臺灣博碩士論文加值系統

本論文將使用有限元素法於25 kVA油浸式桿上變壓器進行分析，種類有改良型及密封型等變壓器，針對兩種類型的鐵心分別做矽鋼及非晶質等材質的替換，藉由COMSOL模擬軟體建構電磁場及熱傳等變壓器的分析架構，於鐵心及桶子外所產生的電磁場強度進行分析，探討磁滯曲線於鐵損的變化及環境中的影響，同時模擬鐵損及銅損於熱傳中變壓器的溫度狀態。
針對四種類型的變壓器進行電磁場及熱傳之模擬分析，於電磁場模擬取得鐵心最大磁場強度後，延伸兩種模擬狀態分別為桶身外模擬及調變額定電流等磁場強度，根據我國變電所周圍1公尺磁場強度規範，在四種變壓器桶身外模擬皆於符合規範；鐵心材質的磁場密度不同影響額定電流於調整時的改變，因而產生磁滯曲線的差異。使用COMSOL模擬軟體的穩態取得鐵心及線圈的熱源能量，並分析四種變壓器於鐵心及線圈的溫度，比對台電試驗報告證實分析結果值得採納。

This paper will be analyzed using the Finite Element Method to the pole 25 kVA oil-immersed transformer, and the type of sealed type have improved such as transformer, silicon steel and amorphous Alternatively other materials for the two types of cores are made, by COMSOL simulation analysis software Construction architecture Electromagnetic and Heat Thermal other transformer core and the outer electromagnetic intensity produced by the bucket analysis, and environmental impact study the changes in the hysteresis curve in the iron loss, while an analog loss to iron loss and copper temperature state of the transformer Heat Thermal.
Simulation of an electromagnetic and heat transfer analysis for the four types of transformers, after obtaining the maximum magnetic field strength in the electromagnetic simulation core, respectively, extend two types of simulated state and the tub around them analog modulation rated current of the magnetic field strength and the like, according to our substation around 1 meter field strength specifications, the four transformer tub are in compliant analog around them; magnetic core material density different impact when the rated current is adjusted to change, and thus a difference in hysteresis curve. Using COMSOL simulation software to obtain steady-state heat energy core and coil temperature and analyzed four styles in core and coil, confirming the results of Taipower than worth test report adopted.

摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究目的與方法 3
1.4 研究貢獻 4
1.5 論文架構 4
第二章 配電變壓器之介紹 6
2.1 前言 6
2.2 現行配電變壓器之介紹 6
2.3 桿上變壓器之構造 7
2.3.1 單相型桿上變壓器 7
2.3.2 改良型桿上變壓器 8
2.3.3 密封型桿上變壓器 8
2.4 桿上變壓器之特性 9
2.5 國內配電變壓器之規範 11
2.5.1 電業供電線路裝置規則 11
2.5.2 電力公司於公路用地之設置規範 13
第三章 電磁場與熱傳學之理論及有限元素法 16
3.1 前言 16
3.2 磁場及電場理論 16
3.2.1 靜電場 16
3.2.2 時變磁場和馬克斯威爾方程式 22
3.2.3 變壓器基本理論 25
3.2.4 變壓器特性分析 31
3.3 熱傳學概論 38
3.3.1熱傳導 39
3.3.2熱對流 43
3.3.3熱輻射 45
3.4 有限元素法 46
3.4.1靜磁場有限元素法方程式 46
第四章 有限元素法原理與軟體介紹 57
4.1 前言 57
4.2 有限元素法基礎理論 57
4.3 有限元素法的基本介紹與特色說明 58
4.3.1 COMSOL的基本介紹 58
4.3.2 COMSOL的特色 59
4.3.3 COMSOL的解題步驟 59
第五章 電磁場與熱傳之模擬與分析 63
5.1 模擬分析流程 63
5.2 模型圖面設計 64
5.2.1 改良型桿上變壓器之3D模型圖 64
5.2.2 密封型桿上變壓器之3D模型圖 66
5.3 設定架構參數 67
5.3.1 材料參數設定 67
5.3.2 磁場模擬設定 69
5.3.3 固體熱傳模擬設定 70
5.3.4 電路設計說明 70
5.4 變壓器磁場分析 71
5.4.1 鐵心之最大磁場強度 71
5.4.2 桶身外之電磁場模擬 72
5.4.3 結論與討論 76
5.5 變壓器於不同額定電流之磁場強度 78
5.5.1不同鐵心材質之最大磁場強度比較 78
5.5.2結論與討論 80
5.6 變壓器熱傳分析 80
5.6.1改良型桿上變壓器 81
5.6.2密封型桿上變壓器 82
5.6.3結論與討論 83
第六章 結論與未來研究方向 84
6.1 結論 84
6.2 未來研究方向 86
參考文獻 87

