ANÁLISIS TÉRMICO Y DE FLUIDOS DE UN TRANSFORMADOR DE POTENCIA DE 60MVA MARCA IEM

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Álvaro Paz Martín
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Juan Augusto Ávila Beltrán Ingeniero Investigador de

1 ANÁLISIS TÉRMICO Y DE FLUIDOS DE UN TRANSFORMADOR DE POTENCIA DE 60MVA MARCA IEM PRESENTA: Ing. Juan Augusto Ávila Beltrán Ingeniero Investigador de Desarrollo Industrias IEM, S.A. Correo electrónico: jabeltran@condumex.com.mx

2 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA Industrias IEM fue fundada en 1984 por Westinghouse Electric Coorporation e inversionistas Mexicanos. Actualmente forma parte de Grupo Condumex El giro de la empresa es la fabricación de transformadores eléctricos de distribución y pequeña potencia, potencia y extra alta potencia. Distribución y pequeña potencia: 5 a 10,000 KVA, y hasta 69,000 Volts Potencia: hasta 1000 MVA, 525 KV

3 INTRODUCCIÓN TRANSFORMADORES DE POTENCIA -Núcleo - Bobinas - Aislamientos - Tanque - Sistema de enfriamiento

4 INTRODUCCIÓN BOBINA Aislamientos Ductos verticales y horizontales

5 INTRODUCCIÓN Flujo de aceite dentro de un transformador de potencia

6 ANTECEDENTES Diseño y fabricación de un transformador de 60MVA para LyFC Necesidad: Optimización de diseño mismas características de operación a un menor costo de producción. - Reducir peso total - Modificar el diseño de la parte viva del transformador - Nuevos materiales

7 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA La optimización del diseño implica análisis de ingeniería Limitantes: Programas de diseño rígidos Resultados no confiables con programas de diseño Temperaturas cercanas al límite garantizado Análisis de elemento finito utilizando ANSYS Multiphysics

8 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

9 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Consideración del programa de diseño: PARED DEL TANQUE Supone un ducto exterior en la bobina reguladora RV de Alta Tensión. Este ducto no está considerado en el nuevo diseño. La bobina RV debe estar expuesta por su parte exterior al aceite con flujo natural. BOBINA BT AISLAMIENTO BOBINA AT ACEITE CON FLUJO NATURAL BOBINA RV INFERIOR NO SE DESEA ESTE DUCTO ENTRADA DE FLUJO

DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Modelo en ANSYS: PARED DEL TANQUE El ducto es eliminado y la bobina está expuesta por su parte exterior al aceite con flujo natural Este arreglo supone un mayor flujo

10 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Modelo en ANSYS: PARED DEL TANQUE El ducto es eliminado y la bobina está expuesta por su parte exterior al aceite con flujo natural Este arreglo supone un mayor flujo hacia la bobina de alta tensión, además de un mejor enfriamiento de la bobina RV BOBINA BT AISLAMIENTO BOBINA AT ACEITE CON FLUJO NATURAL SOLO DUCTO INTERIOR BOBINA RV INFERIOR ENTRADA DE FLUJO

11 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Temperaturas del programa de diseño: Bobina de baja tensión: 45.2 C Bobina de alta tensión: 48.3 C Bobina reguladora de AT: 54.4 C Temperatura de elevación máxima permitida: 55 C Las temperaturas son elevaciones promedio de los devanados = temperatura promedio del devanado temperatura ambiente

12 OBJETIVO Determinar las temperaturas críticas dentro del transformador para evaluar la viabilidad y correcto funcionamiento del nuevo diseño desde el punto de vista térmico. BOBINA BT TEMPERATURAS MÁXIMAS BOBINA AT BOBINA RV SUPERIOR

DESARROLLO ANSYS Multiphysics: Flotran Modelo geométrico: Una fase del transformador trisásico Análisis en estado estable Elementos utilizados:

