Caracterización electromagnética - térmica de la operación en estado estable de un transformador de potencia enfriado por aceite

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Emilio Espejo Miguélez
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1 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. Powering reliable solutions for you

, Payán Rodríguez L.A., Caballero Hernández S.I., Serrano Padilla M., Méndez-Diaz S.

2 Contenido Introducción Objetivo Metodología Resultados Comentarios finales

3 Introducción Ø Pequeña planta en la Ciudad de México Ø Planta nueva en Apodaca... Fundación de Celeco... Planta de boquillas industriales Ø Nuevo nombre... nuevas líneas... Capacidades mayores...acuerdos tecnológicos Ø 1985 a Coinversión temporal con GE México en distribución... integración a Prolec Ø 1990 a 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

.. 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

4 Introducción Planta Apodaca, N.L. Planta Chennai, India Centro de Investigación Aplicada de PROLEC, Parque PIIT, N.L.

5 Introducción Transformadores elevadores 1000 MVA 3ϕ ó 500 MVA 1ϕ GENERACIÓN 550 kv (1675 kv BIL) 50 ó 60 Hz Transfomadores de Potencia TRANSMISIÓN 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 Base instalada 4,500+ unidades alrededor del mundo DISTRIBUCIÓN Transformadores tipo subestación y auxiliares 1000 MVA 3ϕ ó 500 MVA 1ϕ 230 kv (1050 kv BIL) 50 ó 60 Hz

nivel de ruido NEMA 25 dba Reactores de potencia 50 MVAr 1ϕ 550 kv (1450 kv BIL) 50 o 60 Hz Base instalada 4,500+

6 Introducción 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 Análisis térmicos Análisis electrostáticos Análisis electromagnéticos y GIC s Especiales Análisis acústicos Análisis termohidráulicos en general análisis multifísicos

uso de materiales Incremento de la capacidad (EHV) Análisis especiales: GIC s, emisión de ruido Análisis térmicos Análisis

7 Introducción Análisis especiales Análisis acústicos Análisis termohidráulicos en general análisis multifísicos Análisis modal (ruido acústico) Análisis termohidráulico Transferencia de calor conjugada (hot spots) Temperatura Streamlines

Análisis modal (ruido acústico) Análisis termohidráulico

8 Introducción Análisis multifísico: Campo electromagnético Fuerzas de Lorentz Generación de calor por corrientes parásitas Análisis Mecánico (modal - acústico) Gegeneración de calor I 2 R Análisis Termico - Hidráulico Retos: Escalas de modelación Regímenes de flujo combinados Convección natural Convección forzada

acústico) Gegeneración de calor I 2 R Análisis Termico - Hidráulico Retos:

9 Objetivo 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

(bobinas, núcleo, herrajes y tanque) a partir de un análisis

10 Metodología Descripción e interpretación del problema técnico Determinación de las leyes físicas asociadas al fenómeno Definición de condiciones de frontera y operación Postprocesamiento y análisis de resultados Definición de modelos matemáticos Definición del alcance y consideraciones para el modelo computacional Definición de las propiedades de los materiales Estudio de sensibilidad de malla Estudio de escalabilidad dimensional Solución del modelo (base multifísica, orientada a parametrización) Construcción/adaptación del modelo CAD Mallado del modelo orientado a parametrización (ANSYS Multiphysics) Pruebas de concepto de la solución en modelos simplificados

Definición de las propiedades de los materiales Estudio de sensibilidad de malla Estudio de escalabilidad dimensional Solución del modelo (base multifísica, orientada

11 Metodología Prueba de concepto

12 Metodología Caso de estudio: Transformador trifásico 60 HZ, 24kv -7.5 kv Capacidad(MVA): 30/40/50/56 Enfriamiento: ONAN/ONAF/ONAF + 12% /65 Herrajes y tirantes Núcleo Bobinas Ensamble parte viva

13 Resultados 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) Densidad de corriente en el núcleo Calor generado en herrajes y tirantes Calor generado en bobinas (pérdidas extrañas) Calor generado en el tanque

Resultados de interés Densidad de corriente Calor generado (JHEAT) Densidad de corriente en el

14 Resultados 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) Distribución de temperatura en el núcleo Diferencia entre el HSR obtenido de la simulación vs el HSR medido en laboratorio: 7.3% Distribución de temperatura herrajes y tirantes Distribución de temperatura en bobinas

puntos calientes (Hot Spots) Evaluación del Hot Spot Rise (HSR) Distribución de temperatura en el núcleo Diferencia entre el HSR obtenido

15 Comentarios finales 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.

Los resultados obtenidos arrojaron datos puntuales del comportamiento térmico de los materiales del transformador, permitiendo la identificación zonas comprometidas por valores de temperatura

16 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) ext 2825 mail to:

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