Metodología 3d para el análisis de sobrecalentamiento en elementos estructurales de transformadores de potencia.

Resumo

En elementos estructurales de transformadores de potencia, uno de los principales criterios de diseño es el límite de temperatura causado por el flujo de dispersión debido a conductores de alta intensidad. Las referencias encontradas en la literatura centran sus resultados en las consecuencias del flujo electromagnético de dispersión en términos de pérdidas. El cálculo de las pérdidas por dispersión es por descontado también importante para garantizar las pérdidas totales. Sin embargo, el inconveniente de estas propuestas es que en la mayoría de los casos no se puede medir directamente la distribución de pérdidas, y por tanto estos métodos son difíciles de validar. Por esta razón esta disertación propone calcular las consecuencias del flujo de dispersión en términos, no sólo de pérdidas, sino que también en forma de distribución de temperatura. El objetivo es ofrecer una herramienta práctica para el cálculo de la temperatura y localizar así las zonas de riesgo que sufren mayor calentamiento por inducción en los elementos estructurales de los transformadores. Se presenta una metodología 3D para el cálculo del sobrecalentamiento basada en una formulación electromagnética analítica conectada con un análisis térmico por el método de los elementos finitos (FEM). La metodología propuesta se centra en esos casos en los que la profundidad de penetración de la onda electromagnética comparada con las dimensiones del transformador es una cuestión clave. Por tanto, las pérdidas dentro de la profundidad de penetración se pueden calcular de manera inmediata con el modelo analítico, basado en la formulación del Vector Poynting. El siguiente paso es calcular la distribución de temperatura a través de un análisis por elementos finitos térmico en 3D, donde la profundidad de penetración establece espesor del volumen dónde las pérdidas han de ser introducidas. Además, los datos de los materiales necesarios para el cálculo pueden ser erróneos, debido a que normalmente se toman de la literatura o catálogos de los fabricantes. Además las condiciones de contorno son también difíciles de determinar a partir de datos teóricos o medidas. En esta tesis se propone identificar estos parámetros a través de algoritmos de optimización determinísticos y no determinísticos asegurando así la precisión en los resultados obtenidos. Se presentan además una serie de ensayos experimentales y se comparan los resultados numéricos con las medidas realizadas. Se llevan a cabo ensayos en chapas de acero utilizadas en partes estructurales del transformador, como la tapa y pared del tanque. Se aplica un amplio rango de valores de corriente y se varian además otros parámetros de diseño como el espesor de la chapa, la distancia entre conductores, o soldando material amagnético, validando de esta manera la metodología de cálculo para una amplia variedad casos. Para destacar la potencialidad de la herramienta, se presentan algunas aplicaciones prácticas que incluyen el diseño de injertos amagnéticos en el caso de pasatapas de transformadores trifásicos y el análisis del sobrecalentamiento en paredes del tranque debido al flujo de secuencia cero y teniendo en cuenta la influencia del devanado terciario de estabilización.On power transformer structural parts the main design criterion is the limit temperature rise caused by leakage field due to the high current leads. Previous works found in the literature focus their results on the consequences of electromagnetic leakage flux in terms of stray power losses. The calculation of stray losses is, of course, also important to guarantee the total losses. However, the drawback of such computational proposals is that the direct measurement of stray losses is not achievable in the vast majority of cases and, therefore, they are difficult to validate. For this reason, this dissertation proposes to compute the consequences of leakage flux not only in terms of losses but also in terms of temperature distribution. The objective is to offer a practical tool to compute the temperature distribution and to localize the hot spot areas on metallic structural parts heated by electromagnetic induction. A 3D methodology for the overheating hazard assessment based on electromagnetic analytical formulation linked with thermal finite element method is presented. The proposed methodology is carefully focused on those cases where the electromagnetic wave penetration depth compared to the big machine dimensions is a key issue. Thus, stray losses into the thin skin depth penetration can be readily calculated with the analytical model, based on Poynting's Vector formulation. Then, the temperature distribution is computed by means of 3D FE thermal analysis, where the penetration depth sets the volume thickness where losses are introduced. Moreover, the material data required for computation might be inaccurate as they are taken from catalogues or the literature and boundary conditions of heat exchange are difficult to determine from theory or measurements. An attempt to identify these parameters by means of multi-objective deterministic and non-deterministic optimization algorithms is proposed ensuring thus the accuracy of obtained results. An experimental work is presented, and numerical results are discussed and compared to measurements. Test are carried out for transformer cover plate and tank wall over a wide range of currents and varying also other design parameters, i.e. plate thickness, distance between conductors or including amagnetic material, in order to validate the computational methodology. To stress the potentiality of the tool, some practical applications are presented, which include the design of amagnetic inserts on three-phase transformer cover plates and the evaluation of the overheating hazard due to zero sequence flux on tank walls taking into account the influence of the tertiary stabilizing windings.