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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:蔡巧翔
研究生(外文):Chiao-Hsiang Tsai
論文名稱:模鑄式變壓器散熱行為之研究
論文名稱(外文):A Study on the Behavior of Heat Dissipation of a Cast Resin Transformer
指導教授:鄧治東鄧治東引用關係
指導教授(外文):Jyh-Tong Tzen
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:106
中文關鍵詞:散熱分析Icepak 分析軟體模鑄式變壓器損失
外文關鍵詞:Case-Resin TransformerThermal ManagementIcepak Software
相關次數:
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對電力系統設備設計者而言,如何精確得知該系統內最大温度值與其位置係屬重要,而模鑄式變壓器使用年限與其壽命,與此兩項參數有著密切關係。
模鑄式變壓器所使用的樹脂絕緣材料,將隨其本身温度的升高或環境温度改變而熱劣化,機械強度遂逐漸降低,最後只要稍受外力影響,其絕緣物即裂化,造成變壓器燒毀或破壞,因此為確保變壓器本身之壽命,預防異常之劣化,如何了解系統流場中之最熱點的區域係屬必要。
本論文係以一模鑄型變壓器為研究系統,分析工作流體(空氣)在流道內之自然對流行為,並找出其熱點發生位置,其幾何模型為一模鑄式變壓器於開放空間中,其自然對流散熱情形。本文使用Icepak 分析軟體,於設定不同邊界條件下,以了解其系統温度分佈情形,並與實際量測數據驗證,期許未來於相關變壓器散熱設計有所助益。
To accurately determine the level and the location of peak temperature within a power-supply system is essential for the system equipment designers. In addition, these parameters are closely related to the life-span of the equipment, in particular, the case-resin transformers.

The resin insulation material used in the case-resin transformers becomes thermally degraded due to the elevated temperature it encounters or a change in the level of the environmental temperature it exposes to. As a result of the thermal degradation, the mechanical strength of the material is weakened, leading to cracking of the insulation material once an external force is exerted on it causing the transformer to be burned or damaged. Thus, to ensure a proper life-span of the transformer and to prevent abnormal degradation of it, understanding of the flow field and the location of the hot-point within it becomes an important issue to be dealt with.

This thesis investigated a case-resin transformer system for the natural-convection behavior of the flow channels and for the location of the hot-spot within the system. Its geometrical configuration was modeled using a case-resin transformer exposed to an open-air with natural convection to be the heat transport mechanism for dissipating the heat generated by the system.

The study used Icepak software package, which was developed using the computational fluid dynamics (CFD) technique with the algorithm of finite volume method, for the analyses to determine the temperature distributions in the system by specifying a variety of boundary conditions. The numerically predicted results were then verified with the experimental data obtained by laboratory tests. The comparison indicated that reasonable agreements were achieved. It is expected that the work done and the results obtained by this study will be beneficial for the future study of thermal management of the related heat-dissipating power transformers.
目 錄

中文摘要……………………………………………………………Ⅰ
英文摘要……………………………………………………………Ⅱ
致 謝……………………………………………………………Ⅲ
目 錄…………………………………………………………………Ⅳ
表目錄…………………………………………………………………Ⅵ
圖目錄………………………………………………………………Ⅶ
符號說明……………………………………………………………Ⅸ
第一章 導論…………………………………………………………1
1-1 研究動機與目的………….………………………………1
1-2 文獻回顧…………………………………………………2
第二章 物理模型與統御方程式……………………………………5
2-1 物理模型……………………………………………………5
2-2 模鑄式變壓器主要構造……………………………………6
2-2.1 變壓器鐵心…………………………………………8
2-2.2 變壓器線圈….………………………………………9
2-3 變壓器散熱方式…………………………………………10
2-4 主要熱源及計算式……………………………………11
2-5 變壓器温度規範…………………………………………16
2-6 基本假設………………………………………………19
2-7 統御方程式………………………………………………19
2-8 邊界條件…………………………………………………24
2-9 輻射………………………………………………………27
第三章 求解方法與程序……………………………………………30
3-1 簡介………………………………………………………30
3-2 計算流體力學(CFD)之核心模組………………………30
3-3 求解程序…………………………………………………31
3-3.1 前處理……………………………………………31
3-3.2 執行計算………………………………………..31
3-3.3 後處理……..……………………………………31

3-4 求解步驟…………………………………………………32
3-5 紊流模組的比較……………………………………………44
3-6 變壓器温升試驗……………………………………………45
3-7 變壓器温度測定……………………………………………47
第四章 結果與討論…………………………………………………49
4-1模擬結果…………………………………………………49
4-2鐵心與線圈温度分布……………………………………50
4-2.1案例一(周温30℃)…………………………………50
4-2.2案例二 滿載下(周温30℃)………………………55
4-2.3案例三(周温20℃)…………………………………59
4-3流場的温度分佈……………………………………………63
4-3.1案例一(周温30℃)……………….………………63
4-3.2案例二 滿載下(周温30℃)………………………66
4-3.3案例三(周温20℃)………………………………69
4-4流場之速度向量……………….…………………………72
4-4.1案例一(周温30℃)……………….………………72
4-4.2案例二 滿載下(周温30℃)………………………75
4-4.3案例三(周温20℃)………………………………77
4-5本文所採用變壓器規格與試驗標準……………………79
4-6實際出廠試驗值………………………………………81
4-7結果比較……………..……………………….………85
4-8討論…………………..………………………….………87
第五章 結論與未來展望……………………………….……….……88
5-1 結論……………………………………………………88
5-2未來展望………………………………………………89
參考文獻……………………………………………………………90






