臺灣博碩士論文加值系統

本文基本概念為在油浸式變壓器的線圈加入油道，以浮力效應之自然對流以達到散熱效果，台電167kVA油浸式變壓器是在裝載著大量絕緣油的變電箱裡，只能利用絕緣油自然對流來散熱，因此油道對變壓器的散熱之影響非常的重要。有鑑於此，故想探討油道不同配置的散熱情況以及溫度分佈情形。
本文以CFDRC計算流體力學套裝軟體作數值分析，模擬研究不同油道配置下，變壓器經由絕緣油自然循環的溫度場與速度場分佈情況。油道寬度範圍取2mm~5mm，油道支數分別取3支、4支、5支，線圈高度取300mm、400mm、500mm，及不同材質的外側低壓線圈來作探討，研究主要討論油浸式變壓器的高低壓線圈溫度及油道流速。結果顯示油道寬度與支數增加會提供較多的散熱途徑，絕緣油循環相對提升。線圈高度會影響油道的流速，而外側低壓線圈材質的改變，其熱性能差異性不大。

The main purpose of this research is to study the thermal dissipation by natural convection of oil-immersed transformer with flow channels. The 167kVA oil-immersed power transformer is installed inside the utility box. The only way to cool it down. Therefore, the flow channel is very important for thermal dissipation of transformer. Hence, this study from the thermal dissipation in different flow channels in order to understand the temperature distribution in the transformer.
This article uses CFDRC to simulate the velocity field as well as the temperature field in different flow channel types. The numerical experiment herein is proceeded by taking flow channels of 2mm~5mm width, flow channels 3, 4, 5 pcs, heights of coils 300mm, 400mm, 500mm, and the external layer of the low voltage coil windings with different materials. The main discussion will be on temperatures of high and low voltage oil-immersed transformer and velocity of flow channel. Result shows increase of the width of flow channels and Increase of flow channels provides more cooling channels, and accelerate oil cycling. Heights of coils influence velocity of oil flow. However, materials change on the external layer of the low voltage coil windings does not make significant differences on thermal dissipation.

中文摘要…………………………………………………………………I
Abstract……………………………………………………………………II
誌謝…………………………………………………………………… III
目錄………………………………………………………………… IV
圖目錄…………………………………………………………………VII
表目錄…………………………………………………………………IX
符號說明…………………………………………………………………X
第一章 導論……………………………………………………………1
1-1 前言………………………………………………………………1
1-2 研究動機…………………………………………………………3
1-3 文獻回顧…………………………………………………………4
1-4 本文架構…………………………………………………………6
第二章 物理模型與統御方程式………………………………………7
2-1 問題描述…………………………………………………………7
2-2實驗方法…………………………………………………………8
2-2-1實驗器材………………………………………………………8
2-2-2量測方法………………………………………………………8
2-3 統御方程式……………………………………………………11
2-3-1 基本假設…………………………………………………11
2-3-2 統御方程式………………………………………………11
2-3-3 邊界條件…………………………………………………13
2-3-4 熱源條件…………………………………………………16
第三章 數值分析……………………………………………………24
3-1 CFD-RC套裝軟體介紹………………………………………25
3-2 CFD-RC的應用………………………………………………26
3-3 鬆弛係數與收斂標準…………………………………………30
3-3-1 鬆弛係數……………………………………………………30
3-3-2　收斂標準……………………………………………………32
3-4 解題流程………………………………………………………32
3-5 格點分佈………………………………………………………33
第四章 結果與討論…………………………………………………37
4-1模擬與實驗之驗證………………………………………………37
4-2油道寬度與支數對流場與溫度場之影響………………………39
4-3線圈高度與油道寬度對油道散熱效應之討論…………………41
4-4外側低壓線圈材質對流場與速度場之影響……………………41
第五章 結論與建議…………………………………………………59
5-1結論………………………………………………………………59
5-2未來展望…………………………………………………………61
參考文獻……………………………………………………………62
簡歷……………………………………………………………………64

