小功率干式變壓器溫度場數值模擬

段家敏

摘 要： 運用FloEFD仿真軟件，對已創建的變壓器數值模型進行溫度場的數值模擬并將其結果和實驗所得結果、結論加以對比分析，以對用數值模擬的方式替代實驗的可行性作一初步的探討。

關鍵詞： 小功率干式變壓器；溫度場；數值模型

1 引言

隨著國民經濟的不斷發展，人民生活水平的不斷提高，電氣設備制造業的不斷進步，越來越多的電氣設備被開發制造出來被應用于日常生產生活的方方面面。作為功率變換器件的小功率變壓器，因而也獲得越來越廣泛的應用。在全世界都倡導節能環保、安全高效的設計理念的環境下，小功率變壓器的設計，尤其是其熱設計和優化設計，就成了新的亟待解決的課題。本文對運用嵌入CAD的工程流體動力學/傳熱仿真軟件—FloEFD，對已創建的變壓器數值模型進行溫度場的數值模擬并將其結果和實驗所得結果、結論加以對比，以對用數值模擬的方式替代實驗的可行性作一初步的探討。

2 小功率干式變壓器的結構熱分析

2.1 變壓器生熱傳熱分析

小功率干式變壓器由鐵芯、繞組、絕緣包封和結構件組成。運行過程中，鐵芯主要由于磁滯損耗和渦流損耗而發熱，繞組則主要由于電流的熱效應而發熱，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熱傳導傳遞，并通過各外露壁面對流和輻射散發出去。

小功率干式變壓器初次級繞組由漆包銅線、絕緣紙、絕緣薄膜、浸漬絕緣漆等材料組成，且多層交疊。如果根據各自物性分別建立模型則存在太多邊界，且薄壁過多，不利于計算。根據繞組特點，將漆包銅線、絕緣薄膜、浸漬絕緣漆等交疊的部分，構建整體導熱系數[1]。且考慮到小功率干式變壓器繞組體積小，基于測試數據的初次級繞組溫差不大，故將初次級繞組作為一個整體來進行模擬。

2.2結構模型

FloEFD為嵌入CAD的工程流體動力學/傳熱仿真軟件，所以可直接將已建好的三維數值模型用于模擬，必要時可對部分零部件或整個模型適當簡化。

小功率干式變壓器具有結構簡單、零部件少、體積小等結構特點，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 溫度場的數值模擬

3.1 器身結構

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境流體的物性設定如下：

1）結構件

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

表面不參與輻射計算。

2）鐵芯

鐵，各向同性，比熱、熱導率等按預設屬性表，熔點溫度1336.6K.

輻射表面設置為光滑氧化鐵，輻射屬性按預設屬性表。

3）繞組

銅，各向同性，比熱、熱導率等按預設屬性表，熔點溫度1356.2K.

輻射表面設置為啞黃銅，發射系數0.22。

4）絕緣包封

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

表面不參與輻射計算。

5）環境流體

空氣，比熱、熱導率等按預設屬性表。

3.3 網格劃分

由于FloEFD軟件具有自動/自適應網格劃分、自動探測流體區域等功能，且小功率干式變壓器具有結構簡單、零部件少、體積小等結構特點，筆者嘗試使用自動設置初始網格?？紤]到計算的便利性和適度的精度等級，初始網格的級別設置為3，最小縫隙尺寸和最小壁面厚度等參數按程序預設。

3.4 數值模擬

按上述思路、簡化處理和設定，對一款單相小功率干式變壓器進行外部流動傳熱分析，默認壁面為無輻射壁面，初始條件為常溫常壓，選固體最高溫度為全局目標，選鐵芯最高溫度為體積目標。

模型的基本參數如下：

額定容量P=3kVA

空載損耗PFe=46.4W

負載損耗PCu=45.5W

4 模擬結果及其與實驗結果的對比分析

模擬結果如圖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跡線。溫度分布整體表現為下部溫度低，上部溫度高，鐵芯溫度低，繞組溫度高。溫度分布和流動表現出隨結構對稱而對稱的特點。這些均與實際試驗結論相符。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際試驗測得的最高溫度相比低了約5℃，同系列另外兩款產品及其他系列一款產品的模擬結果同實際試驗結果的對比也顯示出低約5℃的特點，可見這個差異比較穩定。

5 結論

本文中模擬了小功率干式變壓器中的溫度場和流場。按相同的設置和方法模擬同系列和結構相似的模型時，得到的結果具有相同的規律性，可以看出模擬設置和模擬方法具有可行性，在一定程度上模擬可以替代實際試驗用于產品開發過程。

6 問題與局限性

由于有限的幾個模型的建立是在假設和簡化的基礎上，物性參數的設置也與實際不完全吻合，模擬的結果較實際有一定的誤差；變壓器內部熱源形態和熱過程隨運行條件的變化，具有諸多不確定性，這也會造成誤差。[2]

FloEFD軟件現有功能對某些設計者關注的問題的解決方案還不能完全滿足設計者的要求，對設計的支持力度有限。

參考文獻

[1] 姚育成，蔡定國，徐業彬，唐金權.干式變壓器溫度場數值模擬[J]變壓器，2012，49（8），31-33.

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