یک مدل ساده شده برای موج برق‌گیر اکسید روی
آذر ۱۵, ۱۴۰۲
فن‌آوری جدید تشخیص حالت بوشینگ ترانسفورماتور براساس پاسخ گذرای دی‌الکتریک
آذر ۲۹, ۱۴۰۲
چکیده
بشکه‌های ساخته‌شده از فولاد در یک سیستم باسداکت برای حفاظت مکانیکی و حفاظت در برابر تجمع گرد و غبار ساخته می‌شوند. پیش‌بینی دقیق توزیع دما در سیستم نه تنها باید شامل اثر تلفات کلی باس باشد، بلکه باید تلفات جریان گردابی ایجاد شده در صفحات فولادی را نیز شامل شود. یک روش اِلمان محدود برای ارزیابی تلفات تولید شده در میله‌ها و صفحات فولادی پیشنهاد شده‌است، که سپس به عنوان منابع حرارتی برای تحلیل حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. یک مدل دو بعدی برای این تحلیل استفاده می‌شود. نتایج عددی این روش خوب بوده و مقایسه آن با داده‌های تست ارائه شده‌است.
کلمات کلیدی: سیستم باسداکت؛ روش اِلمان محدود؛ میدان الکترومغناطیسی؛ میدان حرارتی
۱. مقدمه
سیستم‌های باسداکت به دلیل نصب و انعطاف‌پذیری آسان خود، به بخش جدایی ناپذیری از تاسیسات و ساختمان‌های توزیع صنعتی در ۶۰۰ ولت و پایین‌تر تبدیل شده‌اند. در اصل سیستم باسداکت شامل میله‌های مسی یا آلومینیومی پشتیبانی شده بر روی عایق‌های غیر آلی بود که درون یک محفظه فلزی قرار داده شده‌بودند. در سال‌های اخیر، با رشد مداوم در رتبهبندی تجهیزات قدرت همراه با الزامات سخت گیرانه فزاینده برای قابلیت اطمینان و تراکم، میله‌های قدرت با عایق برای ایمنی پوشیده شده و فاصله نزدیک‌تر میله‌های با قطبیت مخالف، به منظور دستیابی به راکتانس و افت ولتاژ کم‌تر، امکان پذیر شده‌است.
باسداکت در برابر آسیب مکانیکی و تجمع گرد و غبار با پوشش فولادی محافظت می‌شود. این صفحات فولادی در معرض میدان مغناطیسی تولید شده توسط میله‌های کناری قرار دارند که حامل جریان‌های بزرگ هستند و در نتیجه تلفات جریان گردابی در داخل صفحات فولادی ایجاد می‌شود. تلفات حاصله در صفحات فولادی گرما تولید می‌کند و ممکن است میزان قطع سیستم باسداکت را کاهش دهد. بنابراین، برای تعیین میزان قطع باسداکت، یک تجزیه و تحلیل ترکیبی برای تعیین اثرات الکترومغناطیسی و حرارتی مورد نیاز است.
مقالات متعددی در مورد حل عددی میدان الکترومغناطیسی در سیستم‌های باس بار قدرت وجود دارد [ ۱ – ۵ ]. با این حال، تجزیه و تحلیل توزیع دما در سیستم‌های بوبار یکی دیگر از جنبه‌های مهم طراحی و کاربرد است. تا به امروز، کار منتشر شده کمی برای پیش‌بینی پروفایل های دمای باسداکت در دسترس است. این مقاله یک تحلیل ترکیبی از میدان های الکترومغناطیسی و حرارتی با استفاده از فرمول‌بندی اِلمان محدود ارائه می‌دهد. با توجه به گذاره‌ای مغناطیسی سریع و نسبتا آهسته حرارتی، تنها جریان‌های سینوسی در نظر گرفته می‌شوند و تلفات توان میانگین بکسل ها و صفحات فولادی به عنوان منابع حرارتی برای یک مدل حرارتی به کار می‌روند. توزیع دما در این سیستم تعیین شده‌است.