表目錄
表2-1冷卻介質温度比較表………….………………………16
表2-2各國際標準規範温升比較表……………………………17
表2-3 CNS標準規範温升限制比較表………………………18
表4-1周温30℃鐵心數值温度表……………………………51
表4-2周温30℃高壓線圈數值温度表……………………….51
表4-3周温30℃低壓外層線圈數值温度表…………………52
表4-4周温30℃低壓內層線圈數值温度表……..…………..52
表4-5滿載時周温30℃鐵心數值温度表…………………..55
表4-6滿載時周温30℃高壓線圈數值温度表……………..56
表4-7滿載時周温30℃低壓外層線圈數值温度表…………56
表4-8滿載時周温30℃低壓內層線圈數值温度表………...57
表4-9周温20℃數值結果温度表……….…………….……61
表4-10周温30℃系統流場數值温度表…….…………..………63
表4-11周温30℃系統流場數值温度表…………………………66
表4-12周温20℃系統流場數值温度表………………………..70
表4-13依感測器測得鐵心及高壓線圈温度值比較表……………86
表4-14依電阻法測得高低壓線圈温度值比較表…………………86













圖目錄

圖2-1模鑄式變壓器外觀照片(含風扇)………………………5
圖2-2模鑄式變壓器之3D立體圖(含風扇)…………………6
圖2-3模鑄式變壓器之各部份名稱圖……………………………7
圖2-4鐵心的製造完成圖……………………………………………8
圖2-5 V型鐵心的製造說明圖……………………………………9
圖2-6 高壓線圈層繞剖視圖…………………………………………10
圖3-1鐵心尺寸圖…………………………………………………32
圖3-2變壓器單一相線圈尺寸上視及側視圖……………………33
圖3-3 以Icepak模擬之變壓器模型圖…………………………34
圖3-4 X方向-變壓器模型圖……………………………………35
圖3-5變壓器鐵心網格化…………………………………………39
圖3-6變壓器高壓線圈網格化……………………………………39
圖3-7變壓器外層低壓線圈網格化………………………………40
圖3-8變壓器內層低壓線圈網格化………………………………40
圖3-9變壓器線圈網格化放大圖…………………………………41
圖3-10周温30℃理論分析求解收歛圖…………………………42
圖3-11周温30℃模擬試驗滿載求解收歛圖……………………43
圖3-12周温20℃變壓器求解後收歛圖…………………………44
圖4-1整體變壓器温度分佈圖……………………………………53
圖4-2整體鐵心温度………………………………………………53
圖4-3鐵心含內圏低壓線圈温度…………………………………54
圖4-4鐵心含外圏低壓線圈温度…………………………………54
圖4-5滿載時整體鐵心温度………………………………………57
圖4-6滿載時鐵心含內圏低壓線圈温度…………………………58
圖4-7滿載時鐵心含內外圏低壓線圈温度………………………58
圖4-8滿載時整體變壓器温度分佈圖……………………………59
圖4-9周温20℃整體鐵心温度…………………………………61
圖4-10周温20℃鐵心含低壓線圈温度…………………………62
圖4-11周温20℃鐵心含高低壓線圈温度………………………62
圖4-12 X軸切面之温度分佈圖…………………………………64
圖4-13正面之X軸切面之温度分佈圖…………………………64
圖4-14正面之Z軸切面之温度分佈圖…………………………65
圖4-15整體流場温度分佈圖………………………………………65


圖目錄
圖4-16外部邊界温度分佈圖……………………………………66
圖4-17滿載時X軸切面之温度分佈圖………………………67
圖4-18滿載時正面X軸切面之温度分佈圖…………………67
圖4-19滿載時正面之Z軸切面之温度分佈圖…………………68
圖4-20滿載時流場温度分佈圖…………………………………68
圖4-21滿載時外部邊界温度分佈圖……………………………69
圖4-22周温20℃之X軸切面之温度分佈圖…………………70
圖4-23周温20℃之正面X軸切面之温度分佈圖……………71
圖4-24周温20℃之正面Z軸切面之温度分佈圖……………71
圖4-25外部流場温度分布圖……………………………………72
圖4-26整體流場速度分佈圖……………………………………73
圖4-27 X軸方向之整體流場速度分佈圖1……………………74
圖4-28 X軸方向之整體流場速度分佈圖2……………………74
圖4-29滿載時整體流場速度分佈圖……………………………75
圖4-30滿載時X軸方向之流場速度分佈圖…………………76
圖4-31滿載時1/2 Y軸切面流場圖…………………………76
圖4-32滿載時底部切面之流場圖………………………………77
圖4-33底部切面之流場圖1……………………………………78
圖4-34底部切面之流場圖2……………………………………78
圖4-35 20℃周温之流場速度分布圖……………………………79
圖4-36實際出廠時試驗報告圖…………………………………82
圖4-37實際出廠時所量測之鐵心温昇曲線圖…………………83
圖4-38實際出廠時所量測之線圈温昇曲線圖…………………84
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