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Análisis Térmico y de Fluidos de un Transformador de 60 MVA Marca IEM
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
Análisis Térmico y de Fluidos de un Transformador de 60 MVA Marca IEM
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
Análisis Térmico y de Fluidos de un Transformador de 60 MVA Marca IEM
INTRODUCCIÓN
TRANSFORMADORES DE POTENCIA
- Núcleo
- Bobinas
- Aislamientos
- Tanque
- Sistema de enfriamiento
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INTRODUCCIÓN
BOBINA Aislamientos
Ductosverticales y horizontales
Análisis Térmico y de Fluidos de un Transformador de 60 MVA Marca IEM
INTRODUCCIÓN
Flujo de aceite dentro de un
transformador de potencia
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CASO DE ESTUDIO
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
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CASO DE ESTUDIO
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
Análisis Térmico y de Fluidos de un Transformador de 60 MVA Marca IEM
CASO DE ESTUDIO
DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
Análisis Térmico y de Fluidos de un Transformador de 60 MVA Marca IEM
CASO DE ESTUDIO
DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
ENTRADA DE FLUJO
BOBINA ATBOBINA BT
AIS
LAM
IEN
TO
ACEITE CON FLUJO NATURAL
PARED DEL TANQUE
NO SE DESEA ESTE DUCTO
Consideración del programa de diseño:
Supone un ducto exterior en la bobina reguladora RV de Alta Tensión.
Este ducto no estáconsiderado en el nuevo diseño.
La bobina RV debe estar expuesta por su parte exterior al aceite con flujo natural.
BOBINA RV INFERIOR
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CASO DE ESTUDIO
DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
Modelo en ANSYS:
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
ENTRADA DE FLUJO
BOBINA ATBOBINA BT
AIS
LAM
IEN
TO ACEITE CON FLUJO NATURAL
PARED DEL TANQUE
SOLO DUCTO INTERIOR
BOBINA RV INFERIOR
Análisis Térmico y de Fluidos de un Transformador de 60 MVA Marca IEM
CASO DE ESTUDIO
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
Análisis Térmico y de Fluidos de un Transformador de 60 MVA Marca IEM
CASO DE ESTUDIO
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 AT
BOBINA BT
BOBINA RV SUPERIOR
TEMPERATURAS MÁXIMAS
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CASO DE ESTUDIO
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
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CASO DE ESTUDIO
ANSYS (Modelo geométrico)
Aceite
Núcleo
Bobinas
Aislamientos
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CASO DE ESTUDIO
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)
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CASO DE ESTUDIO
SECCIONES DE BOBINA DE AT
RV DE
AT
AIS
LAM
IEN
TO
DU
CTO
S VE
RTI
CA
LES
DUCTO RADIAL
ANSYS (Malla)
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CASO DE ESTUDIOPERFIL DE VELOCIDADES
Bobina de Baja Tensión
Bobina de Alta Tensión
Bobina de Reguladora AT
Pared del Tanque
Aceite con flujo natural
Entrada de aceite a núcleo bobinas
Salida de aceite a radiadores
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CASO DE ESTUDIOPERFIL DE VELOCIDADES
Bobina de Baja Tensión
Bobina de Alta Tensión
Bobina de Reguladora AT
Pared del Tanque
Aceite con flujo natural
Entrada de aceite a núcleo bobinas
Salida de aceite a radiadores
ANSYS (Velocidades)
Análisis Térmico y de Fluidos de un Transformador de 60 MVA Marca IEM
CASO DE ESTUDIO
Aislamiento
Bobina AT
Bobina BT
RV
AT
VECTORES DE VELOCIDAD
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CASO DE ESTUDIO
VECTORES DE VELOCIDADPERFIL DE TEMPERATURASANSYS (Temperatura)
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CASO DE ESTUDIO
VECTORES DE VELOCIDAD
Tanque
ANSYS (Temperatura)
72.2 °C75.3 °C 59.8 °C
76.5 °C
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CASO DE ESTUDIO
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)
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CASO DE ESTUDIO
PRUEBAS EXPERIMENTALES
Bobina de Alta Tensión
Sensor de fibra óptica en espaciador radial
Localización del sensor en la bobina
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CASO DE ESTUDIO
PRUEBAS EXPERIMENTALES
Bobinas reguladoras de AT
Sensor de fibra óptica colocado en guías
Bobina reguladora de alta tensión
Análisis Térmico y de Fluidos de un Transformador de 60 MVA Marca IEM
CASO DE ESTUDIO
PRUEBAS EXPERIMENTALES
Resultados:
Bobina de AT: 79.9 °C
Bobina RV inferior: 65.8 °C
Bobina RV superior: 64.8 °C
Temperaturas totales
Análisis Térmico y de Fluidos de un Transformador de 60 MVA Marca IEM
CASO DE ESTUDIO
PRUEBAS EXPERIMENTALESPruebas de Temperatura
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Tiempo
°C
Núcleo Alta Tensión RV Inferior RV Superior
Análisis Térmico y de Fluidos de un Transformador de 60 MVA Marca IEM
CASO DE ESTUDIO
COMPARACIÓN DE RESULTADOS
Tres métodos:
1. Programas de diseño
2. Análisis con ANSYS
3. Medición con sensores de fibra óptica
Análisis Térmico y de Fluidos de un Transformador de 60 MVA Marca IEM
CASO DE ESTUDIO
COMPARACIÓN DE RESULTADOS
BOBINA Diseño ANSYS ExperimentalBaja Tensión 46.2 37.22 ---Alta Tensión 48.3 42.25 44.9Reguladora inferior 54.4 25.5 30.8Reguladora superior 54.4 24.88 29.8
En elevación promedio de temperatura
En temperatura totalBOBINA Diseño ANSYS Experimental
Baja Tensión 81.2 72.22 ---Alta Tensión 83.3 77.25 79.9Reguladora inferior 89.4 60.5 65.8Reguladora superior 89.4 59.88 64.8
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CASO DE ESTUDIO
COMPARACIÓN DE RESULTADOS
BOBINA ANSYS Experimental ErrorAlta Tensión 45.9 44.9 2.2%Baja Tensión 44.4 --- ---Reguladora inferior 28.4 30.8 7.8%Reguladora superior 27.8 29.8 6.7%
BOBINA Diseño Experimental ErrorAlta Tensión 48.3 44.9 7.6%Baja Tensión 46.2 --- ---Reguladora inferior 54.4 30.8 76.6%Reguladora superior 54.4 29.8 82.6%
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CASO DE ESTUDIO
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
Análisis Térmico y de Fluidos de un Transformador de 60 MVA Marca IEM
CASO DE ESTUDIO
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