. توسعه نظری
۲.۱. معادلات میدان الکترومغناطیسی
سیستم مجرای باس متشکل از میله‌های مستطیلی سه فازی با پوشش فلزی است، همانطور که در شکل ۱ نشان‌داده شده‌است.
تحلیل ارایه‌شده در این مقاله براساس فرضیات زیر است:
۱. سیستم باسداکت بی‌نهایت طولانی است، به طوری که مساله به یک مساله دو بعدی تبدیل می‌شود.
۲٫ بارها و جریان های جابجایی نادیده گرفته می شوند.
۳٫ جریان های فاز سینوسی و متعادل هستند.
۴. همه کمیت‌های میدان به طور سینوسی با زمان تغییر می‌کنند.
۵. همه مواد خواص الکتریکی ثابتی دارند.
۶. نفوذپذیری فولاد ثابت است.
شکل ۱. پیکره بندی مقطعی سیستم باس داکت.
بنابراین امپدانس در واحد طول می‌تواند به صورت زیر باشد:
که در آن k رسانایی گرمایی و 
اتلاف گرما در مرز ناشی از همرفت تا دمای محیط با ضریب انتقال حرارت جابجایی است. شیب دمایی نرمال به سطح مجرای باس است.
مدل‌سازی اِلمان محدود معادلات (۷)و (۸)با استفاده از روش گالرکین ضعیف به دست می‌آید و بر روی تمام اِلمان‌هایی که می‌دهد اجرا می‌شود [ ۹ ] (ضمیمه A را ببینید).
که در آن ماتریس ضریب [ H ] به ترتیب ماتریس رسانایی اِلمان مربوط به رسانش و همرفت را نشان می‌دهد. بردار { Q } بردار بار حرارتی است که به ترتیب از دماهای گرهی مشخص، تولید گرمای داخلی و همرفت سطحی ناشی می‌شود.
۳. مدل‌های تجزیه و تحلیل
پیکربندی انتخاب شده‌برای تحلیل در شکل ۱ نشان‌داده شده‌است. رتبه بندی مسیر باس، که از مرجع [ ۱۰ ] گرفته شده‌است، در جدول ۱ داده شده‌است و ویژگی‌های مورد نیاز برای هر ماده مختلف در جدول ۲ فهرست شده‌اند. این مجرا به صورت افقی به میانه‌های بوبر واقع در مبدا صفحه x y نصب می‌شود. در این تحلیل، میدان الکترومغناطیسی تا بی‌نهایت در نظر گرفته می‌شود [ ۱۱ ]، در حالی که فرایندهای حرارتی به سطح خارجی سیستم مجرای باس، با انتقال حرارت توسط همرفت آزاد محدود می‌شوند. بنابراین، شرایط مرزی جابجایی مناسب برای هر سطح باید مشخص شود.
یعنی ضریب انتقال حرارت h در معادله ۸ باید تعیین شود. مقدار h در واقع یک تابع پیچیده از جریان سیال، خواص حرارتی محیط سیال و هندسه سیستم است. چنین وابستگی گسترده‌ای بدست آوردن یک شکل تحلیلی برای ضریب انتقال حرارت را دشوار می‌سازد. برای موارد مورد علاقه عملی، ضریب انتقال حرارت به صورت تجربی مورد مطالعه قرار گرفته و نتایج به شکل معادلات تجربی شامل گروه‌های بدون بعد ارائه شده‌اند [ ۱۲ ]. در عمل، برای رابط‌های هوایی صفحه افقی، معادله مورد استفاده به شکل زیر است [ ۱۳ ]:
که در آن: Nu عدد ناسلت است؛ Gr عدد گراشان است؛ Pr عدد پرانتل است. FJ ضریب انبساط گرمایی است؛ G ثابت گرانشی است؛ l طول مشخصه است. T سطح مجرای باس به اختلاف دمای هوا است؛ ΔT ویسکوزیته دینامیکی سیال در سطح مجرا است؛ v ویسکوزیته جنبشی سیال در سطح مجرا است. Cp گرمای ویژه است؛ برای سطح بالایی ۱.۰۷A = و B = 1/6 برای سطح پایینی ۰.۵۴A = و ۰.۲۵B = و برای سطوح دیگر A = ۰.۵۲ و B = ۰.۲۵.