圖目錄
圖2-1變壓器上視圖……………………………………………………18
圖2-2變壓器前視圖……………………………………………………19
圖2-3變壓器側視圖……………………………………………………19
圖2-4油道圖……………………………………………………………20
圖2-5油道設計圖………………………………………………………20
圖2-6鐵心設計圖………………………………………………………21
圖2-7 1/4變壓器模型圖………………………………………………21
圖2-8 實驗用油浸式變壓器原型機…………………………………22
圖2-9 變壓器線圈與鐵心圖……………………………………………22
圖2-10 線電阻量測器……………………………………………………23
圖2-11 溫升紀錄器………………………………………………………23
圖3-1 CFD-ACE之流場計算流程圖……………………………………34
圖3-2 模擬之變電箱之模型圖……………………………………………35
圖3-3 變電箱網格分佈圖（X-Y）…………………………………………35
圖3-4 變電箱網格分佈圖（X-Z）…………………………………………36
圖4-1 線圈縱切面溫度圖….………………………………………………45
圖4-2 線圈橫切面溫度圖……………………………………………………45
圖4-3 絕緣油縱切面之流速圖………………………………………………46
圖4-4 絕緣油之流動方向圖…………………………………………………46
圖4-5 絕緣油橫切面之流速圖………………………………………………47
圖4-6 油道示意圖……………………………………………………………48
圖4-7 不同油道寬度與支數，高壓線圈之溫度比較………………………49
圖4-8 不同油道寬度與支數，內側低壓線圈之溫度比較…………………50
圖4-9 不同油道寬度與支數，外側低壓線圈之溫度比較…………………51
圖4-10不同油道寬度與支數，油道內之流速比較…………………………52
圖4-11不同線圈高度與油道寬度對流道內流速之比較……………………53
圖4-12不同線圈高度與油道寬度對線圈溫度之比較………………………54
圖4-13 不同外側低壓線圈材質對外側低壓線圈之溫度比較……………55
圖4-14 不同外側低壓線圈材質對高壓線圈之溫度比較…………………56
圖4-15 不同外側低壓線圈材質對內側低壓線圈之溫度比較……………57
圖4-16 外側低壓線圈材質不同對流道內之流速比較……………………58

表目錄
表2-1 溫升試驗記錄表……………………………………………………17
表4-1 基本參數設定………………………………………………………43
表4-2 絕緣紙的影響比較…………………………………………………44
表4-3 實驗和模擬線圈溫度驗證比較……………………………………44

[1] 林健民，陳俊瑜，以本質較安全設計探討浸油式變壓器危害預防，勞工安全衛生研究季刊，民國96年12月。
[2] 楊哲彰編輯，認識變壓器，元智大學最佳畫設計研究室，2004年09月。
[3] 吳顯堂編輯，實用變壓器設計學，全華科技圖書股份有限公司，1992年8月。
[4] 蔡巧翔，模鑄式變壓器散熱行為之研究，中原大學機械工程學系碩士學位論文，民國93年12月。
[5] 施俊豪，變壓器內自然對流現象之研究，國立中央大學機械所碩士論文，民國90年7月。
[6] H. G. Cho, U. Y. Lee, S. S. Kim and Y. D. Park, “The TemperatureDistribution and Thermal Stress Analysis of Pole Cast ResinTransformer for Power Distribution,” IEEE Electrical Insulation,Proceedings of 2002 International Conference, vol. 39, no. 1, pp.384-386, April 2002.
[7] 許宏孝，應用有限元素法作高壓高頻變壓器之三維穩態熱傳分析，逢甲大學電機工程學系碩士班碩士論文，民國93年6月。
[8] Jacek Smolka, Andrzej J. Nowak and Luiz C. Wrobel, “Numerical modelling of thermal processes in an electrical transformer dipped into polymerised resin by using commercial CFD package fluent,” Computers & Fluids Volume 33, Issues 5-6, June-July 2004, Pages 859-868
[9] S. V. Preiningerova, C. Sc and M. Pivrnec, “Temperature Distribution in the Coil of a Transformer Winding,” IEE PROC., vol. 123, no. 3, pp.218-222, March 1977.
[10] 盧中仁，矽鋼片的鐵損特分析，國立台灣大學機械所碩士論文，民國90年6月。
[11] Choi,C.Y.,Kim,S.J. and Ortega,A., “Effects of Substrate Conductivity on Convective Cooling of Electronic Components,” Journal of Electronic Packaging, Vol. 116 , pp.198-205,1994.
[12] 白書戰，胡玉平，李鵬飛，油浸式自冷變壓器及其冷卻系統內流動的數值模擬，山東大學能源與動力工程學院，2007年。
[13] Marina A. Tsili, Antonios G.Kladas, Pavlos S.Georgilakis , Athanasios T.Souflaris and Dimitris G.Paparigas, “Advanced design methodology for single and dual voltage wound core power transformers based on a particular finite element model,” Electric Power Systems Research Volume 76, Issues 9-10 , June 2006, Pages 729-741
[14] 陳俊德，許宏孝，高頻高壓變壓器模型建立與電場及熱傳分析，國防科技學術合作協調小組研究計畫成果報告，民國92年12月。
[15] N. El Waki, N.-C. Chereches and J. Padet, “Numerical study of heat transfer and fluid flow in a power transformer,” International Journal of Thermal Sciences Volume 45, Issue 6 , June 2006, Pages 615-626