Desarrollo de una metodología computacional para el análisis de fenómenos físicos acoplados en la operación de transformadores eléctricos

摘要

El presente documento muestra una metodología que permite determinar la distribución de pérdidas parásitas en los diversos y más relevantes componentes de un transformador trifásico de potencia seguido de un estudio que en función de las pérdidas energéticas calculadas, aproxima la distribución de temperaturas y el campo de velocidades que se presenta en los devanados de baja y alta tensión de la máquina. Realizando un estudio electromagnético periódico bajo niveles de corriente nominal en los devanados, se estudió la distribución de la intensidad del campo magnético dentro de la máquina empleando estudios numéricos basados en el método de elemento finito para posteriormente calcular, mediante el uso de procedimientos analíticos, la generación de calor por unidad de volumen en estructuras laminadas como son el cobre de los conductores tipo CTC de los devanados y las láminas de acero al silicio del núcleo. Por su parte en los elementos estructurales de sujeción como lo son los tirantes y herrajes y el propio tanque contenedor, se calcularon las pérdidas de potencia en función de la impedancia superficial que estas estructuras presentan. Estas pérdidas parasitas fueron aproximadas optimizando los recursos computacionales al mantener los criterios de mallado en niveles de densidad bajos, sin que esto impactara en la confiabilidad de los resultados. Al conocer la potencia disipada por cada uno de los elementos estructurales de la máquina, un estudio numérico basado en el método de volúmenes finitos fue empleado para discretizar y caracterizar el campo de velocidades que existe en los canales verticales y horizontales que fungen como circuito hidráulico que transporta el calor generado de los conductores devanados hacia el entorno, y como consecuencia la distribución de temperatura local de cada uno de los conductores. Se reporta la ubicación y orden de magnitud de los puntos de mayor elevación de temperatura para cada uno de los pases así como la temperatura del punto caliente global de los devanados de la máquina en una fracción axisimétrica angular de 10° del paquete de bobinas de baja y alta tensión.