در این تحلیل، سطوح مجرای باس باید در دمای ۹۰ درجه سانتیگراد (۳۶۳ K)حفظ شود و در معرض هوای اتمسفری در ۲۷ درجه سانتیگراد (۳۰۰ کلوین)قرار گیرد. خواص فیزیکی هوا در (۳۶۳+۳۰۰)/۲=۳۳۱٫۵ کلوین عبارتند از:
مقادیر حاصل h در جدول ۳ فهرست شده‌اند.
شکل ۵. توزیع دما در قسمت بالایی سیستم باسداکت
۴. نتایج و بحث
در شکل ۱، میله‌های سه فازی حامل جریان‌های A ۳۰۰۰ در Hz ۶۰ در حالت پایدار و وضعیت متعادل فرض شده‌است. تمام نتایج در لحظه‌ای که جریان در فاز A اوج می‌گیرد محاسبه می‌شوند. توزیع شار در شکل ۲ نشان‌داده شده‌است. مقایسه آمپدانس بوبار به‌دست‌آمده در این مقاله با آمپدانس به‌دست‌آمده از مرجع [ ۱۰ ] نیز در جدول ۱ نشان‌داده شده‌است؛ توافق نزدیکی بین آن‌ها یافت شده‌است. شکل ۳ و شکل ۴ به ترتیب توزیع چگالی تلفات جریان گردابی القا شده در صفحات بالایی و راست را نشان می‌دهند. مشاهده می‌شود که چگالی اتلاف برای صفحه بالایی در نزدیکی محور y پایین است و برای صفحه کناری در منطقه در امتداد سمت بوش بالا است.
شکل ۵ توزیع دما برای سیستم مجرای باس را نشان می‌دهد. لازم به ذکر است که دمای بوبار خارجی کمی کم‌تر از دمای میانه و مقادیر تفاوت حدود ۰.۵ است. از این رو، اثر گرمایش متقابل بین باسبارها برای آرایش بار باریک واضح نیست. شکل ۶ پروفیل دما را در امتداد محور y (x = ۰)برای هدایت حرارتی مختلف عایق‌بندی باس بار نشان می‌دهد. همانطور که انتظار می‌رود، هرچه هدایت حرارتی عایق‌بندی بیشتر باشد، دمای باس بار کم‌تر خواهد بود. همچنین می توان مشاهده کرد که نتایج محاسباتی کمی بالاتر از نتایج داده‌های آزمایشی برای k = ۰.۲ هستند. این به این دلیل است این امر به این دلیل است که باسبارها رساناهای خوبی از گرما و مقدار کمی از جریان‌های حرارتی طولی در امتداد آن‌ها هستند، حقیقتی که در مدل دو بعدی نادیده گرفته می‌شود. اختلاف دما بین بالا و پایین مجرا تا ۳.۷۷ درجه سانتیگراد است، زیرا سطح پایینی در معرض انتقال حرارت بالا قرار می‌گیرد.
۵. نتیجه‌گیری
این مقاله یک تحلیل ترکیبی مغناطیسی – حرارتی را برای محاسبه میدان های حرارتی یک سیستم مجرای باس توصیف می‌کند. اگر چه جابجایی گرما به سیال تنها به طور تقریبی نشان داده می‌شود اما به اندازه کافی دقیق بوده‌است که ارزش عملی داشته باشد. نتیجه این تجزیه و تحلیل ترکیبی باید منجر به درک بهتر عملکرد حرارتی گذرگاه در یک محیط کاربردی شود. اصلاحات بیشتر در مدل برنامه‌ریزی شده‌است که آن را به طور کلی برای هر پیکربندی سیستم کانال باس کاربردی می‌کند.
ضمیمه A
A.1 فرمول‌بندی میدان الکترومغناطیسی هارمونیک زمانی
یک اِلمان مثلثی سه گرهی معمول با اعداد گره‌ای i، j و k را در نظر بگیرید. پتانسیل گره در اِلمان را می توان به صورت زیر بیان کرد:
