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

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INTRODUCCIÓN

TRANSFORMADORES DE POTENCIA

- Núcleo

- Bobinas

- Aislamientos

- Tanque

- Sistema de enfriamiento

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INTRODUCCIÓN

BOBINA Aislamientos

Ductosverticales y horizontales

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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

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CASO DE ESTUDIO

DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

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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

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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

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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)

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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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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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PRUEBAS EXPERIMENTALES

Bobina de Alta Tensión

Sensor de fibra óptica en espaciador radial

Localización del sensor en la bobina

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PRUEBAS EXPERIMENTALES

Bobinas reguladoras de AT

Sensor de fibra óptica colocado en guías

Bobina reguladora de alta tensión

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PRUEBAS EXPERIMENTALES

Resultados:

Bobina de AT: 79.9 °C

Bobina RV inferior: 65.8 °C

Bobina RV superior: 64.8 °C

Temperaturas totales

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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

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COMPARACIÓN DE RESULTADOS

Tres métodos:

1. Programas de diseño

2. Análisis con ANSYS

3. Medición con sensores de fibra óptica

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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

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CASO DE ESTUDIO