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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 • Objetivo • Metodología • Resultados • Comentarios finales

Contenido

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

Prueba de concepto

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: luis.payanrodriguez@ge.com http://www.prolec.com.mx