Modelización termo-hidráulica del proceso de refrigeración de transformadores de potencia bañados en aceite

Abstract

Una sociedad como la nuestra, sustentada en la utilización intensiva de la tecnología, hubiera sido inviable de no ser por el vigoroso desarrollo de la industria de generación y distribución eléctrica. La distribución a través de la red es posible gracias al transformador eléctrico, que permite el transporte de la energía eléctrica a grandes distancias de una forma económica y eficiente. Debido a su importancia como elemento clave en la distribución eléctrica y a la gravedad de los accidentes provocados por fallos en su operación, resulta necesario estudiar aquellos aspectos que afectan más directamente al funcionamiento y la vida útil de estas máquinas eléctricas. Al ser un dispositivo estático, el transformador no sufre prácticamente desgaste debido al movimiento. De hecho, la vida útil de un transformador de potencia está determinada casi exclusivamente por la vida de su sistema de aislamiento, el cual está constituido por materiales orgánicos, tales como el aceite refrigerante, el papel aislante y el cartón prensado de celulosa. Dichos productos orgánicos se degradan con el tiempo, de modo que al final de su vida útil dejan de poder soportar los esfuerzos mecánicos y dieléctricos a los que están sometidos durante la operación del transformador, provocando el fallo del mismo. Los factores que influyen en mayor medida en el proceso de degradación de los materiales orgánicos son: temperatura, humedad, oxígeno y acidez. La presencia de humedad y oxígeno normalmente se puede reducir a niveles aceptables a través de prácticas de mantenimiento apropiadas, al igual que la calidad (es decir, la acidez) del aceite refrigerante. Por lo tanto, el factor principal que determina el envejecimiento del aislamiento es la temperatura. El punto de máxima temperatura en el aislamiento, llamado la temperatura del punto más caliente (HST, correspondiente a las iniciales de hot-spot temperature), es la temperatura crítica que controla el envejecimiento debido a que la parte que se encuentra a la mayor temperatura presenta el mayor deterioro. Es bien conocida la influencia que las altas temperaturas producen en la vida útil de los aislamientos de los devanados y en las propiedades del fluido refrigerante, por lo que cualquier intento para determinar la distribución de temperaturas en el interior de estos constituye un aporte significativo para optimizar el sistema de refrigeración y de esta forma garantizar que se está trabajando bajo condiciones controladas y seguras. En definitiva, existe una clara necesidad de determinar con precisión la magnitud y la posición del HST para asegurar la fiabilidad y seguridad de los transformadores eléctricos. En esta tesis se aborda este problema mediante el desarrollo de un modelo termohidráulico que permita determinar la distribución del flujo y la temperatura en el interior del bobinado de un transformador. Así pues, el objetivo general de esta tesis consiste en determinar el campo fluido y térmico en el interior del devanado de un transformador de potencia sumergido en aceite para el caso plano y axisimétrico bidimensional mediante un modelo termohidráulico basado en redes de tuberías. En primer lugar se hace una breve introducción al transformador eléctrico como sistema de interés, se plantea el problema, los objetivos generales y específicos, la metodología a utilizar y la contribución original del proyecto. A continuación se realiza una caracterización numérica detallada del flujo laminar a través de los elementos singulares presentes en el interior del devanado, como lo son las uniones en «T» que combinan y dividen, así como los codos a 90 con esquinas sin redondeos. Las simulaciones realizadas proporcionan mapas de flujo que permiten determinar la existencia de los distintos tipos de zonas de recirculación para cualquier combinación de valores del número de Reynolds del conducto común, la fracción de flujo másico que circula por el conducto recto de la unión respecto al flujo másico total y la relación de áreas entre el conducto recto y el lateral, dentro del rango paramétrico típico que se da en la operación de transformadores. Con respecto al caso laminar para la unión que combina, hasta donde se tiene conocimiento, los trabajos publicados en la literatura abierta sobre las características del flujo son muy escasos, ya que los estudios prácticamente se han limitado al caso de la unión que divide. Esta tesis pretende llenar este vacío al brindar una descripción completa del flujo que permite caracterizar los efectos de las uniones y codos sobre el flujo del aceite de refrigeración de transformadores a los números de Reynolds moderados (20–200) característicos de estos movimientos. Posteriormente, tras un postproceso minucioso de la campaña de simulaciones realizada, se desarrollan y proponen nuevas correlaciones para predecir los coeficientes de pérdida de la presión estática en uniones tipo «T» y en codos bidimensionales a 90 con esquinas sin redondeos para las condiciones de flujo típicas de transformadores reales. La principal aportación de esta tesis a la generación de nuevo conocimiento es el desarrollo de una herramienta computacional capaz de determinar de un modo rápido y preciso el campo fluidotérmico dentro de los bobinados de un transformador bañado en aceite de dimensiones reales, considerando tanto los canales horizontales y verticales como la presencia de los bloqueos que redireccionan el flujo, e incluyendo el efecto de la flotabilidad y la variación de las propiedades del fluido con la temperatura. El modelo se valida comparando los resultados con otros obtenidos mediante simulación con CFD en ciertos casos particulares de interés para las dos geometrías estudiadas (plana y axisimétrica). A diferencia de algunos de los trabajos revisados en la literatura, que consideran el cambio de temperatura del aceite en forma lineal cuando fluye por los conductos intercambiando calor con los discos (elementos conductores de cobre que forman el bobinado y se usan para generar los campos magnéticos) adyacentes, en este estudio se considera la variación exponencial que se obtiene analíticamente al determinar la temperatura del fluido a lo largo de un conducto con paredes isotermas. Así mismo, en esta tesis doctoral se considera el flujo de calor en los conductos verticales, que al ser tan cortos, normalmente se desprecian en muchos análisis, asumiendo que la temperatura del aceite a través de ellos permanece constante.