[1]CNS 598 C4010，「配電用變壓器」，1996，第1-15頁。
[2]台灣電力公司，「一二次套管不浸油之桿上變壓器期末報告」， 2018年12月31日。
[3]Lijun Wang, Wensong Zheng, Liuhuo Wang, Jing Lin, Xiaolin Li and Shenli Jia, ''Electromagnetic-Thermal-Flow Field Coupling Simulation of 12-kV Medium-Voltage Switchgear,'' IEEE Trans. on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol.6 ,no. 8 , Aug. 2016, pp.1208-1220.
[4]Daosheng Liu, Jiachen Li, Shihui Wang, Shiyou Yang and Yan Lin, ''Stability of Properties on Magnetic Ribbon and Cores With Domestic Fe-Based Amorphous Alloy for HTS AMDT,'' IEEE Trans. on Applied Superconductivity, vol. 29 ,no. 2 , Mar 2019.
[5]P. Penabad-Duran, X. M.Lopez-Fernandezab and J. Turowskic1, ''3D non-linear magneto-thermal behavior on transformer covers,''Electric Power Systems Research,vol. 121, Apr. 2015, pp. 333-340.
[6]W. Jian, J. Huan, M. Xiao and B. Xu, "Ampacity analysis of buried cables based on electromagnetic-thermal finite element method," 2018 2nd International Conference on Smart Grid and Smart Cities (ICSGSC), Kuala Lumpur, Malaysia, 2018, pp. 73-79.
[7]黃光輝，「使用有限元素分析的概念」，機械月刊，第十八卷，第一期，1992，第211-216頁。
[8]彭榮芳，「漫談有限元素法在變壓器之應用」，電機月刊，第五卷，第四期，1995，第124-130頁。
[9]S. Attestog and H. Van Khang, "Electromagnetic and thermal modelling for calculating ageing rate of distribution transformers," 2018 21st International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Jeju, 2018, pp. 1720-1725.
[10]M. A. Arjona, C. Hernandez, R. Escarela-Perez and E. Melgoza, "Thermal analysis of a dry-type distribution power transformer using FEA," 2014 International Conference on Electrical Machines (ICEM), Berlin, 2-5 Sep. 2014, pp. 2270-2274.
[11]Y. Du, T. Jiang and Z. Xu, "Coupled electromagnetic and thermal simulation method for a DC-DC converter inductor," SoutheastCon 2018, St. Petersburg, FL,USA, 19-22 Apr .2018, pp. 1-6.
[12]M. A. Vogelsberger, J. Buschbeck, A. Orellano, E. Schmidt and M. Bazant, "Electromagnetic — Thermal coupled optimization of high power traction drive induction machines," IECON 2014 - 40th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Dallas, TX, USA, 29 Oct.-1 Nov. 2014, pp. 562-568.
[13]Bo Zhang, Qiao Chen, Quan Liang Cao, Kai Ji, Meng Yu Liu, Tao Peng and Liang Li, ''Electromagnetic-Thermal Modeling of Electromagnetic Brake Using Finite-Element Analysis,''Applied Mechanics and Materials ,vol 392,Sep.2013, pp.290-294.
[14]Jian Liu, Xin Wang, Shu Mao Wang and Han Fu, ''The Structure Design of Low Frequency Electromagnetic Induction Heating System Based on Analysis of Thermal Effect,''The Structure Design of Low Frequency Electromagnetic Induction Heating System Based on Analysis of Thermal Effect,''Applied Mechanics and Materials,vol 433-435, Oct. 2013, pp.1549-1553.
[15]台灣電力公司業務處，「架空配電線路器材」，第6-1 至6-13頁，2004 年6 月。
[16]台灣電力公司業務處，「架空配電線路施工」，第7-1 至7-13頁，2011 年6 月。
[17]交通部，「公路用地使用規則」， 2013 年2 月18 日。
[18]內政部，「市區道路及附屬工程設計標準」， 2005 年12 月。
[19]經濟部，「電業供電線路裝置規則」， 2013 年10 月。
[20]台灣電力公司業務處，「配電手冊(一)規劃設計篇」，第2-1至2-40頁，2013年2月。
[21]皮托科技股份有限公司，COMSOL Multiphysics電腦輔助學習分析模擬軟體學習寶典，彰化市：皮托科技，2014年3月。
[22]皮托科技股份有限公司，COMSOL Multiphysics電磁模擬教學，彰化市：皮托科技，2014年2月。
[23]台灣電力公司材料標準 C033 ，「單相型桿上變壓器」， 2012 年。
[24]台灣電力公司材料標準 Y065 ，「改良型桿上變壓器」， 2012 年。
[25]台灣電力公司材料標準 C035 ，「密封型桿上變壓器」， 2012 年。
[26]IEEE Std. 386, IEEE Standard for Separable Insulated Connector Systems for Power Distribution Systems Rated 2.5 kV through 35 kV, 2016.
[27]華城電機股份有限公司，改良型桿上變壓器25、50、100、167 kVA 定型認可圖， 2016年。
[28]華城電機股份有限公司，密封型桿上變壓器25、50、100、167 kVA 定型認可圖， 2012 年。
[29]王順忠、陳秋麟，電機機械基本原理 第五版，臺北市：東華書局，2013 年。
[30]張仲卿、侯順雄、張進寬、杜鳳棋，熱傳遞 第四版，臺北市：高立圖書， 1997 年。