13 DESARROLLO ANSYS Multiphysics: Flotran Modelo geométrico: Una fase del transformador trisásico Análisis en estado estable Elementos utilizados: fluid141 Instalación de sensores de fibra óptica Medición de puntos más calientes en bobinas durante las pruebas de rutina en IEM MODELO DE UNA SOLA FASE

14 ANSYS (Modelo geométrico) CASO DE ESTUDIO Aceite Núcleo Bobinas Aislamientos

15 ANSYS (Condiciones de frontera) - Velocidad x = 0, y = 0 en paredes - Velocidad de entrada al sistema - Temperatura de entrada al sistema - Presión = 0 en salida - Generación de calor de bobinas - Coeficiente de transferencia de calor exterior (aire con flujo natural)

16 ANSYS (Malla) SECCIONES DE BOBINA DE AT DUCTOS VERTICALES AISLAMIENTO RV DE AT DUCTO RADIAL

17 PERFIL DE VELOCIDADES Salida de aceite a radiadores Pared del Tanque Bobina de Baja Tensión Bobina de Alta Tensión Aceite con flujo natural Bobina de Reguladora AT Entrada de aceite a núcleo bobinas

18 ANSYS (Velocidades) PERFIL DE VELOCIDADES Salida de aceite a radiadores Pared del Tanque Bobina de Baja Tensión Bobina de Alta Tensión Aceite con flujo natural Bobina de Reguladora AT Entrada de aceite a núcleo bobinas

19 VECTORES DE VELOCIDAD Aislamiento Bobina AT RV AT Bobina BT

20 ANSYS (Temperatura) VECTORES DE VELOCIDAD PERFIL DE TEMPERATURAS

21 ANSYS (Temperatura) CASO DE ESTUDIO VECTORES DE VELOCIDAD 72.2 C 75.3 C 59.8 C Tanque 76.5 C

22 PRUEBAS EXPERIMENTALES Instrumentación del transformador con el uso de sensores de fibra óptica Cuatro sensores: 1. Bobina de Alta Tensión (1) 2. Bobina Reguladora de Alta Tensión (2) 3. Núcleo: Pierna central del yugo superior (1)

23 PRUEBAS EXPERIMENTALES Bobina de Alta Tensión Sensor de fibra óptica en espaciador radial Localización del sensor en la bobina

24 PRUEBAS EXPERIMENTALES Bobinas reguladoras de AT Sensor de fibra óptica colocado en guías Bobina reguladora de alta tensión

25 PRUEBAS EXPERIMENTALES Resultados: Bobina de AT: 79.9 C Bobina RV inferior: 65.8 C Bobina RV superior: 64.8 C Temperaturas totales

26 PRUEBAS EXPERIMENTALES Pruebas de Temperatura C Tiempo Núcleo Alta Tensión RV Inferior RV Superior

27 COMPARACIÓN DE RESULTADOS Tres métodos: 1. Programas de diseño 2. Análisis con ANSYS 3. Medición con sensores de fibra óptica

28 COMPARACIÓN DE RESULTADOS En elevación promedio de temperatura BOBINA Diseño ANSYS Experimental Baja Tensión Alta Tensión Reguladora inferior Reguladora superior En temperatura total BOBINA Diseño ANSYS Experimental Baja Tensión Alta Tensión Reguladora inferior Reguladora superior

29 COMPARACIÓN DE RESULTADOS BOBINA ANSYS Experimental Error Alta Tensión % Baja Tensión Reguladora inferior % Reguladora superior % BOBINA Diseño Experimental Error Alta Tensión % Baja Tensión Reguladora inferior % Reguladora superior %

30 CONCLUSIONES Análisis detallado de la construcción interna del transformador Mayor seguridad y certidumbre del desempeño térmico del transformador Validación de la herramienta ANSYS para el análisis de nuevos desarrollos en el área térmica y de fluidos El error en el análisis aún es grande considerando diseños con desempeños térmicos cercanos al límite de temperatura garantizado. Mejorar los programas de diseño

31 CASO DE ESTUDIO

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