A society like ours, based on the intensive use of technology, would have been unfeasible had it not been for the vigorous development of the electricity generation and distribution industry. The distribution through the network is possible thanks to the electrical transformer, which allows the transport of electrical energy over long distances in an economical and efficient way. Due to its importance as a key element in the electrical distribution and the severity of accidents caused by failures in its operation, it is necessary to study those aspects that most directly affect the operation and service life of these electrical machines. Being a static device, the transformer suffers virtually no wear due to movement. In fact, the service life of a power transformer is determined almost exclusively by the life of its insulation system, which is made up of organic materials, such as cooling oil, insulating paper and pressed cellulose cardboard. These organic products degrade over time, so that at the end of their useful life they can no longer withstand the mechanical and dielectric stresses to which they are subjected during the operation of the transformer, causing it to fail. The factors that most influence the degradation process of organic materials are: temperature, humidity, oxygen and acidity. The presence of moisture and oxygen can usually be reduced to acceptable levels through appropriate maintenance practices, as can the quality (i.e. acidity) of the cooling oil. Therefore, the main factor that determines the aging of the insulation is the temperature. The maximum temperature point in the insulation, called the hottest-spot temperature (HST), is the critical temperature that controls aging because the part that is at the highest temperature has the greatest deterioration. The influence of high temperatures on the service life of the windings insulation and on the properties of the cooling fluid is well known. Therefore, any attempt to determine the distribution of temperatures inside them constitutes a significant contribution to optimize the cooling system and thus ensure that it is working under controlled and safe conditions. In short, there is a clear need to accurately determine the magnitude and position of the HST to ensure the reliability and safety of electrical transformers. This thesis addresses this problem by developing a thermohydraulic model to determine the flow distribution and temperature inside a transformer winding. Thus, the general objective of this thesis consists in determining the fluid and thermal field inside the winding of a power transformer immersed in oil for the two-dimensional planar and axisymmetric cases by means of a thermohydraulic model based on pipe networks. First, a brief introduction is made to the electrical transformer as a system of interest, the problem is posed, the general and specific objectives are stated, the methodology to be used is explained and the original contributions of the project are raised. Next, a detailed numerical characterization of the laminar flow is then carried out through the singular elements present inside the winding, such as the “T” joints that combine and divide, as well as the elbows at 90 with corners without rounding. The simulations performed provide flow maps that characterize the different recirculation zones existing for any combination of Reynolds number values of the common conduit, the mass flow fraction that circulates through the straight conduit of the junction with respect to the flow total mass and the ratio of areas between the straight and lateral ducts, within the typical parametric range that occurs in the operation of transformers. With respect to the laminar case for the union that combines, to the best of our knowledge, the works published in the open literature on the characteristics of the flow are very scarce, since the studies have practically been limited to the case of the union that divides. This thesis aims to fill this gap by providing a complete description of the flow that allows characterizing the effects of the joints and elbows on the flow of the transformer cooling oil for the moderate Reynolds numbers (20–200) characteristic of these applications. Subsequently, after a thorough postprocessing of the simulation campaign carried out, new correlations are developed and proposed to predict the loss coefficients of static pressure in “T” type joints and in two-dimensional elbows at 90 with corners without rounds for the typical flow conditions of real transformers. The main contribution of this thesis to the generation of new knowledge is the development of a computational tool capable of determining in a fast and precise way the fluid thermal field within the windings of a real size transformer bathed in oil. The model considers both the horizontal and vertical channels, as well as the presence of the blockages that redirect the flow, and includes the effect of buoyancy and the variation of the properties of the fluid with the temperature. The tool is validated by comparing the results with others obtained through CFD simulation in certain particular cases of interest for the two geometries studied (planar and axisymmetric). Unlike some of the works reviewed in the literature, which consider the oil temperature change in a linear fashion when it flows through the ducts exchanging heat with the adjacent disks (copper conductive elements that form the winding and are used to generate the magnetic fields), in this study we consider the exponential variation that is obtained analytically when determining the temperature of the fluid along a conduit with isothermal walls. Likewise, we also consider the heat flux in the vertical ducts, which, being so short, are usually neglected in many analyses, assuming that the temperature of the oil through them remains constant.