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Caracterización electromagnética - térmica de la operación en estado estable de un transformador
de potencia enfriado por aceite
Úder Contreras C.R., Payán Rodríguez L.A., Caballero Hernández S.I., Serrano Padilla M., Méndez-Diaz S., Martínez-Martínez, S.,
Sánchez-Cruz, F.A., Ramírez-Hernández, H.G.
Introducción Ø 1970 ... Pequeña planta en la Ciudad de México
Ø 1976 ... Planta nueva en Apodaca... Fundación de Celeco... Planta de boquillas industriales
Ø 1982 ... Nuevo nombre... nuevas líneas... Capacidades mayores...acuerdos tecnológicos
Ø 1985 a 1992... Coinversión temporal con GE México en distribución... integración a Prolec
Ø 1990 a 1995... Ampliación y modernización... primeros esfuerzos consistentes por exportar
Ø 1995… Inicia coinversión con General Electric y la fabricación de transformadores de Potencia
Ø 1996… Se expande a los transformadores de Distribución
Ø 1998… Transformadores industriales para exportación
Ø 2003… Pedestales Trifásicos para exportación
Ø 2007…Ampliación de capacidad para Transformadores extra alto voltaje y pedestales para energía
eólica
Ø 2009… Adquisición de IndoTech y cambio de nombre a PROLEC GE India
Avance constante... Pasos consistentes
Introducción
Planta Apodaca, N.L. Centro de Investigación Aplicada de PROLEC, Parque PIIT, N.L.
Planta Chennai, India
Introducción Transformadores elevadores
• 1000 MVA 3ϕ ó 500 MVA 1ϕ
• 550 kV (1675 kV BIL) 50 ó 60 Hz
Autotransformadores
• 1000 MVA 3ϕ ó 500 MVA 1ϕ
• 550 kV (1675 kV BIL) 50 ó 60 Hz
• Bajo nivel de ruido NEMA – 25 dBA
Reactores de potencia
• 50 MVAr 1ϕ
• 550 kV (1450 kV BIL)
• 50 o 60 Hz
Transformadores tipo subestación y auxiliares
• 1000 MVA 3ϕ ó 500 MVA 1ϕ
• 230 kV (1050 kV BIL) 50 ó 60 Hz
GENERACIÓN
TRANSMISIÓN
DISTRIBUCIÓN
Transfomadores de Potencia
Base instalada … 4,500+ unidades alrededor del mundo
• Fenómenos físicos en un transformador eléctrico – Electrostáticos – Electromagnéticos – Térmicos – Hidráulicos – Mecánicos
• Retos principales en la etapa de diseño – Validación de factores de
seguridad y localización de fallas puntuales
– Optimización del uso de materiales
– Incremento de la capacidad (EHV)
– Análisis especiales: GIC’s, emisión de ruido
Introducción
Análisis térmicos
Análisis electrostáticos
Análisis electromagnéticos y GIC’s
Análisis acústicos Análisis termohidráulicos … en general análisis multifísicos
Especiales
Introducción
Temperatura Streamlines
Análisis acústicos Análisis termohidráulicos … en general análisis multifísicos
Análisis especiales
Análisis modal (ruido acústico)
Análisis termohidráulico Transferencia de calor conjugada (hot spots)
Introducción
Análisis multifísico:
Campo electromagnético
Fuerzas de Lorentz
Generación de calor por corrientes parásitas
Análisis Mecánico (modal - acústico)
Análisis Termico - Hidráulico
Gegeneración de calor I2R
Retos: Escalas de modelación Regímenes de flujo combinados Convección natural Convección forzada
• Determinar la distribución de temperatura en los componentes principales de un transformador de potencia (bobinas, núcleo, herrajes y tanque) a partir de un análisis acoplado electromagnético – térmico desarrollado en ANSYS Multiphysics®
Objetivo
Metodología
Descripción e interpretación del problema técnico
Determinación de las leyes físicas asociadas al fenómeno
Definición de modelos matemáticos
Definición del alcance y consideraciones para el modelo computacional
Construcción/adaptación del modelo CAD
Mallado del modelo orientado a parametrización
(ANSYS Multiphysics)
• Estudio de sensibilidad de malla
• Estudio de escalabilidad dimensional
Definición de las propiedades de los materiales
Definición de condiciones de frontera y operación
Solución del modelo (base multifísica, orientada a
parametrización)
Pruebas de concepto de la solución en modelos simplificados
Postprocesamiento y análisis de resultados
Metodología
Caso de estudio: Transformador trifásico 60 HZ, 24kv -7.5 kv Capacidad(MVA): 30/40/50/56 Enfriamiento: ONAN/ONAF/ONAF + 12% 55 – 55 - 55/65
Herrajes y tirantes
Núcleo Bobinas Ensamble parte viva
• Análisis electromagnético – Condiciones de frontera:
• Intensidad de corriente • Flujo magnético paralelo • Simetría
– Tipo de análisis: • Armónico • Solver: Mechanical APDL • Elemento: SOLID236
– Resultados de interés • Densidad de corriente • Calor generado (JHEAT)
Resultados
Densidad de corriente en el núcleo
Calor generado en herrajes y tirantes
Calor generado en bobinas (pérdidas extrañas) Calor generado en el tanque
• Análisis térmico – Condiciones de frontera:
• Coeficientes de transferencia de calor • Carga: calor generado por efecto Joule • Simetría
– Tipo de análisis: • Estado estable • Solver: Steady-State Thermal
Workbench
– Resultados de interés • Distribución de temperatura • Localización de “puntos calientes” (Hot Spots) • Evaluación del Hot Spot Rise (HSR)
Resultados
Distribución de temperatura en el núcleo
Distribución de temperatura herrajes y tirantes Distribución de temperatura
en bobinas
Diferencia entre el HSR obtenido de la simulación vs el HSR medido en laboratorio: 7.3%
• El análisis realizado con las herramientas de ANSYS® Multiphysics ha permitido determinar las zonas de alta temperatura en los componentes principales de un transformador de potencia.
• Los resultados obtenidos arrojaron datos puntuales del comportamiento térmico de los materiales del transformador, permitiendo la identificación zonas comprometidas por valores de temperatura cercanos a los límites de los materiales.
• El cálculo del HSR usando información de la simulación comparado contra el valor medido en laboratorio arrojó una diferencia del 7.3%. Este resultado mejora en un 3% el cálculo analítico realizado durante el proceso de diseño del transformador. Adicionalmente, la simulación permite la localización espacial de los puntos de alta temperatura.
Comentarios finales
Luis Alfredo Payán Rodríguez Ingeniero de Desarrollo Mecánico
de Herramientas de Ingeniería
Prolec GE Internacional S. de R.L. de C.V. Tel.: +52 (81) 8030 2000 ext 2825
mail to: [email protected] http://www.prolec.com.mx