Diseño y Análisis de Transformadores de Potencia II: Un caso práctico con Flux

by infocoinav · 04/08/2017

A continuación describimos un caso práctico de diseño y pruebas realizadas en un transformador de potencia, para asegurar su correcto funcionamiento e incrementar su durabilidad.

Este ejemplo es un Modelo 3D completo en un tanque, con marcos y soportes, yugos (yokes), shunts y barras de distribución. Combina diferentes regiones físicas y materiales y proporciona una clara ilustración de todos los estudios posibles en un transformador de potencia con Flux en 3D. El transformador se define en un circuito con fuentes de tensión en el primario, y cargas resistivas en el secundario. Las dos primeras pruebas se realizaron en un modelo de transformador HV de 150MVA (cortesía de WTC) (132kV / 14.1kV).

Transformador de potencia 3D para pruebas en vacío y de cortocircuito

Prueba en vacío

En esta primera prueba, el secundario del transformador está abierto. Así que el núcleo está saturado y la corriente de magnetización se puede medir en el primario. Además, las fugas magnéticas pueden ser ignoradas, reduciendo complejidad de la geometría y representando sólo el núcleo y dos devanados. Las otras partes conductoras no afectan los resultados de este caso. Esta opción representa un real ahorro de tiempo y memoria. Para modelar este caso, es posible forzar I = 0A en el secundario o establecer valores de alta resistencia. Ambos métodos dan resultados similares.

Con los valores de tensión y el resultado de la potencia reactiva en el dominio, es muy fácil calcular las reactancias de magnetización en la primaria y secundaria. La corriente magnetizante también
tiene datos disponibles para la medición. Un modelo de pérdidas de hierro Bertotti evalúa estas pérdidas en cada región magnética. La mayoría de las partes vienen desde el núcleo. La siguiente tabla detalla algunos de estos resultados.

Inducción de corriente en un transformador de potencia 3D

Prueba de cortocircuito

En esta segunda prueba se aplica la situación opuesta: la corriente de magnetización se elimina y el núcleo es muy poco magnetizado. Sin embargo, existe una importante fuga de flujo magnético, que provoca pérdidas de corrientes de Eddy en todas las partes conductoras adyacentes. Así que esta prueba necesita que toda la geometría sea correcta. El modelo también comprende barras de distribución para modelar el efecto de estos conductores en el sistema global. El cálculo de las Pérdidas Extraviadas (Stray Loses) es muy importante porque este tipo de pérdidas son imposibles de medidar y simulación es la única manera de estimar su valor. Con el fin de modelar este caso, los valores de las resistencias en el secundario son muy bajas de modo que las tensiones tienden a cero.

Como en la prueba anterior, las reactancias de fuga (leakage reactances) son fáciles de calcular de los voltajes y la potencia reactiva en el dominio. Las diferentes pérdidas en las partes conductoras y en el circuito pueden también ser calculadas.

Las radiaciones del campo magnético fuera del tanque del transformador pueden también ser analizadas para que no excedan las regulaciones de radiación que se aplican en algunos países. La siguiente tabla detalla algunos de estos resultados en este caso:

Resultados de prueba de cortocircuito

Densidad de corriente en el tanque

Prueba de Corriente Inrush.

Diferentes estudios transitorios pueden ser configurados como defaults eléctricos, como la ruptura de una bobina o la desconexión del transformador de potencia. En particular, el encendido de un transformador de potencia descargado (unloaded) tiene efectos indeseables en la calidad de la energía y pueden dañar el transformador.

La tercera prueba involucra la medición de las restricciones provocadas por las corrientes inrush. Este fenómeno entrega una corriente alta por un período corto de tiempo y consecuentemente crea esfuerzos significativos en los devanados. Esta prueba fue ejecutada en un transformador 2D más pequeño. Este modelo se representa solamente con un núcleo y los devanados en el tanque.

Un escenario de 0.1 segundos muestra buenos resultados para restricciones estimadas para un transformador. Los picos de corriente y fuerza también corresponden a saturación magnética en el núcleo. Los resultados de la máxima corriente y fuerza se muestran en la siguiente tabla.

Resultado de prueba de corriente inrush

Los resultado son muy importantes para el diseño apropiado del transformador de potencia, para asegurar que pueda soportar todas las cargas en transitorio.

Inducción en el núcleo para un valor pico de corriente

Análisis térmicos

Adicional a las aplicaciones magnéticas, los estudios térmicos también están disponibles para detectar Hot spots con partes conductoras.

El calentamiento del tanque de un transformador puede ser calculado en estado estacionario a partir de las corrientes de Eddy obtenidas en los resultados magnéticos. Este análisis toma en cuenta la variación de las propiedades de los materiales en función de la temperatura. Las curvas de magnetización (Magnetisation curves ((B(H))) pueden ser definidas con coeficientes específicos para que puedan ser dependientes de la temperatura en cada nodo. Más aun, durante la resolución del modelo, en las iteraciones de solución, se toma en cuenta los efectos térmicos y magnéticos de manera simultánea

Los resultados pueden verse en la siguiente tabla:

Resultados de pruebas de temperatura

Temperatura en la superficie del tanque

Las simulaciones térmicas proveen de importante información al diseñador del transformador, para que pueda prevenir el sobrecalentamiento y asegurar la resistencia del transformador de potencia, según las necesidades para las que está siendo diseñado. El estudio térmico ayuda a incrementar la vida del transformador, disminuir costos de producción.