小功率干式变压器温度场数值模拟

段家敏

摘 要： 运用FloEFD仿真软件，对已创建的变压器数值模型进行温度场的数值模拟并将其结果和实验所得结果、结论加以对比分析，以对用数值模拟的方式替代实验的可行性作一初步的探讨。

关键词： 小功率干式变压器；温度场；数值模型

1 引言

随着国民经济的不断发展，人民生活水平的不断提高，电气设备制造业的不断进步，越来越多的电气设备被开发制造出来被应用于日常生产生活的方方面面。作为功率变换器件的小功率变压器，因而也获得越来越广泛的应用。在全世界都倡导节能环保、安全高效的设计理念的环境下，小功率变压器的设计，尤其是其热设计和优化设计，就成了新的亟待解决的课题。本文对运用嵌入CAD的工程流体动力学/传热仿真软件—FloEFD，对已创建的变压器数值模型进行温度场的数值模拟并将其结果和实验所得结果、结论加以对比，以对用数值模拟的方式替代实验的可行性作一初步的探讨。

2 小功率干式变压器的结构热分析

2.1 变压器生热传热分析

小功率干式变压器由铁芯、绕组、绝缘包封和结构件组成。运行过程中，铁芯主要由于磁滞损耗和涡流损耗而发热，绕组则主要由于电流的热效应而发热，即铁损和铜损是变压器的热源。热量在变压器各部分之间通过热传导传递，并通过各外露壁面对流和辐射散发出去。

小功率干式变压器初次级绕组由漆包铜线、绝缘纸、绝缘薄膜、浸渍绝缘漆等材料组成，且多层交叠。如果根据各自物性分别建立模型则存在太多边界，且薄壁过多，不利于计算。根据绕组特点，将漆包铜线、绝缘薄膜、浸渍绝缘漆等交叠的部分，构建整体导热系数[1]。且考虑到小功率干式变压器绕组体积小，基于测试数据的初次级绕组温差不大，故将初次级绕组作为一个整体来进行模拟。

2.2结构模型

FloEFD为嵌入CAD的工程流体动力学/传热仿真软件，所以可直接将已建好的三维数值模型用于模拟，必要时可对部分零部件或整个模型适当简化。

小功率干式变压器具有结构简单、零部件少、体积小等结构特点，因此可以直接将已建好的三维模型用于模拟。沿用直接整体建模而不考虑叠装等影响的铁芯和直接整体建模而不分初次级及不考虑绕组线绕制和各处绝缘影响的绕组。若有整流器、散热器等均可直接沿用。

3 温度场的数值模拟

3.1 器身结构

小功率干式变压器器身由铁芯、绕组两部分组成。

3.2 材料物性

小功率干式变压器各组成部分及环境流体的物性设定如下：

1）结构件

钢，各向同性，比热460J/（kg*K），热导率16W/（m*K），熔点温度1773.15K.

表面不参与辐射计算。

2）铁芯

铁，各向同性，比热、热导率等按预设属性表，熔点温度1336.6K.

辐射表面设置为光滑氧化铁，辐射属性按预设属性表。

3）绕组

铜，各向同性，比热、热导率等按预设属性表，熔点温度1356.2K.

辐射表面设置为哑黄铜，发射系数0.22。

4）绝缘包封

RF4，各向同性，比热880J/（kg*K），热导率0.3W/（m*K），等按属性表，熔点温度519.15K.

表面不参与辐射计算。

5）环境流体

空气，比热、热导率等按预设属性表。

3.3 网格划分

由于FloEFD软件具有自动/自适应网格划分、自动探测流体区域等功能，且小功率干式变压器具有结构简单、零部件少、体积小等结构特点，笔者尝试使用自动设置初始网格。考虑到计算的便利性和适度的精度等级，初始网格的级别设置为3，最小缝隙尺寸和最小壁面厚度等参数按程序预设。

3.4 数值模拟

按上述思路、简化處理和设定，对一款单相小功率干式变压器进行外部流动传热分析，默认壁面为无辐射壁面，初始条件为常温常压，选固体最高温度为全局目标，选铁芯最高温度为体积目标。

模型的基本参数如下：

额定容量P=3kVA

空载损耗PFe=46.4W

负载损耗PCu=45.5W

4 模拟结果及其与实验结果的对比分析

模拟结果如图1 ～图2所示，图中给出了小功率干式变压器中的温度分布和热量流动迹线。温度分布整体表现为下部温度低，上部温度高，铁芯温度低，绕组温度高。温度分布和流动表现出随结构对称而对称的特点。这些均与实际试验结论相符。最高温度为77.21℃，位于绕组高度的0.4-0.5倍处。最低温度为49.14℃，位于变压器的接线端子上。

模拟所得最高温度跟实际试验测得的最高温度相比低了约5℃，同系列另外两款产品及其他系列一款产品的模拟结果同实际试验结果的对比也显示出低约5℃的特点，可见这个差异比较稳定。

5 结论

本文中模拟了小功率干式变压器中的温度场和流场。按相同的设置和方法模拟同系列和结构相似的模型时，得到的结果具有相同的规律性，可以看出模拟设置和模拟方法具有可行性，在一定程度上模拟可以替代实际试验用于产品开发过程。

6 问题与局限性

由于有限的几个模型的建立是在假设和简化的基础上，物性参数的设置也与实际不完全吻合，模拟的结果较实际有一定的误差；变压器内部热源形态和热过程随运行条件的变化，具有诸多不确定性，这也会造成误差。[2]

FloEFD软件现有功能对某些设计者关注的问题的解决方案还不能完全满足设计者的要求，对设计的支持力度有限。

参考文献

[1] 姚育成，蔡定国，徐业彬，唐金权.干式变压器温度场数值模拟[J]变压器，2012，49（8），31-33.

[2] 杜莉，王秀春.油浸式变压器内流场和温度场的数值模拟研究[J]变压器，2012，49（1），19-22.