòng)探測(cè)流體區(qū)域等功能，且小功率干式變壓器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件少、體積小等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，筆者嘗試使用自動(dòng)設(shè)置初始網(wǎng)格。考慮到計(jì)算的便利性和適度的精度等級(jí)，初始網(wǎng)格的級(jí)別設(shè)置為3，最小縫隙尺寸和最小壁面厚度等參數(shù)按程序預(yù)設(shè)。

3.4 數(shù)值模擬

按上述思路、簡(jiǎn)化處理和設(shè)定，對(duì)一款單相小功率干式變壓器進(jìn)行外部流動(dòng)傳熱分析，默認(rèn)壁面為無(wú)輻射壁面，初始條件為常溫常壓，選固體最高溫度為全局目標(biāo)，選鐵芯最高溫度為體積目標(biāo)。

模型的基本參數(shù)如下：

額定容量P=3kVA

空載損耗PFe=46.4W

負(fù)載損耗PCu=45.5W

4 模擬結(jié)果及其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析

模擬結(jié)果如圖1 ～圖2所示，圖中給出了小功率干式變壓器中的溫度分布和熱量流動(dòng)跡線。溫度分布整體表現(xiàn)為下部溫度低，上部溫度高，鐵芯溫度低，繞組溫度高。溫度分布和流動(dòng)表現(xiàn)出隨結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)而對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)。這些均與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)論相符。最高溫度為77.21℃，位于繞組高度的0.4-0.5倍處。最低溫度為49.14℃，位于變壓器的接線端子上。

模擬所得最高溫度跟實(shí)際試驗(yàn)測(cè)得的最高溫度相比低了約5℃，同系列另外兩款產(chǎn)品及其他系列一款產(chǎn)品的模擬結(jié)果同實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比也顯示出低約5℃的特點(diǎn)，可見(jiàn)這個(gè)差異比較穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文中模擬了小功率干式變壓器中的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)。按相同的設(shè)置和方法模擬同系列和結(jié)構(gòu)相似的模型時(shí)，得到的結(jié)果具有相同的規(guī)律性，可以看出模擬設(shè)置和模擬方法具有可行性，在一定程度上模擬可以替代實(shí)際試驗(yàn)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程。

6 問(wèn)題與局限性

由于有限的幾個(gè)模型的建立是在假設(shè)和簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，物性參數(shù)的設(shè)置也與實(shí)際不完全吻合，模擬的結(jié)果較實(shí)際有一定的誤差；變壓器內(nèi)部熱源形態(tài)和熱過(guò)程隨運(yùn)行條件的變化，具有諸多不確定性，這也會(huì)造成誤差。[2]

FloEFD軟件現(xiàn)有功能對(duì)某些設(shè)計(jì)者關(guān)注的問(wèn)題的解決方案還不能完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)者的要求，對(duì)設(shè)計(jì)的支持力度有限。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚育成，蔡定國(guó)，徐業(yè)彬，唐金權(quán).干式變壓器溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J]變壓器，2012，49（8），31-33.

[2] 杜莉，王秀春.油浸式變壓器內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[J]變壓器，2012，49（1），19-22.